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)會出現(xiàn)地面局部沉降、滑坡等現(xiàn)象。高溫時，在渠道迎水面出現(xiàn)防滲面板拱起或龜裂現(xiàn)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(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，填方渠道沒有針對滲漏破壞與滲漏修復(fù)的處理規(guī)范；②長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，對于大跨度的線性工程原有的檢測技術(shù)難以有效進(jìn)行實(shí)時、連續(xù)監(jiān)測，無法及時修復(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，影響也較小，但一旦發(fā)生滲漏且面積較大時，就表明渠道安全問題很嚴(yán)重。由于輸水渠道填方段距離很長，即使是較小的滲漏點(diǎn)，沿線也會導(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意義重大。為此，筆者針對填方渠道滲漏檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對其技術(shù)特點(diǎn)、測試原理、適用環(huán)境、優(yōu)勢與不足等進(jìn)行分類評述。同時根據(jù)現(xiàn)有多源檢測技術(shù)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，針對目前填方渠道滲漏檢測的技術(shù)需要，研究探討了“天-地-水”一體化渠堤滲漏檢測新技術(shù)的應(yīng)用，以期為填方渠道滲漏檢測技術(shù)進(jìn)步起推動作用。

1 渠堤滲漏檢測技術(shù)現(xiàn)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(shù)等幾類。其中前三類是沿用較久的傳統(tǒng)檢測方法，智能檢測載體則是近年來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。

1.1 鉆探取樣法

該方法采用專用鉆機(jī)從渠堤中鉆取芯樣，通過對芯樣的外觀、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、含水率等特性對渠道渠堤的滲漏性質(zhì)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(xiàn)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(jì)、壓力管、水位計(jì)等檢測設(shè)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(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象（見圖3-4）。這類滲流檢測設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)與移動檢測，也不能進(jìn)行斷面間的渠堤滲流檢測[5]。如果設(shè)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(yè)檢測設(shè)備（如專業(yè)水下相機(jī)、攝像機(jī)和滲流檢測儀器），潛入渠道水下進(jìn)行堤坡滲漏檢測，主要依據(jù)水下圖像采集與儀器檢測來判斷渠堤是否出現(xiàn)滲漏；對可能發(fā)生滲漏的點(diǎn)位進(jìn)行定位和記錄。

潛水員常用檢測方法為“實(shí)時高清攝像+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)對渠道渠堤可能發(fā)生滲漏破壞區(qū)段進(jìn)行視頻檢測、滲流調(diào)查、局部詳查，攜帶噴墨裝置對發(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，同時采用高清攝像實(shí)時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。

1.3 地球物理探測技術(shù)

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(xiàn)滲流場中電導(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，探測地球物理場的自然分布或裂隙變化特征，通過分析探測數(shù)據(jù)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?zé)崽綔y等。

1.3.1 電法探測

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。電法勘探通過跟蹤觀測人工建立的電場分布，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)電阻率會低于正常土體，可以通過儀器快速采集和實(shí)時數(shù)據(jù)處理，這些優(yōu)勢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)密集布置測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速、地毯式測量觀測區(qū)地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，是將電剖面法和電測探法結(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(jù)法拉第原理，水流動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在周圍形成感應(yīng)磁場，能使地磁場發(fā)生局部變化，產(chǎn)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(qū)域，即磁法探測。磁法探測又分為電磁法與地質(zhì)雷達(dá)探測法。

（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，通過觀察二次場，檢測泄漏異常。發(fā)生滲漏的區(qū)域電導(dǎo)率相對較高，造成二次磁場較強(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，檢測出埋藏較深的滲漏隱患；受重金屬介質(zhì)干擾時，檢測結(jié)果需要驗(yàn)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(zhì)構(gòu)造特征、發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)位置。通過測量溝內(nèi)自然電磁波在地面產(chǎn)生的電場變化特征，確定泄漏區(qū)和泄漏點(diǎn)[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(huán)境影響。

圖10 瞬變電磁法檢測工作

（2）探地雷達(dá)探測法

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)可以提高檢測的準(zhǔn)確性和有效性[12]。它可以連續(xù)無損檢測，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，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 無線探地雷達(dá)

圖13 地質(zhì)雷達(dá)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(fā)生滲流會引起周圍環(huán)境溫度的變化，將溫度傳感器測頭埋設(shè)在渠堤底部或不同斷面處，通過各測點(diǎn)溫度傳感器傳遞的信息來發(fā)現(xiàn)和檢測渠堤滲流狀態(tài)。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(shè)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(diǎn)溫度的方法。通過對測點(diǎn)溫度信息的綜合研判，確定測點(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（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(tǒng)實(shí)時、連續(xù)地檢測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

1.4 智能集成檢測載體技術(shù)——水下機(jī)器人

水下機(jī)器人是一種智能集成泄漏檢測載體技術(shù)，可在高度危險環(huán)境、污染環(huán)境和零能見度水中長期工作[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)不同檢測需求裝載不同的滲漏檢測設(shè)備，大大提高了滲漏檢測的自主性和靈活性。由于水下機(jī)器人功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、運(yùn)行時間不受限制、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，所以近年來在堤防滲漏檢測中得到廣泛應(yīng)用。

