溫 旋

(江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002)

作為水利工程中重要組成部分，水庫堤壩在整個(gè)水利系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，其具有泄洪、防洪、灌溉以及城鄉(xiāng)供水等功能，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近幾年，水利行業(yè)迅速崛起，在國(guó)家政策的扶持、政府的領(lǐng)導(dǎo)下，水利工程數(shù)量和質(zhì)量正在不斷提升，截至到2017年，國(guó)內(nèi)已經(jīng)修建完整并投入使用的水庫堤壩共13.26萬余座，其中中大型水庫堤壩占46.41%，水庫容量已經(jīng)達(dá)到6894.36億m2，水利工程已經(jīng)達(dá)到一個(gè)比較高的水平[1]。受到水利工程質(zhì)量、自然環(huán)境、施工條件等因素影響，水庫堤壩會(huì)存在一定的安全隱患，比如水庫堤壩滲漏，這一安全隱患會(huì)隨著時(shí)間的增加而愈演愈烈，當(dāng)滲漏數(shù)量、滲漏量超出一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響到水庫功能正常發(fā)揮，嚴(yán)重情況還會(huì)導(dǎo)致水庫堤壩上游和下游邊坡失穩(wěn)，造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。為了解決這一問題，保證水庫堤壩的穩(wěn)定性和安全性，需要對(duì)水庫堤壩滲透點(diǎn)進(jìn)行定期檢測(cè)，及時(shí)掌握水庫堤壩滲漏情況，對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。由于國(guó)內(nèi)水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)研究起步比較晚，相關(guān)理論與技術(shù)還不夠成熟，現(xiàn)有的檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)現(xiàn)象，誤檢率較高，不能滿足水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)在精度方面的需求，使得水庫堤壩運(yùn)行存在一定的安全隱患。

為了解決上述問題，本文提出基于聲納探測(cè)技術(shù)的水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)方法，以期提高監(jiān)測(cè)精度，促進(jìn)水利工程的使用安全。

1 水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 水庫堤壩聲納探測(cè)

根據(jù)水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)需求，本次采用聲納探測(cè)技術(shù)對(duì)水庫堤壩滲漏情況進(jìn)行測(cè)量，獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)信息，具體探測(cè)過程如下。

測(cè)點(diǎn)布設(shè)：測(cè)點(diǎn)布設(shè)于水庫堤壩墻前與后兩側(cè)，測(cè)線與水庫堤壩軸線平行，在近堤壩水面的15～17m處布設(shè)測(cè)線，每隔4.5～5.5m布設(shè)一條，測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間隔距離為5m。探孔鉆?。涸跍y(cè)點(diǎn)位鉆取鉆孔，為了保證檢測(cè)效率，并且結(jié)合水庫堤壩修建材質(zhì)，選擇型號(hào)為OSFAF-5464鉆機(jī)，將鉆機(jī)垂直于壩面。鉆孔的作用是使聲納探測(cè)儀順利進(jìn)入到水下進(jìn)行測(cè)量，因此鉆孔孔徑要大于比聲納探測(cè)儀寬度，超出數(shù)量不能高于聲納探測(cè)儀寬度的一半[2]。鉆孔深度需要根據(jù)實(shí)際情況確定。鉆取好鉆孔后，將事先準(zhǔn)備好的聲納探測(cè)儀放入到鉆孔內(nèi)，對(duì)聲納探測(cè)儀的坐標(biāo)進(jìn)行定位，將聲納探測(cè)儀的橫坐標(biāo)與水庫堤壩的軸線平行，在測(cè)量長(zhǎng)度內(nèi)，沿著水庫堤壩兩端，在岸邊埋設(shè)好鋼筋，每隔5.5m埋設(shè)一根鋼筋，使用螺栓將鋼筋錨固，將其固定好間距為5.5m標(biāo)記線，從而形成一個(gè)5.5m×5.5m的網(wǎng)格，控制線選定在5.5m×5.5m鋼筋網(wǎng)格上方。聲納探測(cè)儀的縱坐標(biāo)與水庫堤壩面垂直，利用經(jīng)緯儀作垂線，并將縱坐標(biāo)的控制線選定在兩個(gè)相鄰堤壩面的接縫上[3]。聲納探測(cè)儀的斜坐標(biāo)與水庫的水面垂直，聲納探頭在每一個(gè)5.5m×5.5m鋼筋網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)處實(shí)施測(cè)量，聲納探測(cè)儀斜坐標(biāo)代表的是測(cè)點(diǎn)處的水深。聲納探測(cè)儀主要由一個(gè)聲納探頭、兩個(gè)傳感器個(gè)一個(gè)讀卡器組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聲納探測(cè)示意圖

