水利工程運行安全檢測關鍵技術及其應用

李兆鋒 陳江平 陳敏 王峰 王鵬飛

摘要：水利工程在長期運行后會出現明顯的病害并存在內部的隱患，所以運行期工程的安全檢測至關重要。針對水下和內部等不同部位，介紹了近年來發展形成的地球物理檢測新技術新方法，能夠快速高效識別不同工程部位的安全狀態和存在的病險;同時，實際工程中取得的良好應用效果表明：這些方法能夠滿足當前水利工程安全檢測典型需求，可為水利工程運行安全提供全面、可靠的檢測成果和科學支撐。

關鍵詞：安全檢測; 地球物理; 水利工程; 運行安全

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.013

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0066 - 07

0 引 言

1949年以來，中國興水利、除水害，大力開發和發展水利水電事業。經歷了1950～1957年發展初期、1958～1966年高速發展時期和改革開放后的鞏固和技術發展成熟時期[1]，中國至今已建成各類水庫9.8萬多座，各類河流堤防43萬km，規模以上水閘10萬多座，基本構筑了較全面的江河防洪、城鄉供水、農田灌溉等水利工程體系[2]，成為中國在新時代社會、經濟、生活綠色發展和健康發展的重要保障。

在水利工程持續高速建設發展的同時，大量老舊壩體、堤防隨著長期運行老化且受各種自然災害的侵蝕，已出現各種不同的病害、存在影響程度不一的隱患。早期曾發生板橋土壩、石漫灘土壩和溝后水庫失事、潰壩的現象，目前全國仍有近2萬座小型水庫存在病險隱患。雖然近年來通過全國大規模的病險庫壩加固除險和江河堤防大建設，國內水利工程安全狀況已經有了較大的改善，但潛在的病害和隱患仍嚴重威脅著水利工程的安全平穩運行。

為保障水利工程安全運行、保證其社會生態功能效益充分發揮，需要對病險水庫、水閘、調水工程和堤防險工險段的狀況進行隱患排查和安全鑒定，逐步實現工程安全隱患早消除、安全風險早化解[2]。

為應對新時期水利工程規模大、致險因素復雜、病害隱蔽等特點，在安全檢測和隱患排查技術方面，除了地球物理傳統方法[3]、精細探測技術[4]和時移探測技術[5]外，根據工程表觀、水下和內部檢測需要，將地球物理探測技術結合無人機、水下機器人及物聯網新技術，發展出了無人機載智能化快速巡檢技術、水下綜合一體化檢測技術、磁電阻率法及水下高密度電法等，通過解釋工程表觀和內部的地球物理特征信息，可快速有效判斷工程安全狀態和存在的病險，是水利工程安全檢測的新技術、新方法，也是運行期大規模、大體積工程快速精細探測與隱患辨識的全新解決方案，可為水利工程安全運行和信息化運行管理提供可靠的技術支撐。

1 無人機載智能化快速巡檢技術

無人機技術和攝影測量技術[6]在電網巡檢[7]、輸電線路巡檢[8]、橋梁檢測[9]和建筑檢測[10]中已經開展了不少研究，并取得較好的綜合應用成果。而該無人機載智能化快速巡檢技術針對類似南水北調工程距離長、跨度大、巡檢體量大但表觀常規檢測效率低的情況，可實現外觀破損病害、表觀滲漏點等快速高效識別和一體化智能快速巡檢。但該技術的應用必須依靠專業飛手進行現場操控，對飛手的經驗要求較高;技術應用時要求天氣晴朗、風力較小，才能確保取得較好的巡檢效果。

1.1 無人機載智能化快速巡檢裝備

無人機載智能化快速巡檢裝備包括機載多功能光電吊艙、地面工作站、無人機等，可實現快速、智能化、一體化多參數數據信息采集與傳輸，能夠滿足當前工程檢測的要求。

1.1.1 一體多功能光電吊艙

多功能光電吊艙（圖1）搭載連續變倍高清可見光攝像機、紅外熱像機、雙目相機和激光測距儀，實現五目集成化;實現基于可見光的破損目標識別、拍攝及圖像回傳，紅外熱像儀的滲漏目標識別、拍攝及圖像回傳，激光測距以及基于雙目相機的裂縫尺寸精細化測量。其中，連續變倍高清攝像機在10 m高度可識別20 mm以下寬度的裂縫;雙目相機在重點區域實施毫米級裂縫測量;紅外相機在10 m高度時測溫精度為±2℃;激光測距儀測距精度為±5%。

