蘇懷智，周仁練

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水庫(kù)大壩和堤防工程，即堤壩工程，作為防洪體系的重要組成部分，是人民生活和社會(huì)生產(chǎn)的重要保障。截至2018年底，全國(guó)已建成各類(lèi)水庫(kù)大壩98 822座，5級(jí)及以上江河堤防總里程長(zhǎng)達(dá)31.2萬(wàn)km[1]，其中絕大部分為土石材質(zhì)[2]。我國(guó)現(xiàn)役水庫(kù)大壩大部分建于20世紀(jì)50—70年代，受建設(shè)時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的限制以及后期運(yùn)管維護(hù)情況的綜合影響，大量水庫(kù)大壩在滲漏、抗震、防洪等方面存在安全隱患[3-4]，土石壩滲漏問(wèn)題尤為突出[5]。全國(guó)已開(kāi)展兩輪病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作，一定程度上改善了水庫(kù)大壩病險(xiǎn)狀態(tài)，但仍有大量中小型病險(xiǎn)水庫(kù)大壩尚未得到處置或處置不徹底[4]。此外，隨著服役時(shí)間的推移，許多水庫(kù)大壩還將出現(xiàn)新的滲漏病險(xiǎn)。

我國(guó)江河大湖的堤防多建于沖積平原上，堤基表面的弱透水覆蓋層較薄，下層則是較厚的強(qiáng)透水粉細(xì)砂或砂礫石層，極易產(chǎn)生滲漏，并在嚴(yán)重時(shí)發(fā)生管涌。另一方面，我國(guó)不少堤防修筑年代久遠(yuǎn)，堤身多經(jīng)歷朝歷代填筑而成，且填料普遍就地取材，在堤后形成了大量覆蓋層薄弱的坑塘[6-7]，成為管涌隱患。堤身填筑不均，裂縫、洞穴、松散體等滲漏病害的廣泛存在[8]，使得每臨汛期高水位，極易發(fā)生滲漏險(xiǎn)情，結(jié)構(gòu)性出險(xiǎn)形式主要有管涌、漏洞、散浸、滑坡、崩岸和塌陷等。比如2020年汛期，全國(guó)范圍內(nèi)多處堤壩出現(xiàn)重大險(xiǎn)情，僅長(zhǎng)江中下游堤防就出險(xiǎn)多達(dá)4 335處[9]。

土石堤壩滲漏病險(xiǎn)如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并得到有效處置，極有可能導(dǎo)致潰壩或潰堤。1954—2018年，全國(guó)累計(jì)潰決水庫(kù)大壩3 541座，其中土石壩3 292座；2000—2018年共計(jì)潰壩76座，其中土石壩74座[6]。由于我國(guó)人口眾多，相當(dāng)數(shù)量的水庫(kù)大壩下游就是密集的居民區(qū)，即使是小型水庫(kù)潰壩，也可能威脅成百上千人的生命安全，導(dǎo)致難以估量的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，潰壩造成的綜合損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響越發(fā)難以接受。表1統(tǒng)計(jì)了多起土石壩潰壩事故，可見(jiàn)滲漏是威脅土石堤壩安全的大敵，需十分重視。

表1 我國(guó)典型土石壩潰壩事故

1 土石堤壩滲漏病險(xiǎn)探測(cè)模式

土石堤壩的滲漏具有隱蔽性、時(shí)空隨機(jī)性以及初始量級(jí)細(xì)微等特征，從滲漏險(xiǎn)情發(fā)生到堤壩嚴(yán)重破壞的時(shí)間很短[10]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確定位和合理處置滲漏隱患是保障土石堤壩安全的關(guān)鍵[11-13]。國(guó)內(nèi)外通過(guò)研究滲漏病害部位的物理量的特征和變化規(guī)律，形成了多種滲漏檢測(cè)手段，利用的物理量包括電、電磁、振動(dòng)波、水流、熱、聲、光等。

a.電和電磁。堤壩材料的導(dǎo)電性與壩體介質(zhì)類(lèi)型、孔隙率、含水率等有關(guān)。堤壩存在缺陷或發(fā)生滲漏的區(qū)域，其電導(dǎo)率將發(fā)生改變。電法和電磁法通過(guò)探測(cè)堤壩中電性參數(shù)異常，從而實(shí)現(xiàn)堤壩內(nèi)部缺陷和滲漏的間接診斷。在這方面形成了直流電阻率法、自然電場(chǎng)法、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法等探測(cè)技術(shù)。

b.振動(dòng)波。堤壩存在缺陷或發(fā)生滲漏部位的密實(shí)度和彈性模量與正常區(qū)域不同。振動(dòng)波的傳播對(duì)介質(zhì)密實(shí)度較為敏感，當(dāng)振動(dòng)波在這些部位傳播時(shí)，波速、波形將發(fā)生改變。依據(jù)堤壩隱患與背景場(chǎng)的波速及波阻抗差異，可利用縱波、橫波及面波進(jìn)行分析。目前應(yīng)用的振動(dòng)波法探測(cè)技術(shù)主要包括地震反射波法、地震折射波法、地震映像法和瑞利面波法。

