武娟娟,劉 震,劉明瀟,孫 羽
(華北水利水電大學(xué)港口航道與海洋發(fā)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(wèn)題,尤其在填方渠段更易發(fā)生。填方渠道的水面高于周邊地面,且渠堤迎水面大,在沒(méi)有停水期的持續(xù)運(yùn)行中,渠堤存在產(chǎn)生裂隙、脫空進(jìn)而導(dǎo)致高填方渠道內(nèi)水外滲的隱患[1]。高填方區(qū)會(huì)出現(xiàn)地面局部沉降、滑坡等現(xiàn)象。高溫時(shí),在渠道迎水面出現(xiàn)防滲面板拱起或龜裂現(xiàn)象;低溫時(shí),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(lái)自三方面:①目前我國(guó)尚無(wú)關(guān)于填方渠道完整的設(shè)計(jì)規(guī)范,填方渠道工程設(shè)計(jì)主要參照土石壩或路堤堤防設(shè)計(jì)規(guī)范。而填方渠道設(shè)計(jì)條件與土石壩及江河堤防設(shè)計(jì)有很大的區(qū)別,填方渠道沒(méi)有針對(duì)滲漏破壞與滲漏修復(fù)的處理規(guī)范;②長(zhǎng)距離線性工程沿線地質(zhì)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(wèn)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(jié)構(gòu)特殊,對(duì)于大跨度的線性工程原有的檢測(cè)技術(shù)難以有效進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè),無(wú)法及時(shí)修復(fù)與補(bǔ)救發(fā)生滲漏的地方[2]。雖然渠道滲漏在早期不易檢測(cè),影響也較小,但一旦發(fā)生滲漏且面積較大時(shí),就表明渠道安全問(wèn)題很嚴(yán)重。由于輸水渠道填方段距離很長(zhǎng),即使是較小的滲漏點(diǎn),沿線也會(huì)導(dǎo)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(cè)技術(shù)是填方渠道安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一,研究高填方渠道滲漏檢測(cè)意義重大。為此,筆者針對(duì)填方渠道滲漏檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)、測(cè)試原理、適用環(huán)境、優(yōu)勢(shì)與不足等進(jìn)行分類評(píng)述。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有多源檢測(cè)技術(shù)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀,針對(duì)目前填方渠道滲漏檢測(cè)的技術(shù)需要,研究探討了“天-地-水”一體化渠堤滲漏檢測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用,以期為填方渠道滲漏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)步起推動(dòng)作用。
江河堤防、渠道渠堤水下滲漏檢測(cè)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(cè)法、智能集成檢測(cè)載體技術(shù)等幾類。其中前三類是沿用較久的傳統(tǒng)檢測(cè)方法,智能檢測(cè)載體則是近年來(lái)人工智能與水利行業(yè)多方技術(shù)需求相結(jié)合的產(chǎn)物。
該方法采用專用鉆機(jī)從渠堤中鉆取芯樣,通過(guò)對(duì)芯樣的外觀、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等特性進(jìn)行分析,以判定渠堤土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與土體防滲質(zhì)量(見圖1-2)。其中土壤芯樣的斷層率、含水率等特性對(duì)渠道渠堤的滲漏性質(zhì)判別具有重要意義[3]。此法操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜,但卻是一種半破損的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法,會(huì)對(duì)渠道路堤造成局部破壞。由于其檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、范圍小,不能滿足快速測(cè)量和大面積無(wú)損檢測(cè)的要求。
圖1 鉆探取樣
圖2 鉆探芯樣
1.2.1 人工巡邏法
