渠堤滲漏檢測技術及多源融合新技術初探

武娟娟，劉 震，劉明瀟，孫 羽

（華北水利水電大學港口航道與海洋發展研究中心，鄭州 450046）

平原河流與輸水渠道普遍存在滲漏破壞問題，尤其在填方渠段更易發生。填方渠道的水面高于周邊地面，且渠堤迎水面大，在沒有停水期的持續運行中，渠堤存在產生裂隙、脫空進而導致高填方渠道內水外滲的隱患[1]。高填方區會出現地面局部沉降、滑坡等現象。高溫時，在渠道迎水面出現防滲面板拱起或龜裂現象；低溫時，防滲體收縮，溫度縫和裂紋則成為滲漏水流的入口。究其原因，主要來自三方面：①目前我國尚無關于填方渠道完整的設計規范，填方渠道工程設計主要參照土石壩或路堤堤防設計規范。而填方渠道設計條件與土石壩及江河堤防設計有很大的區別，填方渠道沒有針對滲漏破壞與滲漏修復的處理規范；②長距離線性工程沿線地質條件變化多端、填筑料源不同，填筑順序不一致，填方渠道差異、沉降問題更為明顯，更易造成渠道滲漏破壞；③影響高填方渠道安全的首要因素就是滲透破壞，但由于填方渠道結構特殊，對于大跨度的線性工程原有的檢測技術難以有效進行實時、連續監測，無法及時修復與補救發生滲漏的地方[2]。雖然渠道滲漏在早期不易檢測，影響也較小，但一旦發生滲漏且面積較大時，就表明渠道安全問題很嚴重。由于輸水渠道填方段距離很長，即使是較小的滲漏點，沿線也會導致大量的滲漏。

填方渠道滲漏防治必須防微杜漸，因此渠堤滲漏檢測技術是填方渠道安全運行的關鍵技術之一，研究高填方渠道滲漏檢測意義重大。為此，筆者針對填方渠道滲漏檢測技術發展現狀，對其技術特點、測試原理、適用環境、優勢與不足等進行分類評述。同時根據現有多源檢測技術及大數據應用現狀，針對目前填方渠道滲漏檢測的技術需要，研究探討了“天-地-水”一體化渠堤滲漏檢測新技術的應用，以期為填方渠道滲漏檢測技術進步起推動作用。

1 渠堤滲漏檢測技術現狀與評述

江河堤防、渠道渠堤水下滲漏檢測方法雖然種類繁多，但從工作原理上看，大致可分為鉆探取樣法、人工探視法、地球物理探測法、智能集成檢測載體技術等幾類。其中前三類是沿用較久的傳統檢測方法，智能檢測載體則是近年來人工智能與水利行業多方技術需求相結合的產物。

1.1 鉆探取樣法

該方法采用專用鉆機從渠堤中鉆取芯樣，通過對芯樣的外觀、物理性質、化學性質等特性進行分析，以判定渠堤土體內部結構變化與土體防滲質量（見圖1-2）。其中土壤芯樣的斷層率、含水率等特性對渠道渠堤的滲漏性質判別具有重要意義[3]。此法操作簡單、價格便宜，但卻是一種半破損的現場檢測方法，會對渠道路堤造成局部破壞。由于其檢測時間長、范圍小，不能滿足快速測量和大面積無損檢測的要求。

圖1 鉆探取樣

圖2 鉆探芯樣

1.2 人工探視法

1.2.1 人工巡邏法

為了檢測渠堤斷面上的滲透壓力分布以及浸潤線、滲流量、地下水位等[4]，在渠道底部或渠道斷面上，采用嵌入式或半嵌入式安裝滲流計、壓力管、水位計等檢測設備。渠道管理人員定期定量巡查儀器，觀測渠道斷面的水壓變化，以便及時發現滲透現象（見圖3-4）。這類滲流檢測設備不能實現連續與移動檢測，也不能進行斷面間的渠堤滲流檢測[5]。如果設備部件損壞，維修時還會對堤岸造成擾動。

