隧道襯砌滲漏水紅外特征模擬試驗(yàn)及圖像處理

顧天雄，朱福龍，程國(guó)開，汪從敏，周立波，施浪

1.國(guó)網(wǎng)寧波供電公司，浙江寧波 315000；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074

隧道襯砌滲漏水紅外特征模擬試驗(yàn)及圖像處理

顧天雄1，朱福龍2*，程國(guó)開1，汪從敏1，周立波1，施浪2

1.國(guó)網(wǎng)寧波供電公司，浙江寧波 315000；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074

為探究地下電纜混凝土隧道滲漏水紅外輻射特征，采用定制的帶有點(diǎn)狀、線狀、空鼓狀缺陷的水泥試塊進(jìn)行模擬電纜隧道襯砌滲漏水的正交試驗(yàn)，通過改變?nèi)毕菪问?、缺陷尺寸以及滲漏水流量等研究在不同影響因素下水泥試塊滲漏處的紅外輻射規(guī)律.經(jīng)過后期的圖像處理和面積提取，得到了三種不同缺陷形式下的滲漏紅外圖像特征及其隨流量和缺陷尺寸的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：不同滲漏形式的試塊在滲漏過程中呈現(xiàn)的滲漏形狀特征也有所區(qū)別；在其他條件一定的情況下，滲漏區(qū)域的面積隨滲漏水流量的增大呈一定的線性增大；在線狀缺陷的試驗(yàn)工況下，缺陷尺寸的大小對(duì)滲漏水的面積影響不大.研究成果可為實(shí)際隧道檢測(cè)滲漏水快速檢測(cè)提供依據(jù).

水泥試塊；電纜隧道；襯砌滲漏水：紅外輻射；圖像處理；面積提取

目前，電纜隧道作為供電的主要途徑之一，其存在的眾多問題也是顯而易見的，其中隧道滲漏水就是最嚴(yán)重的問題之一.它不僅會(huì)影響地下電纜隧道工作的安全系數(shù)，還會(huì)影響電量運(yùn)輸過程的效率等問題，甚至可能會(huì)危及隧道功能的實(shí)現(xiàn)［1］.《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定電纜隧道防水等級(jí)不得小于二級(jí)，即不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量濕漬，但總濕漬面積不應(yīng)大于總防水面積的，任意100 m2防水面積上的濕漬不超過4處，單個(gè)濕漬的面積不大于0.15m2.目前國(guó)內(nèi)外用于隧道滲漏水的研究主要體現(xiàn)在滲漏形式及處理方式以及滲漏水檢測(cè)的研究上.

鄒育麟［2］等人總結(jié)了公路隧道滲漏水病害的幾個(gè)主要原因；方梁正［3］從隧道防水層失效、接縫防水失效以及襯砌混凝土結(jié)構(gòu)自防水失效三個(gè)方面分析了公路隧道滲漏的原因，并提出了隧道滲漏的若干預(yù)防措施；郭英波，馬春波等人［4-5］研究了火電工程中電纜隧道結(jié)構(gòu)裂縫變形的原因，并提出了可行性控制方法；李固華，羅勇等人［6-7］研究了隧道襯砌裂縫的成因，并提出了綜合預(yù)防病害的措施.

隧道滲漏水檢測(cè)技術(shù)主要有傳統(tǒng)的方法及地質(zhì)雷達(dá)法等，其中傳統(tǒng)的檢測(cè)方法通過人工肉眼檢測(cè)，檢測(cè)效率低，精度低且勞動(dòng)量大，而地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)法不適用于遠(yuǎn)距離的滲漏檢測(cè)且工作量大［8］.紅外成像法憑借其靈敏度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬、非接觸測(cè)量及測(cè)量結(jié)果直觀形象，并且在光線暗淡等惡劣條件下仍然可以正常工作的特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注.

趙為民［9］和楊曉虹［10］等人通過實(shí)際檢測(cè)工程，證明了紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在建筑滲漏檢測(cè)過程中的實(shí)用性與可見性.鄧燁［11］等人探究了紅外熱像法在地下工程防水和滲漏檢測(cè)的應(yīng)用，表明了這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)具有精度高、操作簡(jiǎn)便、對(duì)場(chǎng)地要求低的優(yōu)點(diǎn).程姝菲［12］等人提出了電導(dǎo)率法和溫度梯度法檢測(cè)滲漏水，并設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性.李晶哲等人［13］經(jīng)過理論分析工程實(shí)例提出紅外輻射特征修正規(guī)律和熱圖像識(shí)別方法.豆海濤等［14-15］通過實(shí)驗(yàn)研究了不同滲漏狀態(tài)對(duì)應(yīng)的紅外熱圖像規(guī)律及其影響因素.