為了檢測(cè)渠堤斷面上的滲透壓力分布以及浸潤(rùn)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(jì)、壓力管、水位計(jì)等檢測(cè)設(shè)備。渠道管理人員定期定量巡查儀器,觀測(cè)渠道斷面的水壓變化,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象(見圖3-4)。這類滲流檢測(cè)設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)與移動(dòng)檢測(cè),也不能進(jìn)行斷面間的渠堤滲流檢測(cè)[5]。如果設(shè)備部件損壞,維修時(shí)還會(huì)對(duì)堤岸造成擾動(dòng)。
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(cè)
潛水員攜帶專業(yè)檢測(cè)設(shè)備(如專業(yè)水下相機(jī)、攝像機(jī)和滲流檢測(cè)儀器),潛入渠道水下進(jìn)行堤坡滲漏檢測(cè),主要依據(jù)水下圖像采集與儀器檢測(cè)來(lái)判斷渠堤是否出現(xiàn)滲漏;對(duì)可能發(fā)生滲漏的點(diǎn)位進(jìn)行定位和記錄。
潛水員常用檢測(cè)方法為“實(shí)時(shí)高清攝像+噴墨示蹤”組合法。潛水員在水質(zhì)較好的環(huán)境中使用高清攝像機(jī)對(duì)渠道渠堤可能發(fā)生滲漏破壞區(qū)段進(jìn)行視頻檢測(cè)、滲流調(diào)查、局部詳查,攜帶噴墨裝置對(duì)發(fā)現(xiàn)的滲漏點(diǎn)進(jìn)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(xué)物質(zhì)的示蹤劑,同時(shí)采用高清攝像實(shí)時(shí)記錄示蹤劑在滲流作用下被帶入通道的影像,根據(jù)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(huì)將示蹤劑吸入通道,根據(jù)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(diǎn)
圖7 滲漏出口集水處水體變色
在水質(zhì)渾濁、流態(tài)不穩(wěn)、漏量較小的環(huán)境下,高清攝像技術(shù)+噴墨示蹤技術(shù)探查效果不明顯,因此該法使用也有局限。
這是一種參考地礦勘察的探測(cè)方法,是基于渠堤土體地球物理正常場(chǎng)和出現(xiàn)滲流場(chǎng)中電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、聲、彈性、溫差等物理性質(zhì)的差異,采用多種物探方法和儀器,探測(cè)地球物理場(chǎng)的自然分布或裂隙變化特征,通過(guò)分析探測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別壩體滲漏狀況。
主要勘探方法包括:電探測(cè)、磁探測(cè)、聲波探測(cè)、地?zé)崽綔y(cè)等。
1.3.1 電法探測(cè)
渠堤中發(fā)生滲透破壞的土壤導(dǎo)電性良好(電阻率低),電法勘探就是利用渠堤滲漏區(qū)與未滲漏區(qū)土體之間的導(dǎo)電差異性,尋找滲漏破壞區(qū)的一種地球物理勘探方法。電法勘探通過(guò)跟蹤觀測(cè)人工建立的電場(chǎng)分布,研究大壩內(nèi)潛在滲漏區(qū)及其變化。若存在滲漏現(xiàn)象,滲漏區(qū)電阻率會(huì)低于正常土體,可以通過(guò)儀器快速采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理,這些優(yōu)勢(shì)使高密度電阻率法得到廣泛應(yīng)用[7]。一般在堤防可能滲漏區(qū)密集布置測(cè)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速、地毯式測(cè)量觀測(cè)區(qū)地質(zhì)信息數(shù)據(jù),是將電剖面法和電測(cè)探法結(jié)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(cè)工作
圖9 高密度電法儀
1.3.2 磁法探測(cè)
大壩滲漏時(shí),滲流沿裂隙流動(dòng)同時(shí)切斷地磁場(chǎng)的磁力線[8]。根據(jù)法拉第原理,水流動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并在周圍形成感應(yīng)磁場(chǎng),能使地磁場(chǎng)發(fā)生局部變化,產(chǎn)生磁異常。通過(guò)以專用儀器識(shí)別磁異常來(lái)探尋渠堤中的滲漏區(qū)域,即磁法探測(cè)。磁法探測(cè)又分為電磁法與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法。