圖3 人工巡查、記錄

圖4 人工地毯式巡查

1.2.2 潛水員檢測

潛水員攜帶專業檢測設備（如專業水下相機、攝像機和滲流檢測儀器），潛入渠道水下進行堤坡滲漏檢測，主要依據水下圖像采集與儀器檢測來判斷渠堤是否出現滲漏；對可能發生滲漏的點位進行定位和記錄。

潛水員常用檢測方法為“實時高清攝像+噴墨示蹤”組合法。潛水員在水質較好的環境中使用高清攝像機對渠道渠堤可能發生滲漏破壞區段進行視頻檢測、滲流調查、局部詳查，攜帶噴墨裝置對發現的滲漏點進行檢查，在可能滲漏通道入口處釋放含有可溶解鹽、巧光素等化學物質的示蹤劑，同時采用高清攝像實時記錄示蹤劑在滲流作用下被帶入通道的影像，根據流向流速判斷滲漏入口、并推算流量。滲漏入口水流卷吸力會將示蹤劑吸入通道，根據滲漏出口示蹤劑出露位置和高程查明滲漏通道大致分布，從而確定滲漏通道[6]（見圖5-7）。

圖5 水下高清式攝像

圖6 高清攝像精確定位入滲點

圖7 滲漏出口集水處水體變色

在水質渾濁、流態不穩、漏量較小的環境下，高清攝像技術+噴墨示蹤技術探查效果不明顯，因此該法使用也有局限。

1.3 地球物理探測技術

這是一種參考地礦勘察的探測方法，是基于渠堤土體地球物理正常場和出現滲流場中電導率、磁導率、聲、彈性、溫差等物理性質的差異，采用多種物探方法和儀器，探測地球物理場的自然分布或裂隙變化特征，通過分析探測數據識別壩體滲漏狀況。

主要勘探方法包括：電探測、磁探測、聲波探測、地熱探測等。

1.3.1 電法探測

渠堤中發生滲透破壞的土壤導電性良好（電阻率低），電法勘探就是利用渠堤滲漏區與未滲漏區土體之間的導電差異性，尋找滲漏破壞區的一種地球物理勘探方法。電法勘探通過跟蹤觀測人工建立的電場分布，研究大壩內潛在滲漏區及其變化。若存在滲漏現象，滲漏區電阻率會低于正常土體，可以通過儀器快速采集和實時數據處理，這些優勢使高密度電阻率法得到廣泛應用[7]。一般在堤防可能滲漏區密集布置測點，實現準確、快速、地毯式測量觀測區地質信息數據，是將電剖面法和電測探法結合的做法（其工作流程見圖8、高密度電法儀見圖9）。

圖8 高密度電阻率法檢測工作

圖9 高密度電法儀

1.3.2 磁法探測

大壩滲漏時，滲流沿裂隙流動同時切斷地磁場的磁力線[8]。根據法拉第原理，水流動產生感應電動勢，并在周圍形成感應磁場，能使地磁場發生局部變化，產生磁異常。通過以專用儀器識別磁異常來探尋渠堤中的滲漏區域，即磁法探測。磁法探測又分為電磁法與地質雷達探測法。

（1）電磁法

目前應用較為廣泛的是瞬變電磁法與地下磁流體探測法。瞬變電磁法是根據泄漏點處電磁性質的差異判斷壩體是否存在泄漏[9]。瞬變電磁儀向地下垂直發射一次脈沖磁場，通過觀察二次場，檢測泄漏異常。發生滲漏的區域電導率相對較高，造成二次磁場較強，籍此可發現滲漏位置，其工作原理見圖10。此法能克服地形和布線電阻干擾，檢測出埋藏較深的滲漏隱患；受重金屬介質干擾時，檢測結果需要驗證。地下磁流體探測法是利用地下自然磁場的漏磁特征信息，了解并熟悉地下電性剖面的電性差異，反演地質構造特征、發現滲漏點位置。通過測量溝內自然電磁波在地面產生的電場變化特征，確定泄漏區和泄漏點[10]。檢測工作示意見圖11。地下磁流體探測工作效率高，不易受地理環境影響。

