郭廣鑫，王 東，2，項 霞，2，胡再國

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)物理學(xué)院，四川 成都 610065)

1 研究背景

土石壩是國內(nèi)外普遍應(yīng)用的一種水庫大壩壩型，與其他壩型相比較，數(shù)量都占絕對優(yōu)勢。土石壩在世界范圍內(nèi)約占大壩總數(shù)的83%；中國擁有世界大壩數(shù)量的一半以上，現(xiàn)有水庫大壩9.8萬余座，其中土石壩數(shù)量則占到大壩總數(shù)的93%，且其95%是在建國后的第一、二個五年計劃(1953—1962年)及十年“文革”期間修建。這些工程多是“三邊工程”(邊勘測、邊設(shè)計、邊施工方式下完成建設(shè))，特別是小型水庫多存在“四不清”(來水域、流域面積、庫容、基礎(chǔ)的地質(zhì)情況均未調(diào)查清楚)就動工修建，雖然建成的數(shù)量巨大，但總體工程質(zhì)量差，存在諸多隱患，經(jīng)過了半個世紀(jì)左右的運行，顯現(xiàn)出大批病險水庫。

土石壩是以散粒體材料填筑碾壓而成的擋水建筑物。一方面隨運行時間的累計，某些結(jié)構(gòu)因老化存在安全風(fēng)險；另一方面，以前的建設(shè)技術(shù)和管理水平也決定了其平均質(zhì)量和安全狀況總體不容樂觀。相較于砼材料建成的大壩，土石壩的材料強(qiáng)度低、壩身不能過洪。在極端氣候越來越頻繁的今天，其安全風(fēng)險度大于砼材料大壩。與此同時，隨著社會的深入發(fā)展，各個行業(yè)都逐漸重視并提升風(fēng)險管控意識、技術(shù)和設(shè)施。水資源和水電能源在社會產(chǎn)業(yè)鏈中處于基礎(chǔ)位，大壩又是水資源和水電能源的核心基礎(chǔ)設(shè)施，提升安全管理的質(zhì)量和水平，逐漸成為理所當(dāng)然的現(xiàn)實需求。

這些數(shù)量眾多的土石壩中，由于歷史原因和成本因素，相當(dāng)多的工程缺乏甚至沒有配置基本的安全監(jiān)測系統(tǒng)，使這類大壩的安全風(fēng)險管控處于無本之木、無源之水的尷尬境地。當(dāng)前我國的大壩安全監(jiān)測手段雖具有較先進(jìn)的技術(shù)性和較大的可靠性，但對于數(shù)量非常龐大的中、小型土石壩工程來講，建設(shè)傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和長久運行的成本，是不可承受的，因此有必要研發(fā)一種運行成本低廉、高集成度、高運行效率、性能可靠的適宜于我國數(shù)量眾多的中小型土石壩工程的安全信息采集集成與管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容及技術(shù)方案

我國中、小型土石壩多承擔(dān)灌溉、供水、保護(hù)環(huán)境等偏公益性質(zhì)的任務(wù)，工程本身的直接經(jīng)濟(jì)效益有限，其運維多靠政府撥款維持。由于歷史原因及成本因素，這些工程在建設(shè)期多缺乏、甚至根本沒有配置任何的安全監(jiān)測設(shè)施。雖然近20年來進(jìn)行過若干輪次的大規(guī)模除險加固，但因土石壩數(shù)量太多，當(dāng)前仍存在著相當(dāng)?shù)陌踩L(fēng)險，其中最重要的風(fēng)險因素之一，便是缺乏建設(shè)和運行經(jīng)濟(jì)成本合適的集成化安全信息采集系統(tǒng)。

作為工程等級相對較低的中、小型土石壩工程(多指3～5級擋水建筑)，安全管理要求也低于大型工程，只要配置基本可靠的外觀變形監(jiān)測、基本的滲流滲壓監(jiān)測以及全面的“安全巡查”，并對其進(jìn)行安全信息采集和分析，便會大大提升工程安全管控質(zhì)量。

與此同時，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，圖像識別技術(shù)的可靠性大增，在很多行業(yè)已經(jīng)開展應(yīng)用，相關(guān)設(shè)施設(shè)備的成本也快速下降，研發(fā)一套高集成度、低建設(shè)和運行成本、高效可靠的土石壩安全信息采集系統(tǒng)成為了可能。為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本系統(tǒng)采用的技術(shù)方案如下：

基于圖像識別的低成本集成化土石壩安全信息采集系統(tǒng)，包含程控的數(shù)碼拍攝裝置和圖像識別技術(shù)，系統(tǒng)布置如圖1所示。程控的左、右岸采集數(shù)碼相機(jī)分別對稱架設(shè)在土石壩兩岸的基巖穩(wěn)定位置的架設(shè)桿頂部，通過拍攝獲得監(jiān)控區(qū)域的3000萬像素的高分辨率數(shù)碼圖像，對圖像進(jìn)行智能識別獲得土石壩安全相關(guān)的監(jiān)測點變形、水庫水位、滲流量水堰水位、安全巡視等各項信息，從而完成對土石壩安全信息的集成化采集，然后在此基礎(chǔ)上自動進(jìn)行安全分析與管理。

圖1 系統(tǒng)布置示意圖(下游空中俯瞰)