(1)電磁法
目前應(yīng)用較為廣泛的是瞬變電磁法與地下磁流體探測(cè)法。瞬變電磁法是根據(jù)泄漏點(diǎn)處電磁性質(zhì)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(fā)射一次脈沖磁場(chǎng),通過(guò)觀察二次場(chǎng),檢測(cè)泄漏異常。發(fā)生滲漏的區(qū)域電導(dǎo)率相對(duì)較高,造成二次磁場(chǎng)較強(qiáng),籍此可發(fā)現(xiàn)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(cè)出埋藏較深的滲漏隱患;受重金屬介質(zhì)干擾時(shí),檢測(cè)結(jié)果需要驗(yàn)證。地下磁流體探測(cè)法是利用地下自然磁場(chǎng)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(zhì)構(gòu)造特征、發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)位置。通過(guò)測(cè)量溝內(nèi)自然電磁波在地面產(chǎn)生的電場(chǎng)變化特征,確定泄漏區(qū)和泄漏點(diǎn)[10]。檢測(cè)工作示意見圖11。地下磁流體探測(cè)工作效率高,不易受地理環(huán)境影響。
圖10 瞬變電磁法檢測(cè)工作
(2)探地雷達(dá)探測(cè)法
該方法是基于滲漏通道的電導(dǎo)率σ 和介電常數(shù)ε 與正常渠道堤防滲漏故障檢測(cè)方法之間的差異[11]。使用探地雷達(dá)天線陣列技術(shù)可以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性[12]。它可以連續(xù)無(wú)損檢測(cè),具有效率高、精度高、反演容易等優(yōu)點(diǎn)。電磁波穿透深度主要受σ 的影響,傳播速度由ε 決定。當(dāng)渠堤出現(xiàn)滲漏時(shí),由于周圍介質(zhì)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(hào)發(fā)出強(qiáng)烈的反射,明顯異于正常反射[13]。探地雷達(dá)及其工作示意見圖12-13。
圖12 無(wú)線探地雷達(dá)
圖13 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法檢測(cè)工作
1.3.3 聲法探測(cè)
圖14 3D 聲納檢測(cè)儀
圖15 水下聲納探測(cè)
1.3.4 地溫法探測(cè)
渠堤發(fā)生滲流會(huì)引起周圍環(huán)境溫度的變化,將溫度傳感器測(cè)頭埋設(shè)在渠堤底部或不同斷面處,通過(guò)各測(cè)點(diǎn)溫度傳感器傳遞的信息來(lái)發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)渠堤滲流狀態(tài)。主要檢測(cè)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(shè)多組高靈敏度溫度傳感器,在消除溫度擾動(dòng)影響后確定測(cè)量點(diǎn)溫度的方法。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度信息的綜合研判,確定測(cè)點(diǎn)溫度異常是否由滲水引起,從而實(shí)現(xiàn)壩體中滲漏點(diǎn)的定位檢測(cè)(其流程見圖16)。
圖16 溫度示蹤法檢測(cè)工作
分布式光纖法通過(guò)加熱光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)、連續(xù)地檢測(cè)光纖周圍的渠堤溫度變化,從而發(fā)現(xiàn)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
水下機(jī)器人是一種智能集成泄漏檢測(cè)載體技術(shù),可在高度危險(xiǎn)環(huán)境、污染環(huán)境和零能見度水中長(zhǎng)期工作[16]。根據(jù)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(jī)器人
圖19 無(wú)纜水下機(jī)器人
水下機(jī)器人由水面及水下設(shè)備組成,可根據(jù)不同檢測(cè)需求裝載不同的滲漏檢測(cè)設(shè)備,大大提高了滲漏檢測(cè)的自主性和靈活性。由于水下機(jī)器人功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、運(yùn)行時(shí)間不受限制、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),所以近年來(lái)在堤防滲漏檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。