圖10 瞬變電磁法檢測工作

（2）探地雷達探測法

該方法是基于滲漏通道的電導率σ 和介電常數ε 與正常渠道堤防滲漏故障檢測方法之間的差異[11]。使用探地雷達天線陣列技術可以提高檢測的準確性和有效性[12]。它可以連續無損檢測，具有效率高、精度高、反演容易等優點。電磁波穿透深度主要受σ 的影響，傳播速度由ε 決定。當渠堤出現滲漏時，由于周圍介質含水量較大，σ 和ε 增大，容易形成清晰的電氣界面，使電磁波信號發出強烈的反射，明顯異于正常反射[13]。探地雷達及其工作示意見圖12-13。

圖12 無線探地雷達

圖13 地質雷達探測法檢測工作

1.3.3 聲法探測

圖14 3D 聲納檢測儀

圖15 水下聲納探測

1.3.4 地溫法探測

渠堤發生滲流會引起周圍環境溫度的變化，將溫度傳感器測頭埋設在渠堤底部或不同斷面處，通過各測點溫度傳感器傳遞的信息來發現和檢測渠堤滲流狀態。主要檢測方法有溫度示蹤法、分布式光纖法。

溫度示蹤法是在堤基和堤岸不同位置埋設多組高靈敏度溫度傳感器，在消除溫度擾動影響后確定測量點溫度的方法。通過對測點溫度信息的綜合研判，確定測點溫度異常是否由滲水引起，從而實現壩體中滲漏點的定位檢測（其流程見圖16）。

圖16 溫度示蹤法檢測工作

分布式光纖法通過加熱光纖溫度測量系統實時、連續地檢測光纖周圍的渠堤溫度變化，從而發現滲漏位置（其光纖分布方式見圖17）。

圖17 分布式光纖法光纖分布

1.4 智能集成檢測載體技術——水下機器人

水下機器人是一種智能集成泄漏檢測載體技術，可在高度危險環境、污染環境和零能見度水中長期工作[16]。根據ROV 與母船之間是否有電纜連接，可將ROV 分為兩種類型[17]（見圖18-19）。

圖18 有纜水下機器人

圖19 無纜水下機器人

水下機器人由水面及水下設備組成，可根據不同檢測需求裝載不同的滲漏檢測設備，大大提高了滲漏檢測的自主性和靈活性。由于水下機器人功能強大、數據傳輸穩定、運行時間不受限制、環境適應性強，所以近年來在堤防滲漏檢測中得到廣泛應用。

2 “多源融合、天-地-水一體化”堤防滲漏檢測系統展望

2.1 一體化檢測的創新思路

2.1.1 創新理念與原理

由表4可知，用2種方式對牛肉丁進行嫩化，產品的感官評價變化不明顯，但是相對于鈣鹽嫩化，醋漬嫩化效果好，醋漬嫩化后，牛肉丁的彈性佳，外焦內嫩。因此，嫩化方式確定為醋漬嫩化。

為滿足當前對填方渠道滲漏檢測無損、精確、高效、連續等技術特性的需求[18]，在分析現有檢測方法短板與渠堤滲漏特點的基礎上，筆者認為可充分利用已有先進監測技術及大數據應用等技術優勢，通過技術集成實現滲漏監測技術創新。

基于人工智能、電磁學及地下水動力學原理，提出“多源融合、天-地-水一體化”的檢測理念，應用圖像識別分析技術、無人機-水下機器人智能監測技術、互聯網+5G 技術和沿程監控系統，開展對大型輸水明渠滲漏信息的全方位監測、分析與處理。這種一體化滲漏檢測系統，可以為科學、精確、高效地查明渠堤滲漏等安全隱患提供新思路。

2.1.2 基本技術構成與功能設計

依據“多源融合的信息采集分析”理念，提出“天-地-水”一體化填方渠道滲漏檢測系統的技術集成，主要分為采集、傳輸、分析三個子系統。采集子系統的核心技術為：無人機紅外成像巡檢，水下聲納機器人聲納掃描，熱力-水動力耦合溯源；機動地質雷達探測，配合地磁場分析；還有基于5G 移動通信技術的檢測數據實時傳輸子系統和對各類采集數據的多源融合分析子系統。子系統工作示意如圖20 所示。