c.水流。水流是滲漏的物理實(shí)體。傳統(tǒng)采用測(cè)壓管和滲壓計(jì)測(cè)量滲透壓力，或采用量水堰測(cè)量滲漏量來(lái)監(jiān)測(cè)堤壩滲漏。放射性同位素示蹤技術(shù)將水流作為運(yùn)載體，可用于調(diào)查地下水的補(bǔ)給關(guān)系、尋找滲漏入口、測(cè)定流速和流向。流場(chǎng)擬合法利用電流場(chǎng)來(lái)擬合滲流場(chǎng)，根據(jù)滲流場(chǎng)的分布快速尋找堤壩滲漏入口。

d.熱。無(wú)滲流土體內(nèi)部的溫度場(chǎng)由熱傳導(dǎo)主導(dǎo)。當(dāng)滲流存在時(shí)，土體內(nèi)的熱傳導(dǎo)強(qiáng)度將因水體的遷移而改變。研究表明，當(dāng)土體滲透系數(shù)大于10-6m/s時(shí)，水體遷移引起的平流熱傳遞將超越熱傳導(dǎo)，即使少量的水體遷移也將迫使土體溫度與水溫相適應(yīng)，從而引起原溫度場(chǎng)的局部不規(guī)則變化[7]。因此，可通過(guò)溫度變化來(lái)分析土石堤壩滲漏情況，近年來(lái)發(fā)展了分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)以及紅外熱成像技術(shù)用于辨識(shí)土石堤壩滲漏。

e.聲。滲漏過(guò)程伴隨的水體流動(dòng)、水土摩擦以及土體發(fā)生滲透破壞等環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象?？赏ㄟ^(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)來(lái)判斷滲漏發(fā)生、計(jì)算相對(duì)流量以及定位滲漏位置。

f.光。通過(guò)人眼直接觀察或分析可見(jiàn)光圖像發(fā)現(xiàn)堤壩滲漏。

2 土石堤壩滲漏病險(xiǎn)探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 基于電的探測(cè)技術(shù)

2.1.1直流電阻率法

直流電阻率法通過(guò)人工對(duì)堤壩施加電場(chǎng)，采集視電阻率，根據(jù)視電阻率差異來(lái)分析堤壩構(gòu)造及含水情況。通常洞穴、裂縫和松散體等病害表現(xiàn)為高阻異常，發(fā)生滲漏的區(qū)域則表現(xiàn)為低阻異常?，F(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，傳統(tǒng)常采用對(duì)稱四極剖面法和對(duì)稱四極電測(cè)深法[8]。如圖1所示，對(duì)稱四極剖面法的供電電極A、B以及測(cè)量電極C、D之間間距固定，勘測(cè)時(shí)4個(gè)電極同時(shí)向同一方向移動(dòng)，從而獲得測(cè)線內(nèi)壩體的視電阻率；對(duì)稱四極電測(cè)深法的測(cè)量電極C、D位置固定，供電電極A、B向反方向等距移動(dòng)，以測(cè)量壩體不同深度的視電阻率。

圖1 對(duì)稱四極剖面法和對(duì)稱四極電測(cè)深法示意圖

高密度直流電阻率法，也稱高密度電法，在兩供電電極之間加密布置多個(gè)測(cè)量電極，將傳統(tǒng)剖面法和測(cè)深法的原理與陣列思想相結(jié)合，探測(cè)系統(tǒng)具有較高的分辨率，能較精細(xì)地反映堤壩三維電性分布規(guī)律。

高密度電法的探測(cè)結(jié)果是視電阻率，而堤壩滲漏病險(xiǎn)分析需要含水率、孔隙率等土性參數(shù)，因此需開(kāi)展電阻率數(shù)據(jù)解算。反演是視電阻率數(shù)據(jù)解算與定量解釋的重要手段，而正演是反演的核心，目前正演求解主要采用積分法、有限單元法以及有限差分法等數(shù)值方法。在求解大型稀疏矩陣問(wèn)題上，簡(jiǎn)化邊界條件[12]、共軛梯度的有限差分格式[13]等策略的提出，顯著提高了正演求解的效率和精度。在反演方面，Sasaki[14]提出的基于圓滑約束的最小二乘反演法奠定了高密度電法反演計(jì)算的基礎(chǔ)。Loke等[15]基于Sasaki的研究提出了基于擬牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘反演算法，計(jì)算效率得到顯著提升，以該算法為核心推出的商用軟件沿用至今。Liu等[16]利用不等式約束，在保證精度前提下，提高了三維高密度電法的反演效率。Loke等[17]基于工程應(yīng)用實(shí)例，提出Sherman-Morrison對(duì)稱優(yōu)化陣列布置，提高了高密度電法在大規(guī)模探測(cè)中的計(jì)算效率。趙濤等[18]將遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提高了高密度電法的二維非線性反演效率和精度。

高密度電法是目前基于電的探測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最廣的勘探技術(shù)，其局限性在于探測(cè)前需安裝大量電極，限制了作業(yè)效率，并且供電電極間距必須大于測(cè)深的2倍，探測(cè)范圍(剖面圖形狀)為倒梯形，難以對(duì)壩肩以下壩體進(jìn)行探測(cè)。此外，高密度電法的探測(cè)結(jié)果易受大地自然電流和地下良導(dǎo)體的干擾，數(shù)據(jù)整理和解釋工作較復(fù)雜。

