付永帥

(北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計院有限公司，北京 102600)

0 引言

目前建設(shè)的水利樞紐工程均使用滲透材料提升大壩的滲透性，但依然存在一定滲透風(fēng)險[1]。文獻(xiàn)[2]研究使用ABAQUS有限元軟件建立了復(fù)合桶形基礎(chǔ)模型進(jìn)行有限元分析。文獻(xiàn)[3]研究的雙重介質(zhì)水滲流規(guī)律仿真方法。文獻(xiàn)[4]研究在不同河水水頭差下的水利樞紐工程的地基剪切帶滲透破壞性。但文獻(xiàn)[2]方法在采樣時間跨度較長，不適用于當(dāng)前地基滲流研究模式，而文獻(xiàn)[3]、[4]角度僅適用于河流落差較大區(qū)域，不具備普適性。

因此，本文引入了機(jī)器視覺技術(shù)，創(chuàng)新性地將生態(tài)脆弱區(qū)域二維模型的柱坐標(biāo)系沿著其斷面方向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度后，在地基滲流方程和邊界條件下進(jìn)一步確認(rèn)位置邊界，高效識別水利樞紐工程的生態(tài)脆弱區(qū)域，有針對性地研究該區(qū)域的地基滲透情況，以提升水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域的地基滲流時的安全性。

1 水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)地基滲流仿真

1.1 生態(tài)脆弱區(qū)識別

1.1.1生態(tài)圖像采集與濾波處理

由于水利工程為大宗工程[5]，人工拍攝其區(qū)域圖像難度較大，在此選擇無人機(jī)搭載彩色相機(jī)方式拍攝其區(qū)域圖像，設(shè)置無人機(jī)飛行路線，并使用多架無人機(jī)遙協(xié)同操控完成拍攝任務(wù)。所設(shè)置多自主機(jī)器人系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)，以保證整個系統(tǒng)既適于統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，又滿足系統(tǒng)靈活、快速的需求。多自主機(jī)器人協(xié)同規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)按照分層式結(jié)構(gòu)建立兩種工作模式：事先的離線規(guī)劃由主控單元負(fù)責(zé)，首先獲得協(xié)同任務(wù)，經(jīng)過規(guī)劃器得到具體的行為運(yùn)動規(guī)劃，并分發(fā)給各分系統(tǒng)執(zhí)行單元，相關(guān)的知識域中主要是用于描述各分系統(tǒng)協(xié)商規(guī)則的協(xié)商域，主控單元從外界獲取環(huán)境信息，從各分系統(tǒng)獲取狀態(tài)信息；當(dāng)遇到突發(fā)事件或緊急任務(wù)變更以及主控單元停止工作時，各分系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，單獨(dú)規(guī)劃各自運(yùn)動行為，并從各自的知識域中獲取協(xié)商方式，外界環(huán)境信息由主控單元發(fā)送和自我感知相結(jié)合獲得，主控單元停止工作時，僅靠自我感知獲取信息，各機(jī)器人信息的傳輸由機(jī)器人間的數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)。通過圖搜索法并依靠已知的環(huán)境地圖以及地圖中的障礙物信息，構(gòu)造從起點(diǎn)到終點(diǎn)的可行路徑，優(yōu)先擴(kuò)展深度小的節(jié)點(diǎn)，呈現(xiàn)波狀的搜索方式。

利用無人機(jī)內(nèi)置通信系統(tǒng)將拍攝的水利樞紐工程區(qū)域圖像回傳至地面PC端。受無人機(jī)拍攝環(huán)境的光照度、大氣輻射等因素影響[6-7]，其拍攝的水利樞紐工程圖像存在大量干擾噪聲，使用鄰域平均濾波算法對水利樞紐工程圖像進(jìn)行預(yù)處理，過程如下：