1.1.2 可見光圖像裂縫快速識別方法

針對無人機航拍可見光圖像受天氣、光照等環境因素的影響導致圖像噪聲高的問題，該技術采用基于富尺度卷積神經網絡的裂縫快速識別方法。在傳統的U-net模型的基礎上融合了殘差和特征矯正的思想，將殘差模塊（ResNet模塊）和Squeeze and Excitation模塊（SE模塊）集成到U-net模型上，將破損的低層細節特征和高層語義特征融合起來，提高了小尺寸病害的識別精度;同時SE模塊可以學習全局信息有選擇地強調有用的特征，并通過重新校準抑制背景噪聲中不太有用的特征，提升了干擾環境下破損的識別精度[11]。

1.1.3 基于裂縫骨架提取-雙目測量-距離修正的裂縫測量技術

在完成堤壩病害智能識別基礎上，創新地采用裂縫骨架提取-雙目測量-距離修正的雙目測量技術，實現堤壩破損病害的智能識別與測量。

采用Zhao-Suen快速細化算法提取裂縫骨架，以裂縫骨架長度表示裂縫長度。Zhao-Suen快速細化算法具有良好的收斂性、連通性特點，同時還能在保持圖形基本形狀的基礎上，使用較少的迭代次數獲取圖像的中心線，減少運算時間。

再采用Canny算子算法進行裂縫邊緣檢測，對獲取到的裂縫邊緣采用開算法進行降噪優化處理，過濾不符合標準的裂縫，得到裂縫骨架邊緣曲線。對該類裂縫圖采用Sift算法與雙目相機獲取的圖進行匹配，繼而采用雙目視覺測量原理計算方法，計算出裂縫邊緣點的空間三維坐標，最后進行裂縫尺寸的計算。

1.1.4 紅外滲漏區域識別方法

由于堤壩滲漏區域一般具有低溫特征，紅外滲漏區域識別技術基于注意力機制對U-net的編碼器部分進行改進，利用來自溫度興趣區的輔助信息對紅外圖像數據進行融合，使其具有更好的紅外圖像分割性能，從而更加精準地提取紅外圖像中的滲漏區域，實現堤壩滲漏區域精確識別。圖2為溫度興趣特征圖與紅外圖像。

1.2 工程應用

華北某堤防段全長48.94 km，是某運行期水利工程的深挖渠道段。在日常的巡查中發現，該工程主要病害為干渠兩側道路及襯砌的破損與裂縫。采用無人機載智能化快速巡檢技術對該渠道進行全段表觀病害巡檢，巡檢時飛行高度穩定在10 m，飛行速度為20 km/h，飛手乘車隨機前行，地面站操作員實時觀察病害采集情況。在病害頻發段，通過人工巡檢記錄病害位置與尺寸，然后操作無人機沿該段飛行采集數據，重點病害位置處控制無人機懸停采集。

該巡檢技術獲得的典型破損裂縫檢測結果如圖3所示，在雙目相機輔助病害參數計算的情況下，機載吊艙測量裂縫寬度分別為5.20 mm和5.21 mm，人工實測值分別為5.47 mm和5.76 mm，測量誤差均小于10%。另外，部分渠段存在壩頂道路內部脫空或含水及背坡面雨后積水的現象，在機載紅外相機下表現出較明顯的低溫特征，其中脫空區域和滲漏檢測結果如圖4中黃色圈定區域所示。

2 水下綜合一體化檢測技術

水利工程在通水運行多年后，特別是調水型渠道在持續大流量調水情況下，容易引發部分渠段襯砌面板破損、結構開裂、滲漏等問題，從而造成均勻沉降，危及結構安全，為工程帶來潛在安全威脅，因此必須定期對水下構筑物進行水下檢測和安全評估。該水下綜合一體化檢測技術將水下機器人技術[12]與地球物理檢測技術科學結合，能很好地實現對水下構筑物特定目標的高效精準檢測。但在實際應用中，實際動態水域環境越復雜，對水下機器人和檢測裝置的協同操作有著越高的要求;且該技術更適合對水下構筑物特定部位進行精細檢測，其大范圍水下檢測的工作效率還有待提高。

2.1 水下綜合檢測裝備硬件系統

水下綜合檢測裝備硬件系統（圖5）為搭載水下清洗裝置、水下雙目立體視覺感知系統、數據遠距離傳輸系統和水下構筑物缺陷超聲波陣列成像檢測系統的水下機器人，能夠實現在高速水流下的靈活控制，對構筑物表面的清洗以及在線水下涵隧內壁圖像獲取、數據傳輸、圖像清晰化、涵隧內壁缺陷的檢測與測量及內壁內部損傷的探測等功能，是一種長續航、大動力、智能化的渠道箱涵水下綜合檢測裝備。