2.1.2自然電場(chǎng)法

在無(wú)需人工對(duì)地通電情況下，土石堤壩中就自然存在著電場(chǎng)。自然電場(chǎng)的形成機(jī)理主要有3類(lèi)：①溶液和介質(zhì)接觸面上的氧化還原反應(yīng)；②溶液的離子在空隙或滲流通道交界面上的擴(kuò)散和土體骨架對(duì)離子的吸附作用；③水體的滲流和土體的過(guò)濾作用[19]。自然電場(chǎng)的形成由均勻滲流和集中滲流產(chǎn)生的過(guò)濾電場(chǎng)起主導(dǎo)作用[20]。

自然電場(chǎng)法最早見(jiàn)于1969年，Ogilvy等[21]將其用于堤壩滲漏探測(cè)。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始利用該技術(shù)探測(cè)土石堤壩滲漏?，F(xiàn)場(chǎng)操作只需用到普通電測(cè)儀，采用非極化的電極測(cè)量電位差，根據(jù)測(cè)網(wǎng)繪制等電勢(shì)圖，電位低處即為滲漏嚴(yán)重處。該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，測(cè)深可達(dá)20～30 m，可以確定滲漏源的幾何形狀。相對(duì)于常規(guī)的人工電場(chǎng)法常常僅用于單次檢測(cè)，自然電場(chǎng)法利用天然場(chǎng)源可實(shí)現(xiàn)野外長(zhǎng)時(shí)間多次作業(yè)，目前還常作為綜合物探法之一被應(yīng)用在堤壩滲漏探測(cè)中[22]。該方法的局限性在于，當(dāng)水中可溶性鹽含量較大，水的電阻率低于10 Ω·cm時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)獲得的電阻率將很接近，該方法將無(wú)法探測(cè)。

2.2 基于電磁的探測(cè)技術(shù)

2.2.1瞬變電磁法

瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)即時(shí)間域瞬變電磁測(cè)深法，其基本工作原理為電磁感應(yīng)。如圖2所示，TEM利用不接地的發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)分析脈沖電流斷電瞬間感應(yīng)渦流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)情況來(lái)分析地下構(gòu)造。通常含水率越大，產(chǎn)生的渦流場(chǎng)越強(qiáng)，二次磁場(chǎng)也就越強(qiáng)。瞬變電磁系統(tǒng)一般由發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈、接收線圈、接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖2 瞬變電磁法的工作原理

瞬變電磁系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)為視電阻率或?qū)щ娐实任锾絽?shù)，與高密度電法探測(cè)結(jié)果解譯類(lèi)似，同樣需要將其轉(zhuǎn)化為含水率、孔隙率等土性參數(shù)。受計(jì)算機(jī)條件和數(shù)據(jù)解譯技術(shù)的制約，在過(guò)去數(shù)十年中，瞬變電磁數(shù)據(jù)解譯主要停留在視電阻率成像和一維反演階段[23]。為提高瞬變電磁法應(yīng)用于復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)和起伏地形時(shí)的解譯準(zhǔn)確性，三維數(shù)值計(jì)算得到快速發(fā)展。三維問(wèn)題正演主要采用有限單元法、有限差分法以及積分方程法等數(shù)值方法。前兩種方法離散化整個(gè)計(jì)算域，占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存較大。積分方程法只對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行離散，具有存貯量小的優(yōu)點(diǎn)，但方程求解通常較困難，僅適用于模擬簡(jiǎn)單模型[24]。正演問(wèn)題求解有兩種策略，一是直接在時(shí)間域中求解，二是先采用數(shù)值方法在頻域或拉普拉斯域求解，再通過(guò)逆變換將求解結(jié)果轉(zhuǎn)換到時(shí)間域分析。數(shù)值求解方法有顯式和隱式兩種。顯式求解的數(shù)學(xué)概念簡(jiǎn)單明確，但需滿足穩(wěn)定性條件，因而嚴(yán)格限制了時(shí)間步長(zhǎng)和單元大小。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)性能的快速提升，大型線性方程組求解效率大幅提高，無(wú)需滿足穩(wěn)定性條件的隱式求解方法逐漸體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。目前三維電磁反演算法主要有非線性共軛梯度法、高斯牛頓法和擬牛頓法。三維模擬計(jì)算的發(fā)展在提高瞬變電磁數(shù)據(jù)解譯效率和可靠性的同時(shí)，也為改進(jìn)探測(cè)作業(yè)模式、提高探測(cè)效率提供了有益參考。

房純綱等[25-26]在瞬變電磁儀的研發(fā)和工程應(yīng)用方面做了大量工作，對(duì)瞬變電磁法在土石堤壩滲漏病險(xiǎn)排查中的應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。TEM探測(cè)深度大、不受地形和接地電阻影響，作業(yè)效率高，其局限性在于存在淺部探測(cè)盲區(qū)，并且探測(cè)結(jié)果易受堤壩內(nèi)鹽和金屬以及環(huán)境電磁的干擾。