水利樞紐工程圖像內(nèi)存在的噪聲具備不確定性，其噪聲干擾是隨機(jī)的。但干擾噪聲與圖像內(nèi)的像素點(diǎn)之間為對立關(guān)系[8]，其導(dǎo)致圖像內(nèi)鄰近像素點(diǎn)的灰度值存在一定差異。令(i，j)表示水利樞紐工程圖像內(nèi)的像素點(diǎn)，該像素點(diǎn)的真實(shí)灰度值由f(i，j)表示。以(i，j)為原點(diǎn)選取尺寸為N×N的窗口，令該窗口內(nèi)的像素點(diǎn)f(x，y)的集合為A，對該集合進(jìn)行鄰域平均法濾波處理，則像素(i，j)的輸出表達(dá)式如下：

(1)

利用上述公式即可輸出去除噪聲處理后的水利樞紐工程圖像的真實(shí)像素點(diǎn)。對水利樞紐工程圖像內(nèi)所有像素點(diǎn)進(jìn)行此操作后，即可得到無噪聲干擾的圖像。

1.1.2迭代輸出

獲得無噪聲干擾的水利樞紐工程圖像后，使用RBF(Radial Basis Function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別其生態(tài)脆弱區(qū)域。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由若干層構(gòu)成，其中其隱含層內(nèi)存在高斯函數(shù)和輻射狀函數(shù)[9]，可提取圖像區(qū)域特征，而其輸出層內(nèi)則為線性函數(shù)，其輸出的識別結(jié)果線性逼近度極高。使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域過程如下：

利用開窗方法從水利樞紐圖像內(nèi)提取若干子圖像作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練樣本，以剩余圖像作為測試樣本。

第一步：對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行初始化處理。設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為較小且分布均勻的小數(shù)值，且設(shè)置基函數(shù)中心點(diǎn)寬度為最小數(shù)值。

第二步：計算隱含層、輸出層內(nèi)每個神經(jīng)元數(shù)值。

第三步：判斷輸出層輸出值為極小或者最小數(shù)值時，即為識別結(jié)果，反之增加測試樣本數(shù)量反復(fù)迭代直至輸出層輸出值為極小值或最小值為止。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過上述步驟即可識別水利樞紐工程圖像內(nèi)生態(tài)脆弱區(qū)域，為該區(qū)域地基滲流提供計算基礎(chǔ)。

1.2 生態(tài)脆弱區(qū)有限元建模

有限元模型是將連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，每個單元內(nèi)存在有限個節(jié)點(diǎn)，可依據(jù)有限個節(jié)點(diǎn)使用定場函數(shù)計算其未知量在每個單元內(nèi)的近似差值[10-11]，并利用有限元方程組計算整個幾何結(jié)構(gòu)變化數(shù)值。

1.2.1單元方向定位

由于水利樞紐工程輪廓面多為圓弧形，導(dǎo)致其各個單元的方向不統(tǒng)一[12-13]，因此需對其所有單元的局部坐標(biāo)系進(jìn)行方向定位。在生態(tài)脆弱區(qū)域的命令流文件內(nèi)獲取其平面模型，依據(jù)各個單元拼接關(guān)系搜尋互相連接的單元，將各個單元的方向調(diào)整一致[14]。單元方向定位詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 單元方向定位詳細(xì)流程

圖1內(nèi)，單元方向定位以生態(tài)脆弱區(qū)域二維平面模型內(nèi)x方向坐標(biāo)軸內(nèi)取任意2個節(jié)點(diǎn)I、J，在y軸方向選擇節(jié)點(diǎn)L，以3個節(jié)點(diǎn)為正確坐標(biāo)，通過不斷向左或向右旋轉(zhuǎn)生態(tài)脆弱區(qū)域二維平面模型，使方向節(jié)點(diǎn)保持與坐標(biāo)系方向相同即完成生態(tài)脆弱區(qū)域單元方向定位。

1.2.2創(chuàng)新性構(gòu)建生態(tài)脆弱區(qū)域三維模型

對水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域二維模型單元定位完成后，以其圖形信息內(nèi)的線為基礎(chǔ)，使用有限元軟件內(nèi)調(diào)取函數(shù)標(biāo)記圖形內(nèi)線編號和端點(diǎn)坐標(biāo)，生成生態(tài)脆弱區(qū)域二維模型。將該二維模型總體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)系，在Ansys有限元軟件內(nèi)將生態(tài)脆弱區(qū)域二維模型的柱坐標(biāo)系沿著其斷面方向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度后，獲得其周向上的兩個斷面所有節(jié)點(diǎn)，使其二維平面模型的平面單元內(nèi)4個節(jié)點(diǎn)變成三維的8個節(jié)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)后的三維節(jié)點(diǎn)相連形成水利樞紐生態(tài)脆弱區(qū)域三維模型。