綜上所述，目前對(duì)于電纜隧道滲漏水的研究主要集中在如何檢測(cè)以及如何修復(fù)上，而對(duì)于判斷隧道滲漏水處是否需要修復(fù)這一問題至今還沒有人進(jìn)行相應(yīng)的研究.修復(fù)不及時(shí)以及過度修復(fù)都會(huì)對(duì)電纜隧道帶來危害，影響其使用壽命，所以，合理的判斷隧道滲漏水處是否需要修復(fù)是必須的.針對(duì)缺乏紅外技術(shù)實(shí)際用于隧道滲漏水檢測(cè)的依據(jù)，本研究組提出了利用定制的不同缺陷形式的水泥試塊模擬電纜隧道襯砌，用紅外熱像儀記錄數(shù)據(jù)，并經(jīng)過后期圖像處理，對(duì)滲漏水處的紅外熱像圖進(jìn)行處理得出滲漏水面積，同時(shí)通過將滲漏水面積與電纜隧道防水要求做對(duì)比，并用試驗(yàn)所得的滲漏形狀等特征作為輔助參考，進(jìn)而判斷出該隧道是否需要修復(fù)以及采用何種形式的修復(fù).

1 試驗(yàn)

1.1 隧道實(shí)測(cè)

為探究隧道中影響滲漏水的主要因素，對(duì)實(shí)際隧道進(jìn)行考察，拍攝并記錄下了隧道中不同形式及不同程度的滲漏點(diǎn)，其實(shí)測(cè)圖如圖1～圖3所示.

圖1 隧道無滲水基準(zhǔn)點(diǎn)Fig.1 Non-seepage referencepointof the tunnel

圖2 隧道滲水點(diǎn)（1）Fig.2 Seepage pointof the tunnel（1）

圖3 隧道滲水點(diǎn)（2）Fig.3 Seepage pointof the tunnel（2）

1.2 試驗(yàn)方案

通過對(duì)隧道實(shí)際的考察，分析其滲漏形式及滲漏程度，總結(jié)出隧道滲漏水的主要影響因素，并設(shè)計(jì)了以下3種因素為主的正交試驗(yàn)方案：滲漏形式、缺陷尺寸、滲漏水流量，如表1所示.

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experimental program

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 紅外攝像儀本次試驗(yàn)采用的紅外熱像儀及其圖像采集軟件的工作界面如圖4所示，紅外熱像儀的具體設(shè)備參數(shù)如表2所示.

圖4 紅外攝像儀及圖像采集軟件Fig.4 Infrared cameraand analysissoftware

表2 紅外熱像儀參數(shù)Tab.2 Infrared camera parameters

1.3.2 水泥試塊實(shí)驗(yàn)采用的對(duì)象是模擬電纜隧道中常見的滲漏形式而制作的3種如圖5所示的水泥試塊：點(diǎn)狀缺陷、線狀缺陷、空鼓缺陷.水泥試塊混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，三維尺寸長(zhǎng)、寬、高為150 mm×150mm×150mm，滲漏位置位于其正面幾何中心，上開有直徑為20mm的注水口.點(diǎn)狀缺陷水泥石塊孔徑缺陷尺寸分別為4mm、6mm、8mm、10 mm；線狀缺陷水泥試塊的線缺陷尺寸分別為20 mm、25mm、30mm；空鼓缺陷隔層缺陷尺寸分別為4mm、6mm、8mm、10mm.

1.3.3 紅外檢測(cè)平臺(tái)本次檢測(cè)平臺(tái)主體框架材料選用鋁型材，根據(jù)水泥試塊的尺寸、三腳架的伸縮高度、紅外熱像儀對(duì)焦后的測(cè)量距離、流量控制計(jì)以及注水裝置和回流裝置的固定位置等因素來設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)和尺寸.該框架質(zhì)量較輕，裝配方便，抗壓強(qiáng)度突出，滿足試驗(yàn)要求.該框架還可同時(shí)放置多個(gè)水泥試塊同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，很大程度上能夠節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，其實(shí)物圖如圖6（a）所示.此外本次試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行流量控制，其型號(hào)為L(zhǎng)ZB-6WB，其實(shí)物圖如圖6（b）所示，該流量計(jì)在一根由下向上擴(kuò)大的垂直管中，圓形橫截面的金屬浮子的重力是由液體動(dòng)力承受的，金屬浮子可以在管內(nèi)自由地上升和下降.在流速和浮力作用下上下運(yùn)動(dòng)，與浮子重量平衡后，通過磁耦合傳到刻度盤以指示流量.該流量計(jì)可控制的流量范圍為0 L/min～0.4 L/min，具有較高精度.