坐標(biāo)定位后聲納探頭對(duì)四周進(jìn)行探測(cè)，其主要是向四周發(fā)射聲波，聲波經(jīng)過傳播路徑傳播，在傳播過程中會(huì)遇到障礙物(水)，遇到障礙物后聲波傳播速度和方向會(huì)發(fā)生改變，最終被傳感器接收[4]。傳感器接收到反射聲波信號(hào)后，被讀卡器讀取。按照上述流程對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，將獲取的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)上，用于后續(xù)水庫堤壩滲漏擬合分析。

1.2 水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)識(shí)別

由于受到一些因素影響，水庫堤壩聲納探測(cè)獲取到的數(shù)據(jù)并非全部為滲漏相關(guān)數(shù)據(jù)，其中還存在大量無效數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)，為了保證后續(xù)水庫堤壩滲漏擬合分析精度，采用模糊聚類分析技術(shù)對(duì)水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)識(shí)別。模糊聚類分析技術(shù)識(shí)別目標(biāo)數(shù)據(jù)，是根據(jù)距離關(guān)聯(lián)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，假設(shè)聲納探測(cè)周期為T，如果聲納探測(cè)到的障礙物為靜止?fàn)顟B(tài)，那么在探測(cè)周期內(nèi)障礙物的位置不會(huì)發(fā)生改變，這種情況為水庫堤壩不存在滲漏，此時(shí)水庫堤壩內(nèi)的水為靜止，當(dāng)水庫堤壩存在滲漏，水庫堤壩內(nèi)的水會(huì)處于流動(dòng)狀態(tài)，那么在探測(cè)周期內(nèi)障礙物的位置會(huì)發(fā)生變化[5]?？紤]到聲納探測(cè)儀存在一定的探測(cè)誤差，因此結(jié)合以上兩種情況，將水庫堤壩內(nèi)的水活動(dòng)區(qū)域選定在一個(gè)圓形區(qū)域m內(nèi)，活動(dòng)區(qū)域的半徑為r，該參數(shù)決定聲納探測(cè)數(shù)據(jù)的精度。假設(shè)在聲納探測(cè)周期內(nèi)，水的流動(dòng)方向與速度是恒定不變的，并且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不會(huì)發(fā)生隨意變化，但是在不同的探測(cè)周期上水的流動(dòng)方向與速度又是可變的，此時(shí)就符合水庫堤壩滲漏條件，那么有：

(1)

式中，v(t)—在時(shí)刻t水庫堤壩內(nèi)水的流動(dòng)速度；v(t+1)—在下一時(shí)刻水庫堤壩內(nèi)水的流動(dòng)速度；L(t)—在時(shí)刻t水庫堤壩內(nèi)水的流動(dòng)方向；L(t+1)—在下一時(shí)刻水庫堤壩內(nèi)水的流動(dòng)方向[6]。已知水庫堤壩內(nèi)水的坐標(biāo)位置，根據(jù)公式(1)可以確定在n個(gè)探測(cè)周期后水的坐標(biāo)位置。當(dāng)水庫堤壩內(nèi)沒有存在滲漏，堤壩內(nèi)的水是沿著m周邊做運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)水的流動(dòng)距離最遠(yuǎn)，將其作為距離閾值，其計(jì)算公式為：

(2)

公中，d—距離閾值；x1、y1—第一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)探測(cè)到的水的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)；xn、yn—第n個(gè)探測(cè)周期后水的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)[7]。定義模糊相似關(guān)系閾值為α，假設(shè)聲納探測(cè)到的數(shù)據(jù)與歷史探測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的相關(guān)性，則數(shù)據(jù)為目標(biāo)數(shù)據(jù)，其判斷公式為：

α≥d?g

(3)

式中，?—探測(cè)數(shù)據(jù)集的權(quán)重因子；g—加權(quán)函數(shù)[8]。利用模糊相似矩陣對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)分類處理，并對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)集的權(quán)重因子進(jìn)行迭代更新，將探測(cè)數(shù)據(jù)帶入到公式(3)中，如果關(guān)系成立，則滲漏數(shù)據(jù)識(shí)別輸出為1，表示該組數(shù)據(jù)與歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)不相關(guān)，水庫堤壩內(nèi)水的流動(dòng)距離大于距離閾值，在該探測(cè)周期內(nèi)水的流動(dòng)方向與速度發(fā)生了變化，數(shù)據(jù)集為水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)；如果關(guān)系不成立，則滲漏數(shù)據(jù)識(shí)別輸出為0，表示該組數(shù)據(jù)與歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)，水庫堤壩內(nèi)水的流動(dòng)距離小于距離閾值，在該探測(cè)周期內(nèi)水的流動(dòng)方向與速度沒有發(fā)生變化，數(shù)據(jù)集為非水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)。按照上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)獲取到的聲納探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，識(shí)別到目標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.3 水庫堤壩滲漏場(chǎng)擬合分析