2.2 表觀成像清晰化技術

針對水下光學圖像退化嚴重和懸浮物干擾的情況，采用一種基于時空信息聯合建模的水下圖像復原技術。首先，對降質圖像進行建模，通過選取不同大小的圖像塊，構建對比度編碼圖像，并從中生成兩個增強的圖像：① 突出了更精細的細節;② 消除了暗度。使用多尺度融合方法實現保留圖像細節信息的同時還原圖像的亮度信息，提高水下成像質量。然后，構建時-空顯著性模型，對各種形態、大小的懸浮物進行有效檢測，利用視頻幀的冗余特性對水體懸浮物區域進行高保真度修復，進一步提高圖像的對比度和清晰度。

2.3 水下構筑物表面缺陷檢測技術

針對水下檢測環境，深入分析該環境成像特點，以三維投影點匯集在一條曲線而非直線上的水下極線約束條件，采用水下雙目立體相機標定與立體匹配方法技術，降低水體中折射帶來的影響，提高水下立體匹配準確率;構建出水下構筑物缺陷數據集，并采用Yolov3網絡方法進行缺陷數據學習，對復原的清晰水下圖像進行分析，檢測構筑物表面是否存在缺陷，并采用全卷積神經網絡進行像素級精細化分割，利用雙目視覺構筑物表面的三維幾何形狀，實現水下構筑物表面裂縫等缺陷的準確檢測與尺寸定量測量。

2.4 水下混凝土構筑物無損探傷技術

針對無接觸水下混凝土構筑物損傷檢測需要，已形成了一套包括高壓脈沖式與任意波形激勵式的水下混凝土構筑物超聲檢測的相關探傷與成像方法，建立了一套性能優異的硬件系統裝置，包括高壓可調方脈沖激勵源、大功率大帶寬任意波形激勵源、數字控制與數據處理板卡，并研發出了滿足水下混凝土襯砌脫空探測需求的換能器陣列;研發了大功率超聲激發及采集系統，并針對性地研究探索信號獲取及信息處理方法，提出了基于連續超聲波的水下混凝土構筑物非接觸式裂傷檢測成套新方法，實現了非接觸式的水下混凝土構筑物超聲檢測。

2.5 工程應用

為了解某水利工程退水閘水下構筑物在長期運行過程中是否存在安全隱患，采用水下綜合一體化檢測技術對下水構筑物進行水下作業并開展相關檢測工作。

工作期間，水下機器人穩定運行，使用前端搭載的電動滾刷水下清洗裝置對指定水下構筑物表面進行清洗，能有效地去除涵隧內壁表面的青苔和附著物。如圖6所示，在對水下構筑物表面進行清洗后近懸停拍攝，可清晰拍攝到構筑物表面裂隙，并獲取大量水下構筑物圖像;再采用水下表面缺陷檢測技術，通過算法與軟件可準確識別裂縫長度范圍并測量其尺寸，檢測效果滿足工程運行期安全檢測需求及SL/T 291.1-2021《水利水電工程勘探規程第1部分：物探》等相關規范或標準要求。

3 水下地層精細探測技術

除了調水工程水下構筑物易出現安全隱患外，水庫、河湖等具有蓄水功能的工程在多年運行后會出現泥沙淤積現象，導致水體水量和環境容量降低，影響工程應對突發性洪水等自然災害的能力，或影響航道的通航能力和行洪道的行洪能力。為快速、全面獲取水下地形和淤積層信息，采用水下地層精細探測成套技術，通過電性與彈性類探測方法結合，提取水下地層多物性參數，結合水下鉆孔取芯信息，綜合多參數數據智能處理與分析，最終獲取水下地層信息。但在淺水區域開展探測工作時需要考慮多次波對有效彈性波信號的影響，且該技術一般情況下需要鉆探取芯信息以對物探成果進行標定。

3.1 水域高密度電法技術

水下地層精細探測成套技術在使用多波束水下地形測繪技術和水面拖拽式地震反射技術獲取地層彈性波信息的同時，還需在超大水深條件下開展水下高密度電法探測，以準確獲取地層電性信息，尤其是在淤積層較厚的水域。

水域高密度電法技術是在常規淺水區域采用布設水面漂浮電纜采集數據[13]。為實現在水庫等超大水深條件下（水深超60 m）準確獲取淤積層、砂層等地層電性信息，研制了高抗拉、高抗壓、高穩定的水下高密度電法沉底電纜，實現了超大水深水底高密度電法數據采集，保證原始數據精度高、重復性好，如圖7所示;為消除電纜上方水體對反演成果的影響，采用全空間反演技術對數據進行反演處理，結合鉆孔地層分層信息，實現水下地層精細探測。

3.2 水下高密度電法在水庫中的應用

湖北某水庫已蓄水多年且出現了較明顯的淤積現象，嚴重影響了水庫的庫容和調蓄能力。因此，對該水庫開展了水庫淤積層與含砂量評估工作，采用水下高密度電法技術，對水底地層進行劃分，結合已知鉆孔信息，確定了淤積厚度、砂層厚度及分布情況，如圖8所示，可見淤泥層比砂礫石層厚度平均大3 m，說明該技術可為水庫淤積量與含砂量評估和安全運行提供科學依據。