2.1.1 創(chuàng)新理念與原理
由表4可知,用2種方式對(duì)牛肉丁進(jìn)行嫩化,產(chǎn)品的感官評(píng)價(jià)變化不明顯,但是相對(duì)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(nèi)嫩。因此,嫩化方式確定為醋漬嫩化。
為滿足當(dāng)前對(duì)填方渠道滲漏檢測(cè)無(wú)損、精確、高效、連續(xù)等技術(shù)特性的需求[18],在分析現(xiàn)有檢測(cè)方法短板與渠堤滲漏特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,筆者認(rèn)為可充分利用已有先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等技術(shù)優(yōu)勢(shì),通過(guò)技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新。
基于人工智能、電磁學(xué)及地下水動(dòng)力學(xué)原理,提出“多源融合、天-地-水一體化”的檢測(cè)理念,應(yīng)用圖像識(shí)別分析技術(shù)、無(wú)人機(jī)-水下機(jī)器人智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+5G 技術(shù)和沿程監(jiān)控系統(tǒng),開展對(duì)大型輸水明渠滲漏信息的全方位監(jiān)測(cè)、分析與處理。這種一體化滲漏檢測(cè)系統(tǒng),可以為科學(xué)、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(shù)構(gòu)成與功能設(shè)計(jì)
依據(jù)“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(cè)系統(tǒng)的技術(shù)集成,主要分為采集、傳輸、分析三個(gè)子系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)的核心技術(shù)為:無(wú)人機(jī)紅外成像巡檢,水下聲納機(jī)器人聲納掃描,熱力-水動(dòng)力耦合溯源;機(jī)動(dòng)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè),配合地磁場(chǎng)分析;還有基于5G 移動(dòng)通信技術(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸子系統(tǒng)和對(duì)各類采集數(shù)據(jù)的多源融合分析子系統(tǒng)。子系統(tǒng)工作示意如圖20 所示。
圖20 “天-地-水”一體化渠道滲漏檢測(cè)子系統(tǒng)工作示意
一體化監(jiān)測(cè)工作包括:
(1)“天”--無(wú)人機(jī)搭載紅外成像攝像頭,巡檢時(shí)通過(guò)紅外成像技術(shù)快速發(fā)現(xiàn)滲水出露點(diǎn)并報(bào)送位置信息,監(jiān)測(cè)人員依據(jù)“熱力-水動(dòng)力耦合溯源”技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出露點(diǎn)水溫與渠道水溫差,估算滲水路徑長(zhǎng)度并確定滲水量。
(2)“地”--配合天、水監(jiān)測(cè)信息,在堤頂采用機(jī)動(dòng)的無(wú)線探地雷達(dá),利用精密磁測(cè)技術(shù)[19]掃描確定渠堤土體中的地磁流體場(chǎng)特征,精準(zhǔn)跟蹤定位滲漏水流的滲流路徑。
(3)“水”--利用水下機(jī)器人搭載聲納檢測(cè)儀,根據(jù)無(wú)人機(jī)巡檢信息,進(jìn)行重點(diǎn)水下監(jiān)測(cè),結(jié)合圖像識(shí)別方法探尋填方渠道滲漏源頭、結(jié)構(gòu)裂隙位置及滲流水動(dòng)力特性。
(4)傳輸與分析:“天-地-水”三方檢測(cè)數(shù)據(jù)利用5G 移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程分析中心;通過(guò)系統(tǒng)一體化協(xié)同、信息綜合分析處理,得到堤防土體滲流場(chǎng)實(shí)時(shí)狀況;如發(fā)生滲漏現(xiàn)象,判斷后及時(shí)發(fā)送滲漏預(yù)警信息,并報(bào)送工程維修部門實(shí)施截滲處置。