利用識(shí)別到的水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)，對(duì)水庫堤壩滲漏場(chǎng)進(jìn)行擬合分析，確定具體滲漏情況。當(dāng)聲波遇到不同的障礙物，傳播路徑與傳播速度會(huì)發(fā)生改變，順流方向聲波的傳播路徑更長(zhǎng)，傳播速度也會(huì)更大，而逆流方向聲波的傳播路徑則會(huì)減小，傳播速度也會(huì)降低。假設(shè)聲納探測(cè)儀上兩個(gè)傳感器為A與B，聲波在兩個(gè)傳感器之間傳播，利用聲波的傳播關(guān)系，對(duì)測(cè)點(diǎn)處水的流動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

(4)

式中，U—測(cè)點(diǎn)處水流體通過兩個(gè)傳感器之間聲道上的流動(dòng)速度；H—聲波在兩個(gè)傳感器之間聲道上的傳播路徑長(zhǎng)度；B—聲波在兩個(gè)傳感器之間聲道上的傳播路的軸向分量；W—聲波從傳感器A向傳感器B傳播時(shí)間；Q—聲波從傳感器B向傳感器A傳播時(shí)間[9]。利用上述公式計(jì)算出水庫堤壩滲漏速度，再根據(jù)聲波傳播路徑長(zhǎng)度，計(jì)算出水庫堤壩滲漏面積，其計(jì)算公式為：

(5)

式中，S—水庫堤壩滲漏面積；N—水庫堤壩滲漏點(diǎn)數(shù)量；z—兩個(gè)傳感器之間的間距[10]。利用上述公式計(jì)算出水庫堤壩滲漏面積，從而實(shí)現(xiàn)基于聲納探測(cè)技術(shù)的水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某水庫堤壩為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該水庫堤壩屬于均質(zhì)土壩，最大壩高為19.62m，最小壩高為16.72m，壩頂高程為176.95m，壩頂寬為5.5m，壩頂軸線長(zhǎng)度為132.65m，上游壩坡坡比為1∶2，中游壩坡坡比為1∶3，下游壩坡坡比為1∶2∶3，水庫總?cè)萘繛?64.61m3，水庫正常蓄水位為156.41m，校核洪水位為176.64m。該水庫堤壩年久失修，經(jīng)常出現(xiàn)滲漏問題，利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該水庫堤壩滲漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)該水庫堤壩實(shí)際情況，此次選擇的聲納探測(cè)儀型號(hào)為AFGET-4641HC，布置測(cè)線16條，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為162個(gè)，其中水庫堤壩墻前測(cè)點(diǎn)82個(gè)，水庫堤壩墻后測(cè)點(diǎn)80個(gè)，測(cè)量面積為12643m2，測(cè)線長(zhǎng)度為60m，鉆孔孔徑大小為45.55mm，鉆孔深度為23～28m，具體見表1。

表1 聲納檢測(cè)孔布設(shè)情況

實(shí)驗(yàn)中聲納探測(cè)儀測(cè)量數(shù)據(jù)量為16.42GB，識(shí)別到滲漏數(shù)據(jù)為5.62GB，通過對(duì)滲漏數(shù)據(jù)分析，檢測(cè)到該水庫堤壩滲漏點(diǎn)數(shù)量共1031個(gè)，其中集中滲漏點(diǎn)462個(gè)，強(qiáng)滲漏點(diǎn)264個(gè)，其余為緩滲漏點(diǎn)。將檢測(cè)結(jié)果與水庫堤壩滲漏監(jiān)測(cè)情況對(duì)比，計(jì)算出兩種方法誤檢率，將其作為此次實(shí)驗(yàn)唯一指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 兩種方法誤檢率對(duì)比

通過對(duì)上表中數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：設(shè)計(jì)方法在本次實(shí)驗(yàn)中誤檢率平均為0.15%，最高誤檢率僅為0.36%，最小誤檢率可以達(dá)到0.06%，說明設(shè)計(jì)方法在應(yīng)用中水庫堤壩滲漏點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)次數(shù)較少，具有較高的檢測(cè)精度，檢測(cè)結(jié)果基本與水庫堤壩滲漏情況基本一致；而傳統(tǒng)方法在本次實(shí)驗(yàn)中誤檢率平均為7.16%，最高誤檢率為9.14%，最小誤檢率為5.29%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在檢測(cè)精度方面，設(shè)計(jì)方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，更適用于水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)。

3 結(jié)語

此次將聲納探測(cè)技術(shù)應(yīng)用到水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)中，提出一種新的水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)思路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該思路的可行性，有效提高了水庫堤壩滲漏點(diǎn)檢測(cè)精度，解決了水庫堤壩滲漏點(diǎn)誤檢率高的問題，能夠?yàn)樗畮斓虊螡B漏修復(fù)提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。