1.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前先通過溫、濕度傳感器采集試驗(yàn)環(huán)境溫度和濕度，以及水溫等數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分組試驗(yàn)：

1）分別將3種缺陷形式的水泥試塊放置在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行注水試驗(yàn)，模擬電纜隧道不同的滲漏形式.

2）分別將不同缺陷尺寸的水泥試塊放置在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行注水試驗(yàn)，模擬電纜隧道不同滲漏尺寸的滲漏情況.

3）通過轉(zhuǎn)子流量控制計(jì)控制滲漏水流量為0.1 L/min，0.2 L/min，0.3 L/min，0.4 L/min，模擬電纜隧道不同滲漏流量的滲漏情況.

4）將紅外熱像儀放置在距水泥試塊220mm處，使試塊占據(jù)攝像儀的整個(gè)畫面，調(diào)焦至畫面清晰，每組試驗(yàn)30 min，每5 min采集一次試驗(yàn)紅外圖像數(shù)據(jù)，共6次.

圖5 試塊實(shí)體及二維圖（單位：mm）Fig.5 Testblock entitiesand two-dimensional drawings（unit：mm）（a）Cementblock with pointdefect；（b）Cementblock with lineardefect；（c）Cementblock with hollow defect

圖6 實(shí)驗(yàn)框架平臺(tái)Fig.6 Experimental framework platform（a）Experimental framework；（b）Rotor flowmeter

2 紅外圖像處理

2.1 閾值分割

為了減少圖像處理過程中的數(shù)據(jù)量以及簡(jiǎn)化處理算法，首先將紅外熱像圖轉(zhuǎn)為灰度圖.

數(shù)字圖像用于后期應(yīng)用，其噪聲是最大的問題，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理.采用高斯濾波法對(duì)圖像進(jìn)行處理.高斯濾波是一種線性平滑濾波，是對(duì)整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過程.

圖像二值化是圖像處理中的一項(xiàng)基本技術(shù)，圖像二值化時(shí)閥值的選擇是非常關(guān)鍵的，采用最大類間方差法進(jìn)行閥值的計(jì)算.試驗(yàn)圖像處理樣例（線狀缺陷）如圖7所示.

圖7 圖像處理樣例Fig.7 Image processing examples（a）Original image；（b）Gray image；（c）Filtered image；（d）Image after thresholding

2.2 不同滲漏形式下的紅外圖像

針對(duì)電纜隧道中常見的3種滲漏形式（點(diǎn)狀，線狀，空鼓狀）設(shè)計(jì)了3種缺陷形式的水泥試塊來進(jìn)行模擬試驗(yàn)，探究在不同滲漏形式下的紅外圖像形狀特征.其試驗(yàn)結(jié)果圖如圖8所示.

圖8 不同滲漏形式下的紅外圖像Fig.8 Infrared images in different leakage forms（a）Infrared image of point defect；（b）Infrared image of lineardefect；（c）Infrared image ofhollow defect

3 滲漏區(qū)域面積提取

3.1 面積提取原理

對(duì)于滲漏水面積的求法，首先提取出紅外圖像中低溫區(qū)域所占的像素?cái)?shù)，然后計(jì)算出低溫區(qū)所占像素?cái)?shù)與整張圖片的像素?cái)?shù)的比值，該比值即為滲水區(qū)域面積占所測(cè)量面積的比例，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際測(cè)量面積求出滲水區(qū)域的面積值.根據(jù)紅外熱像儀檢測(cè)范圍分析圖（見圖9），得出紅外熱像儀所測(cè)實(shí)際面積可表示為：

其中

式（1）～（3）中α為熱像儀寬度方向視場(chǎng)角，β為熱像儀高度方向視場(chǎng)角，d為鏡頭到被測(cè)物體的距離，W1為測(cè)量范圍寬度方向的尺寸，H1為測(cè)量范圍高度方向的尺寸.則滲漏水的面積可表示為：

式（4）中μ為低溫區(qū)所占像素?cái)?shù)與整張圖片的像素?cái)?shù)的比值，A1為紅外熱像儀所測(cè)實(shí)際面積.

由熱像儀設(shè)備參數(shù)視場(chǎng)角α=37.4°，β=28°以及放置的觀測(cè)距離d=220 mm，算得W1= 148.93 mm，H1=109.70 mm，由此得A1=148.93× 109.70=16 337.62mm2.

圖9 紅外熱像儀檢測(cè)范圍分析圖Fig.9 Analysis chartof detection range of infrared thermal imaging

3.2 不同因素下的滲漏區(qū)域面積

通過控制變量法，分別來分析在同種滲漏形式下不同因素對(duì)滲漏面積的影響.通過C語言編寫的面積提取軟件，記錄并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).以下主要分析研究水流量因素和缺陷尺寸因素對(duì)滲漏面積的影響.