圖20 “天-地-水”一體化渠道滲漏檢測子系統工作示意

一體化監測工作包括：

（1）“天”--無人機搭載紅外成像攝像頭，巡檢時通過紅外成像技術快速發現滲水出露點并報送位置信息，監測人員依據“熱力-水動力耦合溯源”技術，現場測量出露點水溫與渠道水溫差，估算滲水路徑長度并確定滲水量。

（2）“地”--配合天、水監測信息，在堤頂采用機動的無線探地雷達，利用精密磁測技術[19]掃描確定渠堤土體中的地磁流體場特征，精準跟蹤定位滲漏水流的滲流路徑。

（3）“水”--利用水下機器人搭載聲納檢測儀，根據無人機巡檢信息，進行重點水下監測，結合圖像識別方法探尋填方渠道滲漏源頭、結構裂隙位置及滲流水動力特性。

（4）傳輸與分析：“天-地-水”三方檢測數據利用5G 移動通信技術實時傳輸到遠程分析中心；通過系統一體化協同、信息綜合分析處理，得到堤防土體滲流場實時狀況；如發生滲漏現象，判斷后及時發送滲漏預警信息，并報送工程維修部門實施截滲處置。

2.2 可行性分析與技術展望

“天-地-水”一體化填方渠道滲漏檢測系統的主要特點是高新技術的集成與系統的智能化。目前水下聲納機器人與探地雷達檢測填方渠道滲漏技術已較為成熟，工作穩定可靠；5G 移動通信憑借高速率、低延時、大連接的技術優勢在國內已廣泛應用；采用無人機的紅外成像巡檢以其快捷、精準、范圍廣的技術特點已在一些輸水渠道的滲漏檢測領域大顯身手；熱力-水動力耦合溯源技術借助地下水數值模擬，通過對熱傳播的準確模擬，大大提高了對堤防滲漏路徑預測的科學性及可靠性。

“天-地-水”一體化體現了多源數據融合、信息集成分析的新理念，利用無人機、無線探地雷達、水下機器人搭載聲納檢測儀三者相結合進行滲漏點檢測，突破了傳統檢測滲漏方法的單一性，實現天、地、水空間信息采集的統一性。它可以高效、及時、準確獲得渠堤滲漏信息，提高檢測效率，有效降低渠堤滲漏破壞風險，是一項極具發展潛力的新技術。

為了解決南水北調中線干渠填方渠段滲漏的預測與防范，筆者與相關部門正在協作開展基于無人機、水下機器人聯合巡檢技術裝備的研發和探地雷達檢測技術的完善工作。據悉，國內已有水利科研院所和高校在開展分項技術與裝備的研發，開發利用多源數據建立渠堤滲漏耦合研判模型。通過“科研+設計+設備制造+現場應用”的聯合攻關模式，發揮管理部門、科研單位和設備制造企業各自優勢與協同作戰能力。開展試驗研究、技術研發、設備制造、系統集成與試點應用，實現輸水渠道滲漏檢測、預警技術的現代化是完全可能的。

3 結論

渠堤滲漏直接關系到渠堤工程安全，因此對其檢測是大型輸水渠道安全、穩定運行的重要技術保障手段。了解檢測技術現狀，開發具有集成、智能特性的滲漏檢測新技術十分必要與迫切。

（1）本文系統概述了現有堤防滲漏檢測技術發展現狀，分類評述了常用滲漏檢測技術。對傳統鉆探取樣、人工探視及地球物理探測法的測量原理、技術特點、適用性進行了對比分析和評述。

（2）介紹了新型智能檢測載體技術，分析評述了集成人工智能要素的“水下機器人”在水下滲漏檢測方面的功能與優勢；分析了作業精準度與智能特點，探討了在能源、通訊及控制系統方面的改進空間。綜合分析表明，現有檢測技術在解決堤防滲漏檢測方面還存在局限性，不易達到全方位、無死角、快速準確檢測的效果。

（3）根據渠道滲漏特點，探討了基于多源融合的“天-地-水”一體化填方渠道滲漏檢測新模式，提出了多源融合的檢測原理與采集子系統的主要技術方法，分析了耦合檢測方案中集成的多種先進技術的可靠與可行性。該具有前瞻性的新技術可實現多角度、全方位、智能化渠道滲漏檢測，體現了現代滲漏檢測技術的發展方向。