2.2.2地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)(ground penetrating radar，GPR)法屬于反射波探測(cè)法，其基于高頻電磁波理論，由發(fā)射天線向地下發(fā)射寬頻帶、短脈沖的電磁波，發(fā)射的電磁波經(jīng)地下傳播后返回地表為接收天線所接收，通過(guò)分析攜帶介質(zhì)地電信息的回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體構(gòu)造情況的解析[27]。GPR對(duì)空洞、破碎、松散、脫空、富含水體等滲漏隱患均有較強(qiáng)捕捉能力，作業(yè)速度快、分辨率高，在堤壩淺部隱患探測(cè)中應(yīng)用較多[28]。

電磁波在土層和砂層中衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致地質(zhì)雷達(dá)法存在探測(cè)深度較小的局限性[29]。收發(fā)天線系統(tǒng)的頻率越低，探測(cè)深度越深，但分辨率越低；頻率越高，衰減越嚴(yán)重，探測(cè)深度越淺，但對(duì)目標(biāo)的分辨能力越高。

系統(tǒng)增益系數(shù)是衡量GPR探測(cè)能力的基本指標(biāo)。目前瑞典MALA、美國(guó)GSSI、加拿大SSI和英國(guó)Groundvue等產(chǎn)品是GPR市場(chǎng)的主導(dǎo)，最大系統(tǒng)增益系數(shù)達(dá)到200 dB左右，收發(fā)天線頻率范圍在0.5 Hz～1 GHz。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)GPR也得到長(zhǎng)足發(fā)展，GER、LTD和CAS等國(guó)產(chǎn)雷達(dá)的性能也十分優(yōu)良。

2.3 基于振動(dòng)波的探測(cè)技術(shù)

振動(dòng)波法探測(cè)技術(shù)通過(guò)在地面激發(fā)震源來(lái)制造彈性波，并利用檢波器接收，通過(guò)分析接收波的特征實(shí)現(xiàn)地下隱患探測(cè)[30]。

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種探測(cè)方法，又稱地震多波勘探或高密度地震勘探。該方法可利用一種或多種波作為有效波進(jìn)行分析，每一測(cè)點(diǎn)的波形記錄都采用相同的偏移距激發(fā)和接收，在該偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠反映堤壩內(nèi)部垂直方向和水平方向的構(gòu)造分布情況。

瑞利面波是由體波與地表界面相互作用而產(chǎn)生的一種面波，對(duì)介質(zhì)密實(shí)度相當(dāng)敏感。瑞利面波法根據(jù)速度和頻散曲線來(lái)分析堤壩隱患分布，探測(cè)深度較大，但具有一定的淺部盲區(qū)。

振動(dòng)波屬于彈性波，其波長(zhǎng)較長(zhǎng)、頻率較小，這些特點(diǎn)限制了其分辨率，因而基于振動(dòng)波的探測(cè)技術(shù)對(duì)具有一定規(guī)模且埋深較大的隱患探測(cè)效果較好，但難以探測(cè)尺寸較小的隱患，多用于堤防質(zhì)量評(píng)價(jià)和軟弱層探測(cè)。

2.4 基于水流的檢測(cè)技術(shù)

2.4.1傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測(cè)方法

傳統(tǒng)滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)直接以滲漏水為量測(cè)對(duì)象，包括利用測(cè)壓管和滲壓計(jì)測(cè)量滲透壓力、采用量水堰測(cè)量滲漏量，具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)結(jié)果易于解釋等優(yōu)點(diǎn)，目前仍是壩工滲流監(jiān)測(cè)的主要手段。然而，這種技術(shù)屬于點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，通常僅布設(shè)在少數(shù)關(guān)鍵斷面[31]，易遺漏險(xiǎn)情。

2.4.2同位素示蹤技術(shù)

示蹤技術(shù)主要包括天然示蹤法和人工示蹤法。水中的穩(wěn)定同位素(D、18O和3H等)可作為天然示蹤劑。在適當(dāng)情況下，一些進(jìn)入水中的物質(zhì)也可作為天然示蹤劑，如工農(nóng)業(yè)廢水、懸浮的沉積物、溶質(zhì)等。人工示蹤劑通常有染色示蹤劑、鹽類(lèi)和放射性同位素。

天然示蹤通常用于確定水庫(kù)下游滲水和壩肩地下水的補(bǔ)給源及補(bǔ)給路徑，從而分析可能的集中滲漏通道。人工示蹤還可測(cè)定滲流流速和流向。峰值法和累計(jì)法常用于測(cè)量垂向流速，水平流速和流向常采用示蹤稀釋法測(cè)定。示蹤稀釋法于1916年由Kocherin提出，經(jīng)Moser和Drost等逐步完善[32-33]。我國(guó)在20世紀(jì)80年代引進(jìn)放射性同位素示蹤技術(shù)，并在同位素示蹤儀器設(shè)備研制和分析方法上取得了較大進(jìn)展。作業(yè)時(shí)通常將提前注入示蹤劑的濾水管放入檢測(cè)通道，根據(jù)滲透流速與示蹤劑稀釋速率之間的關(guān)系計(jì)算滲透流速，由流速的分布推定滲流場(chǎng)[34]。該技術(shù)成功應(yīng)用于諸多水庫(kù)大壩滲漏通道調(diào)查，取得了顯著效益。

投放示蹤劑通常需要鉆孔，但某些區(qū)域鉆孔作業(yè)受限。而且示蹤劑投放后，需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，故該方法主要用于探測(cè)水庫(kù)滲漏，不太適合堤防管涌滲漏的探測(cè)。