2 “多源融合、天-地-水一體化”堤防滲漏檢測系統(tǒng)展望

2.1 一體化檢測的創(chuàng)新思路

2.1.1 創(chuàng)新理念與原理

由表4可知，用2種方式對牛肉丁進(jìn)行嫩化，產(chǎn)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(nèi)嫩。因此，嫩化方式確定為醋漬嫩化。

為滿足當(dāng)前對填方渠道滲漏檢測無損、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)測技術(shù)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等技術(shù)優(yōu)勢，通過技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)滲漏監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新。

基于人工智能、電磁學(xué)及地下水動力學(xué)原理，提出“多源融合、天-地-水一體化”的檢測理念，應(yīng)用圖像識別分析技術(shù)、無人機(jī)-水下機(jī)器人智能監(jiān)測技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+5G 技術(shù)和沿程監(jiān)控系統(tǒng)，開展對大型輸水明渠滲漏信息的全方位監(jiān)測、分析與處理。這種一體化滲漏檢測系統(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系統(tǒng)的技術(shù)集成，主要分為采集、傳輸、分析三個子系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)的核心技術(shù)為：無人機(jī)紅外成像巡檢，水下聲納機(jī)器人聲納掃描，熱力-水動力耦合溯源；機(jī)動地質(zhì)雷達(dá)探測，配合地磁場分析；還有基于5G 移動通信技術(shù)的檢測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸子系統(tǒng)和對各類采集數(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子系統(tǒng)工作示意

一體化監(jiān)測工作包括：

（1）“天”--無人機(jī)搭載紅外成像攝像頭，巡檢時通過紅外成像技術(shù)快速發(fā)現(xiàn)滲水出露點(diǎn)并報送位置信息，監(jiān)測人員依據(jù)“熱力-水動力耦合溯源”技術(shù)，現(xiàn)場測量出露點(diǎn)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(jiān)測信息，在堤頂采用機(jī)動的無線探地雷達(dá)，利用精密磁測技術(shù)[19]掃描確定渠堤土體中的地磁流體場特征，精準(zhǔn)跟蹤定位滲漏水流的滲流路徑。

（3）“水”--利用水下機(jī)器人搭載聲納檢測儀，根據(jù)無人機(jī)巡檢信息，進(jìn)行重點(diǎn)水下監(jiān)測，結(jié)合圖像識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力特性。

（4）傳輸與分析：“天-地-水”三方檢測數(shù)據(jù)利用5G 移動通信技術(shù)實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程分析中心；通過系統(tǒng)一體化協(xié)同、信息綜合分析處理，得到堤防土體滲流場實(shí)時狀況；如發(fā)生滲漏現(xiàn)象，判斷后及時發(fā)送滲漏預(yù)警信息，并報送工程維修部門實(shí)施截滲處置。

2.2 可行性分析與技術(shù)展望

“天-地-水”一體化填方渠道滲漏檢測系統(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)檢測填方渠道滲漏技術(shù)已較為成熟，工作穩(wěn)定可靠；5G 移動通信憑借高速率、低延時、大連接的技術(shù)優(yōu)勢在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用；采用無人機(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領(lǐng)域大顯身手；熱力-水動力耦合溯源技術(shù)借助地下水?dāng)?shù)值模擬，通過對熱傳播的準(zhǔn)確模擬，大大提高了對堤防滲漏路徑預(yù)測的科學(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，利用無人機(jī)、無線探地雷達(dá)、水下機(jī)器人搭載聲納檢測儀三者相結(jié)合進(jìn)行滲漏點(diǎn)檢測，突破了傳統(tǒng)檢測滲漏方法的單一性，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、準(zhǔn)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(fēng)險，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)測與防范，筆者與相關(guān)部門正在協(xié)作開展基于無人機(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)檢測技術(shù)的完善工作。據(jù)悉，國內(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“科研+設(shè)計(jì)+設(shè)備制造+現(xiàn)場應(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、預(yù)警技術(shù)的現(xiàn)代化是完全可能的。

3 結(jié)論

渠堤滲漏直接關(guān)系到渠堤工程安全，因此對其檢測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。了解檢測技術(shù)現(xiàn)狀，開發(fā)具有集成、智能特性的滲漏檢測新技術(shù)十分必要與迫切。

（1）本文系統(tǒng)概述了現(xiàn)有堤防滲漏檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分類評述了常用滲漏檢測技術(shù)。對傳統(tǒng)鉆探取樣、人工探視及地球物理探測法的測量原理、技術(shù)特點(diǎn)、適用性進(jìn)行了對比分析和評述。

（2）介紹了新型智能檢測載體技術(shù)，分析評述了集成人工智能要素的“水下機(jī)器人”在水下滲漏檢測方面的功能與優(yōu)勢；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)有檢測技術(shù)在解決堤防滲漏檢測方面還存在局限性，不易達(dá)到全方位、無死角、快速準(zhǔn)確檢測的效果。

（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新模式，提出了多源融合的檢測原理與采集子系統(tǒng)的主要技術(shù)方法，分析了耦合檢測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，體現(xiàn)了現(xiàn)代滲漏檢測技術(shù)的發(fā)展方向。