圖10所示的是點(diǎn)狀缺陷水泥試塊在不同流量下的面積提取圖，由計(jì)算機(jī)提取像素?cái)?shù)算得：μ1= 0.026 05，μ2=0.059 02，μ3=0.103 96，由此得：

由以上數(shù)據(jù)可以看出，在該試驗(yàn)工況下，滲漏水面積隨著流量的增大而增大，且A滲3= 1.76 A滲2=3.99 A滲1，呈一定的線性關(guān)系，梯度約為4 256.0mm2/（L/min）.

圖10 不同水流量下的面積提取Fig.10 Extraction ofarea atdifferentwater flows

圖11所示的是線狀缺陷水泥試塊在不同缺陷尺寸下的面積提取圖，由計(jì)算機(jī)提取像素得：

μ4=0.044 07，μ5=0.041 85，μ6=0.045 00由此得：

由以上數(shù)據(jù)可以看出，在該試驗(yàn)工況下，滲漏水面積隨缺陷尺寸的增大而基本保持不變.

圖11 不同缺陷尺寸下的面積提取Fig.11 Extraction ofarea atdifferentdefectsizes

4 結(jié)語

針對(duì)電纜隧道紅外輻射特征的影響因素，設(shè)計(jì)制作了點(diǎn)狀、線狀、空鼓狀缺陷水泥試塊模擬隧道襯砌.其次，采用紅外熱像儀記錄紅外圖像數(shù)據(jù)，另外通過圖像處理軟件進(jìn)行處理，隨后通過編寫的C語言程序提取滲漏面積等信息，得到了如下結(jié)論：

1）不同滲漏形式的試塊在滲漏過程中呈現(xiàn)的滲漏形狀特征也有所區(qū)別.點(diǎn)狀缺陷試塊呈現(xiàn)出寬度與缺陷尺寸大小相近的條柱狀；線狀缺陷呈現(xiàn)出略小于缺陷尺寸的條柱狀，且四周有明顯的溫度梯度；空鼓缺陷試塊呈現(xiàn)出以滲漏點(diǎn)為中心的圓，且四周有明顯的溫度梯度.

2）在其他條件一定的情況下，滲漏水流量越大，其滲漏區(qū)域的面積呈一定的線性增大.在線狀缺陷尺寸的試驗(yàn)工況下，缺陷尺寸的大小對(duì)滲漏水的面積影響不大.

3）綜合分析滲漏區(qū)域的形狀和面積的影響因素，結(jié)合《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》進(jìn)一步判斷滲漏情況，為電纜隧道是否需要修復(fù)以及采用何種方式修復(fù)提供了指導(dǎo)意見.

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本文編輯：陳小平

Sim u lation Experim ent on In frared Radiation Feature of Tunnel L ining Seepage and Im age Processing

GU Tianxiong1，ZHU Fu long2*，CHENG Guokai1，WANG Congm in1，ZHOU Libo1，SH ILang2
1.State Grid Corporation ofChina in Ningbo，Ningbo 315000，China 2.SchoolofMechanical Science and Engineering，Huazhong Universityof Science and Technology，Wuhan 430074，China

To explore the characteristics of seepage defects in underground cable concrete tunnels，we simulated water seepage on custom-made cement blocks with point-like，linear and hollow-like defects.This orthogonal test is aimed to explore the infrared radiation law of cement block leakage with the change of defect form，defect size and leakage flow rate.The features of infrared image and the variation rule influenced by flow rate and defect size were obtained through the later image processing and area extraction.The experimental results show that the seepage characteristics of the test specimens with different seepage patterns are different，and the leakage area increases linearly with the increase of the leakage water flow under certain other conditions，however，the size of the defect has little effect on the area of the leaking water in the case of linear defects.The study provides the basis for the rapid detection of leakingwater in practical tunnel.

cement test blocks；cable tunnel；seepage water on custom-made cement blocks；infrared radiation；image processing；area extraction

U45

：Adoi：10.3969/j.issn.1674?2869.2017.01.017

1674-2869（2017）01-0096-07

2016-12-06

中央直屬高?？蒲谢穑℉UST：2013TS023）

顧天雄，高級(jí)工程師.E-mail：gtx1116@126.com

*通訊作者：朱福龍，博士，副教授.E-mail：zhufulong@hust.edu.cn

顧天雄，朱福龍，程國(guó)開，等.隧道襯砌滲漏水紅外特征模擬試驗(yàn)及圖像處理［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（1）：96-102. GU T X，ZHU F L，CHENG G K，et al.Simulation experiment on infrared radiation feature of tunnel lining seepage and image processing［J］.JournalofWuhan Institute of Technology，2017，39（1）：96-102.