2.4.3流場(chǎng)擬合法

電流場(chǎng)與滲流場(chǎng)在一定條件下具有相似性。流場(chǎng)擬合法通過(guò)電流場(chǎng)來(lái)擬合滲流場(chǎng)，通過(guò)電流場(chǎng)的分布推算滲流場(chǎng)的流向和相對(duì)流速。

巴甫洛夫斯基早在1918年就用電流場(chǎng)比擬水流場(chǎng)，首創(chuàng)了水電比擬試驗(yàn)[7]。2000年，我國(guó)何繼善院士提出了流場(chǎng)擬合法[35]，并成功研制出管涌探測(cè)儀，該設(shè)備的核心部件包括向水中發(fā)送特殊波形編碼電流場(chǎng)的發(fā)送機(jī)、船載接收機(jī)和置于水中測(cè)量電流密度的接收探頭。該方法的可靠性和檢測(cè)速度均較高，大量應(yīng)用于水庫(kù)滲漏和堤防管涌險(xiǎn)情探測(cè)中[33]。戴前偉等[36]在流場(chǎng)法基礎(chǔ)上提出了矢量流場(chǎng)法，為分析土石壩滲漏入口、滲流方向及滲漏等級(jí)提供了新思路。

流場(chǎng)擬合法能快速查明滲漏入口，尤其適用于汛期堤壩管涌等集中滲漏通道入口的查找。其局限性在于只能找到滲漏入口，不能反映滲漏在堤壩內(nèi)部的具體分布情況。

2.5 基于溫度的檢測(cè)技術(shù)

20世紀(jì)60年代，德國(guó)開(kāi)始嘗試通過(guò)溫度變化來(lái)分析土石堤壩的滲流場(chǎng)[37]。20世紀(jì)70年代，歐美一些國(guó)家采用離散點(diǎn)溫度值來(lái)研究大壩滲漏通道。20世紀(jì)80年代，利用溫度變化間接分析堤壩滲流性態(tài)的思路被引入國(guó)內(nèi)，在丹江口水庫(kù)開(kāi)展了探索性工作[38]，通過(guò)研究壩基范圍的溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)，驗(yàn)證了從溫度場(chǎng)角度分析壩基滲流場(chǎng)的可行性。陳建生等[39]基于熱源法推導(dǎo)并建立了帶有滲流項(xiàng)的土石堤壩傳熱方程。實(shí)際操作時(shí)通過(guò)鉆孔得到地層中一些離散點(diǎn)的溫度值，從而計(jì)算地下集中滲流參數(shù)。此外，應(yīng)用該技術(shù)，成功探測(cè)出了北江大堤石角段管涌通道[40]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多工程實(shí)例均證實(shí)了溫度監(jiān)測(cè)資料對(duì)堤壩滲流分析的重要意義[41-42]。針對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)式測(cè)溫漏檢情況，近些年發(fā)展起來(lái)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)較好地彌補(bǔ)了該缺陷。

2.5.1分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(distributed temperature sensing，DTS)以溫度為感測(cè)對(duì)象、以光纖為媒介、以光信號(hào)為載體，能實(shí)時(shí)測(cè)讀光纖沿程任一位置的溫度。通過(guò)優(yōu)化布設(shè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)。該方法對(duì)長(zhǎng)條狀走勢(shì)的堤壩工程具有很好的適應(yīng)性。

光纖測(cè)溫技術(shù)的基本原理在于光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谘爻谈鼽c(diǎn)存在依賴于溫度的后向散射，利用散射延遲時(shí)間和光纖內(nèi)的光速可計(jì)算不同散射點(diǎn)的位置，因而可以得到光纖沿程上連續(xù)的溫度分布。分布式光纖測(cè)溫方式有梯度法和加熱法兩種。梯度法直接感測(cè)堤壩內(nèi)部的溫度場(chǎng)，該方法有效的前提是河內(nèi)水溫與測(cè)點(diǎn)位置的溫度存在一定差異。為滿足這一前提，光纖埋設(shè)位置通常與河水保持一定距離。加熱法通過(guò)電脈沖對(duì)光纖金屬套或特種光纖加熱，使光纖周?chē)馏w溫度升高，由于存在滲漏的位置溫升速率更小，從而實(shí)現(xiàn)堤壩內(nèi)部滲漏的識(shí)別和定位。