4 滲漏磁電阻率法探測技術

上述3種新技術可有效辨識工程表觀出現的病險和隱患現象，但如何探測堤壩滲漏等工程內部隱患，一直是工程安全運行過程中重點關注的問題之一。以往常規物探方法在探測較為復雜的滲漏問題時效果不理想[14]，通過創新地采用滲漏磁電阻率法探測技術，可高效無損地探測工程滲漏通道，這將成為水利工程滲漏探測的關鍵技術。該技術主要適用于在壩后有較明顯滲漏點的堤段，且對周圍電磁干擾有著較高的要求。

4.1 磁電阻率法

磁電阻率法是一種基于滲漏通道中庫水導電性的新方法，其基于畢奧-薩伐爾定律，通過測量通電水體中電流產生的磁場大小和方向，反推電流場的分布特征[15]。

實際工作中，使用可調頻供電設備在滲漏通道進出水口附近（或壩體堤防的上、下游）供入特定頻率電流，形成滲漏通道的電流回路;再在圈定測區內按設計的測線測點，采用高精度磁場張量測量技術，測量各個點的磁場、通過濾波去噪等方法繪制磁場平面等值線特征圖，根據該磁場特征通過建模分析獲得對應電流分布模型，最終推斷出滲漏通道的平面位置和埋深。

磁電阻率法是一種新型的無損、三維、適用性廣、高效輕便的滲漏通道探測技術，能較好地適用于水庫大壩、堤防等水利工程場景，只需要在區域表面進行數據采集，受場地制約較少，且通過三維成果可視化能夠直觀快速了解滲漏通道的分布情況。

4.2 磁電阻率法在水庫中的應用

江西省某中型水庫大壩為土石壩，自1977年建成后已多次出現較重大險情，2010年新建混凝土防滲心墻并進行帷幕灌漿，蓄水后在左壩肩出現2個明顯滲漏點。

應用磁電阻率法對壩體測區開展高精度磁場探測，再對數據進行處理與分析，繪制出該壩體附近磁場強度比率值成果圖，根據圖中高比率值區域等值線分布特征推斷左壩肩存在兩條優勢滲漏通道，如圖9所示。后期通過水庫放空在上游左壩腳發現3個空洞，結合地質資料中的滲漏通道對應深度處為茅口組灰巖，綜合推斷該處滲漏通道為巖溶引起，且探測成果準確度較高，能夠滿足工程施工維護需要。

5 結 語

大量水利工程已轉入運行維護階段，為保證工程安全運行、滿足工程安檢需求，地球物理關鍵探測技術已與無人機技術、水下機器人技術、物聯網技術等新技術較充分地融合，形成了針對特定工程部位的成套檢測體系。

無人機載智能化快速巡檢技術能實現外觀破損病害、表觀滲漏點快速識別和一體化智能快速巡檢，大大提高了工程表觀巡檢效率和隱患病害準確辨識;水下綜合一體化檢測技術，則能高效穩定實現水下表面缺陷檢測和構筑物無損探傷;而水下地層精細探測成套技術和多參數智能綜合解譯技術可實現測區內淤積層和砂層的精細劃分和含量評估，為庫區及河湖淤積綜合利用提供了科學支撐;磁電阻率法是一種新的高效探測工程內部滲漏通道三維分布的解決方案，能夠滿足當前工程滲漏處理施工對探測成果的要求。

后續工作中，需根據物探技術發展和檢測需要的變化，不斷改進完善技術體系，以使物探技術能在水電工程安全運行維護工作中繼續發揮技術支撐作用。

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Advanced detecting technology and application for hydraulic engineering

operation safety

LI Zhaofeng1，2，3， CHEN Jiangping1，2，3， CHEN Min1，2，3，WANG Feng1，2，3，WANG Pengfei1，2，3

（1. Changjiang Geophysical Exploration & Testing Co.， Ltd. （Wuhan）， Wuhan 430010， China; 2. National Dam Safety EngineeringResearch Center， Wuhan? 430010， China; 3. Health Diagnostics? Innovation Centre for Water Conservancy Project ， CISPDR Corporation， Wuhan 430010， China）

Abstract： Some water conservancy projects will appear many obvious diseases and latent hazards after long-term operation， so the detection of operation safety is essential for hydraulic engineering. Aiming at the exterior， underwater part and interior of the project， the new geophysical detection technologies and methods developed in recent years were expounded， which could efficiently identify the safety state and the latent hazards in different positions. Besides， the good results in practical engineering application showed that： these methods could provide comprehensive and reliable detection results， as well as scientific supports for hydraulic engineering operation safety.

Key words：detecting technology; geophysics; hydraulic engineering; operation safety