“天-地-水”一體化填方渠道滲漏檢測(cè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是高新技術(shù)的集成與系統(tǒng)的智能化。目前水下聲納機(jī)器人與探地雷達(dá)檢測(cè)填方渠道滲漏技術(shù)已較為成熟,工作穩(wěn)定可靠;5G 移動(dòng)通信憑借高速率、低延時(shí)、大連接的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用;采用無(wú)人機(jī)的紅外成像巡檢以其快捷、精準(zhǔn)、范圍廣的技術(shù)特點(diǎn)已在一些輸水渠道的滲漏檢測(cè)領(lǐng)域大顯身手;熱力-水動(dòng)力耦合溯源技術(shù)借助地下水?dāng)?shù)值模擬,通過(guò)對(duì)熱傳播的準(zhǔn)確模擬,大大提高了對(duì)堤防滲漏路徑預(yù)測(cè)的科學(xué)性及可靠性。
“天-地-水”一體化體現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)融合、信息集成分析的新理念,利用無(wú)人機(jī)、無(wú)線探地雷達(dá)、水下機(jī)器人搭載聲納檢測(cè)儀三者相結(jié)合進(jìn)行滲漏點(diǎn)檢測(cè),突破了傳統(tǒng)檢測(cè)滲漏方法的單一性,實(shí)現(xiàn)天、地、水空間信息采集的統(tǒng)一性。它可以高效、及時(shí)、準(zhǔn)確獲得渠堤滲漏信息,提高檢測(cè)效率,有效降低渠堤滲漏破壞風(fēng)險(xiǎn),是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)。
為了解決南水北調(diào)中線干渠填方渠段滲漏的預(yù)測(cè)與防范,筆者與相關(guān)部門正在協(xié)作開展基于無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人聯(lián)合巡檢技術(shù)裝備的研發(fā)和探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的完善工作。據(jù)悉,國(guó)內(nèi)已有水利科研院所和高校在開展分項(xiàng)技術(shù)與裝備的研發(fā),開發(fā)利用多源數(shù)據(jù)建立渠堤滲漏耦合研判模型。通過(guò)“科研+設(shè)計(jì)+設(shè)備制造+現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用”的聯(lián)合攻關(guān)模式,發(fā)揮管理部門、科研單位和設(shè)備制造企業(yè)各自優(yōu)勢(shì)與協(xié)同作戰(zhàn)能力。開展試驗(yàn)研究、技術(shù)研發(fā)、設(shè)備制造、系統(tǒng)集成與試點(diǎn)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)輸水渠道滲漏檢測(cè)、預(yù)警技術(shù)的現(xiàn)代化是完全可能的。
渠堤滲漏直接關(guān)系到渠堤工程安全,因此對(duì)其檢測(cè)是大型輸水渠道安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要技術(shù)保障手段。了解檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀,開發(fā)具有集成、智能特性的滲漏檢測(cè)新技術(shù)十分必要與迫切。
(1)本文系統(tǒng)概述了現(xiàn)有堤防滲漏檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,分類評(píng)述了常用滲漏檢測(cè)技術(shù)。對(duì)傳統(tǒng)鉆探取樣、人工探視及地球物理探測(cè)法的測(cè)量原理、技術(shù)特點(diǎn)、適用性進(jìn)行了對(duì)比分析和評(píng)述。
(2)介紹了新型智能檢測(cè)載體技術(shù),分析評(píng)述了集成人工智能要素的“水下機(jī)器人”在水下滲漏檢測(cè)方面的功能與優(yōu)勢(shì);分析了作業(yè)精準(zhǔn)度與智能特點(diǎn),探討了在能源、通訊及控制系統(tǒng)方面的改進(jìn)空間。綜合分析表明,現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)在解決堤防滲漏檢測(cè)方面還存在局限性,不易達(dá)到全方位、無(wú)死角、快速準(zhǔn)確檢測(cè)的效果。
(3)根據(jù)渠道滲漏特點(diǎn),探討了基于多源融合的“天-地-水”一體化填方渠道滲漏檢測(cè)新模式,提出了多源融合的檢測(cè)原理與采集子系統(tǒng)的主要技術(shù)方法,分析了耦合檢測(cè)方案中集成的多種先進(jìn)技術(shù)的可靠與可行性。該具有前瞻性的新技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多角度、全方位、智能化渠道滲漏檢測(cè),體現(xiàn)了現(xiàn)代滲漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。