利用分布式光纖長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土石堤壩滲漏的構(gòu)想于20世紀(jì)90年代被Aufleger等提出[43]。隨著DTS的問(wèn)世，英國(guó)York sensors limited公司率先將DTS商品化[44-45]。此后，通過(guò)光纖測(cè)溫來(lái)研究堤壩滲流這一課題得到了大量關(guān)注。Markus等[46-47]開(kāi)展了梯度法和加熱法試驗(yàn)，分析了堤壩溫度場(chǎng)、土體飽和度、滲流流速等參量之間的關(guān)系，較全面地介紹了分布式光纖在水利工程中的應(yīng)用。Amir等[48-49]利用分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)奇異值分解法、多元濾波法、盲源分離技術(shù)等多種數(shù)據(jù)分析方法，設(shè)計(jì)了基于分布式光纖監(jiān)測(cè)的堤壩滲流數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、分析及預(yù)警系統(tǒng)。Cyril等[50]考慮地表微氣候影響，開(kāi)展了大尺度試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)加熱法和梯度法，重點(diǎn)研究了溫度數(shù)據(jù)與滲流流速間的關(guān)系。Sayde等[51-52]采用加熱法對(duì)土體含水率分布情況進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)大量試驗(yàn)研究了土體熱傳導(dǎo)系數(shù)同含水率之間的函數(shù)關(guān)系。肖衡林等[53-54]分析了加熱光纖與滲流水體的傳熱過(guò)程，從理論層面推導(dǎo)了滲流流速與過(guò)余溫度、施加的電壓和電流、介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、鎧裝光纖直徑和長(zhǎng)度、土體孔隙率等之間的關(guān)系。王宏飛[55]和吳善荀[56]以西龍池水電站為工程依托，以無(wú)滲流段光纖的溫升為基數(shù)，以滲流段和無(wú)滲流段光纖測(cè)溫結(jié)果之差與該基數(shù)的比值為相對(duì)溫差比，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)溫差比與滲流流速呈二次方關(guān)系。崔書(shū)生[57]開(kāi)展了模型試驗(yàn)研究，根據(jù)不同加熱功率下光纖的溫升曲線，引入名義導(dǎo)熱系數(shù)獲得了分布式光纖滲流流速監(jiān)測(cè)實(shí)用模型?？禈I(yè)淵[58]通過(guò)研究土石結(jié)合部的集中滲流，獲得了滲流量和光纖溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由于分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)需要預(yù)埋光纖，現(xiàn)有研究多以模型試驗(yàn)和理論研究為主，在實(shí)際堤壩工程中應(yīng)用較少，眾多研究提出的理論和分析方法的工程應(yīng)用效果尚不明朗。

2.5.2紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像(infrared thermography，IRT)[59]技術(shù)通過(guò)感測(cè)堤壩表面的紅外熱輻射溫度異常達(dá)到發(fā)現(xiàn)滲漏的目的。IRT主要有主動(dòng)和被動(dòng)兩類(lèi)，其中主動(dòng)IRT需要對(duì)被檢對(duì)象施加外部熱源激勵(lì)，而被動(dòng)IRT在自然條件下成像[60]。對(duì)實(shí)際大體積長(zhǎng)距離的堤壩工程施加人工熱激勵(lì)是相當(dāng)困難且不可取的，故在土石堤壩滲漏感測(cè)中主要利用被動(dòng)IRT。被動(dòng)IRT借助紅外傳感器被動(dòng)感測(cè)堤壩表面的輻射場(chǎng)，通過(guò)定量換算得到溫度場(chǎng)，將該溫度場(chǎng)按一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系映射到顏色空間便可獲得形象直觀的紅外熱圖像。相比于傳統(tǒng)點(diǎn)狀或線狀測(cè)溫技術(shù)，IRT獲取的溫度結(jié)果是矩陣平面，因而具有其他測(cè)溫手段所不具備的數(shù)字圖像學(xué)分析價(jià)值。

1997年，Inagaki等[61]開(kāi)展了不同水溫條件下砂漿試件集中滲漏和隨機(jī)滲漏的室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了水體加熱條件下IRT感測(cè)滲漏的可行性。彭波等[62]開(kāi)展了多種水頭作用下均質(zhì)土壩集中滲漏熱成像室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱源激勵(lì)條件下應(yīng)用IRT感測(cè)土石堤壩滲漏的可行性，該試驗(yàn)條件與在機(jī)械設(shè)備檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用較多的主動(dòng)IRT技術(shù)類(lèi)似。Bukowska-Belniak等[63]通過(guò)帳篷內(nèi)的土壩模型試驗(yàn)驗(yàn)證了常溫條件下IRT感測(cè)土石壩滲漏的可行性。Chen等[64]在臺(tái)灣藍(lán)道溪上開(kāi)展了土壩潰壩過(guò)程的IRT監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，指出輻射溫度變化較大的壩面可作為土石壩的潛在破壞區(qū)。王玉磊等[65]報(bào)道了借助無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀檢測(cè)到某小型土壩的早期非穩(wěn)定滲漏。

上述研究在推動(dòng)IRT應(yīng)用于土石堤壩滲漏檢測(cè)的同時(shí)，仍存在一些不足。已有研究很少關(guān)注紅外熱圖像的形態(tài)學(xué)特性和紋理特征，對(duì)熱圖像的“圖像”屬性利用不足，可考慮將計(jì)算機(jī)視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)算法引入該領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)基于紅外圖像的滲漏自動(dòng)辨識(shí)。此外，已有試驗(yàn)多在室內(nèi)開(kāi)展，通過(guò)人為擴(kuò)大水體與堤壩表面之間的溫差來(lái)達(dá)到理想的成像效果。如何剔除或利用堤壩表面微氣候的不規(guī)則影響；如何在復(fù)雜地面(如雜草覆蓋、起伏不平、動(dòng)物活動(dòng)、積水等)條件下識(shí)別和提取滲漏目標(biāo)；在雨天、霧天等特殊天氣條件下的應(yīng)用效果怎樣及如何提升感測(cè)效果等，均是值得研究的課題。