根據(jù)當(dāng)前GB/T12979—2008《近景攝影測量規(guī)范》對于大型目標(biāo)20～300m尺度的定義，本系統(tǒng)適用于壩軸線距離恰當(dāng)?shù)耐潦瘔?，多?shù)傳統(tǒng)中、小型土石壩工程可滿足；當(dāng)壩軸線長度在100m以內(nèi)時，能夠經(jīng)過優(yōu)化，在左岸或右岸單側(cè)設(shè)置一套程控采集數(shù)碼系統(tǒng)即可。數(shù)碼相機(jī)架設(shè)桿的高度以10～20m為宜。

根據(jù)SL551—2012《土石壩安全監(jiān)測規(guī)范》，在土石壩壩身特征位置，諸如代表性斷面、壩頂、岸坡轉(zhuǎn)折處、下游壩坡特征點處等位置設(shè)置壩體的水平、垂直變形測點，即本系統(tǒng)的變形監(jiān)測點。這些點位與高空架設(shè)的程控左、右岸采集數(shù)碼相機(jī)完全通視，相應(yīng)側(cè)拍攝中全部直接可見。在兩岸岸坡穩(wěn)定位置(不動點，最好是基巖)分別各設(shè)置2～5個可通視的變形標(biāo)定點；變形監(jiān)測點和變形標(biāo)定點均按照GB/T12979—2008設(shè)置明顯的固定標(biāo)志，能夠被光學(xué)精確捕捉，如圖2所示的系統(tǒng)平面圖。

圖2 系統(tǒng)平面圖

3 系統(tǒng)運行方式

根據(jù)程序控制設(shè)定，每一輪監(jiān)測啟動后，右岸采集數(shù)碼相機(jī)照準(zhǔn)右岸量測范圍，左岸采集數(shù)碼相機(jī)照準(zhǔn)左岸量測范圍，同步獲得高分辨率圖像，圖像自動無線傳輸至后臺進(jìn)行圖像識別處理；圖像處理時，以兩岸變形標(biāo)定點為基準(zhǔn)，批量解算獲得各監(jiān)測點當(dāng)前坐標(biāo)值，與本系統(tǒng)采集的各監(jiān)測點初始坐標(biāo)值相減，得到本次監(jiān)測的變形量，完成本輪監(jiān)測的變形監(jiān)測部分。

程控采集數(shù)碼相機(jī)的每一次攝取圖像里，以圖像識別技術(shù)判讀出上游水庫水標(biāo)尺的刻度數(shù)獲得庫水位，同時判讀出壩體滲漏量水堰刻度通過計算獲得大壩滲漏流量。為了相機(jī)遠(yuǎn)距離拍攝清楚量水堰水位，可加大堰板厚度，堰口斜面上布置有溫度敏感變色水標(biāo)尺，上方架設(shè)水標(biāo)尺光學(xué)放大鏡，如圖3所示。作為非常規(guī)的厚壁堰，應(yīng)對其流量系數(shù)進(jìn)行專門標(biāo)定。對于大壩滲漏流量監(jiān)測精度要求特別高的工程，可以在量水堰水標(biāo)尺上方另設(shè)置攝像頭，單獨獲取高清晰度圖像進(jìn)行高精度水位刻度識別。

本系統(tǒng)同時集成典型監(jiān)測斷面內(nèi)部的若干滲壓測點及其滲壓計如圖4所示，同步程控采集滲壓數(shù)據(jù)，與壩體滲漏量測讀形成完整的滲壓監(jiān)測系統(tǒng)。

圖3 量水堰詳圖

圖4 典型監(jiān)測斷面橫剖面圖

左右岸高空架設(shè)的程控數(shù)碼采集相機(jī)的每一次攝取圖像里，以圖像識別技術(shù)對其各自照準(zhǔn)范圍內(nèi)的大壩壩體、壩坡、上游水庫庫面、上下游庫岸、近壩趾河床等部位的安全特征信息，諸如開裂、大變形、滲漏變濕顏色加深、庫水面狀況、泄水建筑及其設(shè)施設(shè)備狀況、岸坡崩塌變形或滲漏、外來閑雜動物、恐怖襲擊等等異常進(jìn)行識別、判讀，從而代替人工，獲取重要的“巡檢”安全信息。

外觀變形監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測、巡視檢查三類安全信息均程控自動采集，自動無線回傳后臺，進(jìn)行自動化處理、分析，閾值以內(nèi)為正常，整個過程無人值守；超過閾值的情況，系統(tǒng)即時自動將結(jié)論和關(guān)鍵信息傳輸給區(qū)域大壩安全管理員，啟動人工介入干預(yù)，距離大壩最近的安全員迅速趕赴大壩現(xiàn)場，核實系統(tǒng)的安全狀況，按照規(guī)范啟動對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)帶來的有益效果，首先因為系統(tǒng)集成度高，綜合建設(shè)成本低廉；其次因包含圖像識別等人工智能和自動化后臺處理技術(shù)，在確保系統(tǒng)滿足工程所需精度和可靠性的前提下，可以無人值守，運行成本低廉，從而做到系統(tǒng)綜合運行成本低，可以大大提升我國數(shù)量龐大的中、小型土石壩工程的安全管理質(zhì)量，為應(yīng)對行業(yè)安全風(fēng)險，為一方社會安全均起到了至關(guān)重要的作用。