目前紅外熱成像儀以美國(guó)菲利爾和福祿克以及德國(guó)德圖為主導(dǎo)品牌[61]，國(guó)內(nèi)的高德紅外、海康威視等品牌在近幾年也得到飛躍式發(fā)展。熱靈敏度和紅外分辨率是紅外熱像儀最核心的兩個(gè)指標(biāo)。商業(yè)化的非制冷焦平面紅外熱像儀的熱靈敏度目前可達(dá)到20 mK，紅外圖像分辨率可達(dá)到1 024×768。

IRT作為一種非接觸式感測(cè)手段，具有形象直觀、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、覆蓋面廣、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可在無(wú)光照的夜間正常作業(yè)，尤其適合土石堤壩汛期應(yīng)急巡查，但也存在以下局限性：溫差是基于IRT識(shí)別堤壩滲漏的前提，溫差越大，滲漏導(dǎo)致的局部溫度變化就越大，感測(cè)效果越好；作為一種表面感測(cè)技術(shù)，它不具備探測(cè)堤壩內(nèi)部的能力，只有當(dāng)滲漏影響到達(dá)堤壩表面時(shí)該技術(shù)才有效；目前紅外熱像儀的圖像分辨率較低，圖像細(xì)節(jié)信息較少，復(fù)雜地面條件下對(duì)感測(cè)結(jié)果的解釋很困難，通常需要借助可見(jiàn)光圖像或其他檢測(cè)手段進(jìn)行聯(lián)合解譯。

2.6 基于聲的監(jiān)測(cè)方法

滲漏過(guò)程中，水體流動(dòng)、水土摩擦以及土體滲透破壞都會(huì)產(chǎn)生彈性聲波。利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行捕捉和分析，可以判斷滲漏發(fā)生、計(jì)算相對(duì)流量以及定位滲漏位置。徐炳鋒[66]從位錯(cuò)和能量觀點(diǎn)推導(dǎo)了土體位錯(cuò)點(diǎn)源和應(yīng)變能改變量同聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)[67]發(fā)現(xiàn)滲漏達(dá)到臨界坡降和破壞坡降時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)突增，指出了聲發(fā)射技術(shù)可用于土體滲透變形監(jiān)測(cè)。張寶森等[68]對(duì)柳園口閘下滲漏進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)滲漏的發(fā)生與聲發(fā)射信號(hào)同步。明攀等[69-70]開(kāi)展了堤基管涌連續(xù)破壞過(guò)程中的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)堤基管涌破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)多為突發(fā)型信號(hào)，指出管涌過(guò)程的水力參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)具有一致的分布規(guī)律，并提出了適用于堤防管涌過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)采集的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置[71]。

由于實(shí)際工程體型龐大，因滲漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)通常在傳播過(guò)程中衰減消失，并且堤壩服役環(huán)境中的本底噪聲較強(qiáng)，目前該技術(shù)主要停留在試驗(yàn)研究階段。

2.7 土石堤壩滲漏病險(xiǎn)探測(cè)技術(shù)比較

在土石堤壩工程滲漏隱患排查和病害檢測(cè)中，通常需結(jié)合工程實(shí)際選取適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法開(kāi)展綜合探測(cè)。表2[8,72]總結(jié)了土石堤壩滲漏病險(xiǎn)探測(cè)技術(shù)方法及其特點(diǎn)。

表2 土石堤壩滲漏病險(xiǎn)探測(cè)方法及其特點(diǎn)

3 土石堤壩滲漏病險(xiǎn)探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及展望

我國(guó)堤防長(zhǎng)度長(zhǎng)、土石壩數(shù)量大，堤壩隱患病害多且空間分布廣，汛期滲漏險(xiǎn)情多發(fā)。1998年洪水以來(lái)，土石堤壩滲漏病險(xiǎn)探測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，形成了多種技術(shù)和裝備，其中高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等地質(zhì)物探類(lèi)方法較為成熟，極大提升了我國(guó)土石堤壩滲漏病險(xiǎn)檢測(cè)水平及處置能力。然而，目前土石堤壩安全保障在以下兩方面還比較薄弱。

3.1 汛期滲漏險(xiǎn)情的快速巡查和高效處置

大部分現(xiàn)行探測(cè)技術(shù)的作業(yè)效率、覆蓋范圍和可靠性遠(yuǎn)不能滿足汛期快速全面發(fā)現(xiàn)滲漏病險(xiǎn)的需求，以至于目前汛期發(fā)現(xiàn)滲漏險(xiǎn)情還是主要依賴于人工拉網(wǎng)式排查，亟須研發(fā)作業(yè)高效、覆蓋全面的土石堤壩滲漏險(xiǎn)情快速巡查手段。

得益于近年來(lái)人工智能技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，水利行業(yè)中已有水下機(jī)器人、無(wú)人船、機(jī)器狗和無(wú)人機(jī)等新興裝備出現(xiàn)，作業(yè)場(chǎng)景全面涉及了水下、水面、地面和空中。

水下機(jī)器人[73]通過(guò)搭載不同功能的作業(yè)模塊，可一定程度上替代人工潛水作業(yè)，在水下完成示蹤劑投放、圖像采集、地形勘測(cè)、滲漏入口查找和封堵等任務(wù)，不僅可避免人工潛水的危險(xiǎn)，還對(duì)深水、激流、污水等惡劣環(huán)境具有較強(qiáng)的耐受能力。

無(wú)人船[74]可在汛期激流中行駛，通過(guò)搭載水下地形儀、管涌探測(cè)儀等裝備，能執(zhí)行滲漏入口查找和水下地形測(cè)繪等任務(wù)，為滲漏封堵和水下邊坡變形分析及處置提供支持。

多足機(jī)器狗具備地面快速移動(dòng)能力，通過(guò)搭載感測(cè)和探測(cè)設(shè)備，有望緩解當(dāng)下人工巡堤的巨大資源消耗，實(shí)現(xiàn)近距離“看”、“觸”、“測(cè)”、“探”等現(xiàn)場(chǎng)巡查。

無(wú)人機(jī)[75]作為一種低空搭載平臺(tái)，可搭載雷達(dá)、高清可見(jiàn)光相機(jī)、紅外熱像儀、傾斜攝影相機(jī)、RTK、激光掃描儀等儀器設(shè)備，利用其靈活飛行的優(yōu)勢(shì)，能快速感測(cè)土石堤壩及庫(kù)岸邊坡崩岸、塌坑、滑坡、管涌等險(xiǎn)情，為防汛搶險(xiǎn)提供及時(shí)全面的信息支持。

綜合利用水下機(jī)器人、水面無(wú)人船、地面機(jī)器狗和空中無(wú)人機(jī)等平臺(tái)搭載合適的巡測(cè)儀器設(shè)備對(duì)堤壩進(jìn)行快速巡查具有較好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力，目前尚處于應(yīng)用研究的初期階段，裝備的作業(yè)范圍、適應(yīng)性、可靠性和準(zhǔn)確性等方面都還有很大的提升空間。以無(wú)人機(jī)平臺(tái)為例，目前出現(xiàn)的無(wú)人機(jī)大多是將其他領(lǐng)域的成品直接應(yīng)用到土石堤壩上，大部分都還停留于拍攝可見(jiàn)光圖像層面。無(wú)人機(jī)裝備及其配套技術(shù)對(duì)堤壩滲漏巡測(cè)作業(yè)場(chǎng)景的適應(yīng)性不佳，對(duì)作業(yè)目標(biāo)的貼合性不強(qiáng)，并且無(wú)人機(jī)平臺(tái)的續(xù)航能力、搭載能力和抗風(fēng)雨能力等都有待提升。因此，有必要針對(duì)土石堤壩“長(zhǎng)條狀”的特征及其滲漏位置和滲漏規(guī)律等特性，綜合考慮地面條件、汛期天氣條件和作業(yè)目的等因素，研制土石堤壩快速巡查專(zhuān)用裝備。

此外，目前土石堤壩滲漏險(xiǎn)情的發(fā)現(xiàn)、辨識(shí)和處置等環(huán)節(jié)聯(lián)系不夠緊密，尚未形成從險(xiǎn)情巡查到應(yīng)急處置的完整體系，極大限制了應(yīng)急處置水平?？焖傺膊?精準(zhǔn)定位-高效處置成套裝備體系的建設(shè)是值得攻關(guān)的方向，可考慮利用無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、地面機(jī)器狗等快速巡查裝備發(fā)現(xiàn)堤壩滲漏，利用地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁儀等裝備開(kāi)展?jié)B漏通道的精準(zhǔn)定位和內(nèi)部詳查，以及利用先進(jìn)封堵裝備在進(jìn)口投放封堵材料或向堤壩內(nèi)部注漿進(jìn)而對(duì)滲漏進(jìn)口和通道進(jìn)行快速封堵。

3.2 滲漏自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和預(yù)警

現(xiàn)階段土石堤壩汛期滲漏險(xiǎn)情的發(fā)現(xiàn)和處置是事后的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)滲漏險(xiǎn)情時(shí)，滲漏已經(jīng)在堤壩內(nèi)部發(fā)育了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，相當(dāng)于臨近病變的“晚期”階段，以至于需要“搶險(xiǎn)”，造成堤壩病險(xiǎn)處置和風(fēng)險(xiǎn)控制處于相當(dāng)被動(dòng)的局面。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，保障土石堤壩長(zhǎng)效健康服役的關(guān)鍵應(yīng)當(dāng)是建立具有時(shí)空連續(xù)性的堤壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)，從現(xiàn)階段少量次數(shù)的檢查轉(zhuǎn)變?yōu)槿旌虻膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；由堤壩表面檢測(cè)延伸到堤壩內(nèi)部監(jiān)測(cè)；由對(duì)單點(diǎn)、少數(shù)斷面、局部區(qū)域的監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际降摹⑷采w式的監(jiān)測(cè)；由事后應(yīng)急處置轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)測(cè)和預(yù)警。在這方面，分布式光纖溫度傳感監(jiān)測(cè)方法具有較大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力，優(yōu)化光纖布設(shè)方式使其能應(yīng)用到已建堤壩工程，提高光纖在實(shí)際工程中的存活率、空間分辨率、監(jiān)測(cè)信息解譯效率和準(zhǔn)確性，以及推進(jìn)分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化建設(shè)等是值得努力的方向。