為更精準(zhǔn)地模擬水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)地基滲流情況，使用Ansys有限元軟件對水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域分布進(jìn)行簡化處理，其步驟如下：

第一步：去除生態(tài)脆弱區(qū)域圖像內(nèi)的尺寸、中心線等標(biāo)記。調(diào)整區(qū)域位置，使其軸向線與有限元軟件坐標(biāo)軸重合，在隱含層內(nèi)，引入高斯函數(shù)和輻射狀函數(shù)，可提取圖像區(qū)域特征，而其輸出層內(nèi)則為線性函數(shù)，其輸出的識別結(jié)果線性逼近度極高。

第二步：在不影響其其分布區(qū)間狀態(tài)下，去除繁雜的遮擋，并使用網(wǎng)格工具劃分生態(tài)脆弱區(qū)域網(wǎng)格。

第三步：去除區(qū)域相交線過長、過短以及重合部分，保障區(qū)域相交線均首尾相連。

第四步：使用Ansys命令格式生成生態(tài)脆弱區(qū)域的命令流文件。

1.3 地基滲流計算與邊界條件確定

建立好水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)有限元模型后，該模型依據(jù)其地基滲流方程和邊界條件計算其地基滲流情況。

令Ux、Uz分別表示以坐標(biāo)軸x方向和z方向的滲透系數(shù)，則地基滲流的恒定微分表達(dá)式如下：

(2)

式中，O—水頭函數(shù)。

水頭函數(shù)計算公式為：

O=J/ρg+T

(3)

式中，J—單元土體中心位置水壓數(shù)值；ρ—流體密度；g—重力加速度；T—水頭位置。

地基的透水率和滲透系數(shù)是衡量其滲流的重要指標(biāo)[15]，計算地基的透水率和滲透系數(shù)，其表達(dá)公式如下：

(4)

式中，q、Kh—透水率和滲透系數(shù)；Y、L—壓入流量和滲透長度；r—滲透半徑。

依據(jù)上述地基滲流的恒定微分方程以及透水率、透水系數(shù)計算方式可知，地基滲流的邊界僅與其上下游水頭、壓力和滲出端高程相關(guān)，因此其位置邊界和流量邊界條件表達(dá)公式為：

(5)

水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)有限元模型依據(jù)上述滲透計算公式和邊界條件，在其模擬環(huán)境內(nèi)可輸出地基滲透詳細(xì)信息。

2 仿真實(shí)驗分析

以某水利樞紐工程為實(shí)驗對象，該水利樞紐工程為水力發(fā)電工程，兼具泄洪、泥沙攔截功能。其大壩主體與河床均使用土質(zhì)心墻堆砌而成，總高度為188m，大壩頂部橫跨509m，其儲水水位區(qū)間為720～866m。大壩所處位置為U形峽谷地貌，河床底部為若干層漂卵石、卵礫石等石塊與泥沙沉積物。大壩建設(shè)材料的滲透系數(shù)見表1。

表1 大壩建設(shè)材料滲透系數(shù)

依據(jù)該水利樞紐工程的大壩建設(shè)材料滲透系數(shù)和規(guī)模，使用本文方法構(gòu)建該水利樞紐工程生態(tài)脆弱地區(qū)有限元模型并模擬其地基滲流情況。圖2為本文方法構(gòu)建的該水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域有限元模型。

圖2 水利樞紐工程生態(tài)脆弱地區(qū)有限元建模模型

2.1 水利樞紐工程生態(tài)圖像預(yù)處理測試

以無人機(jī)搭載彩色攝像機(jī)采集的一組水利樞紐工程航拍圖像為實(shí)驗對象，使用本文方法對其進(jìn)行去除噪聲干擾預(yù)處理，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水利樞紐工程生態(tài)圖像預(yù)處理結(jié)果

分析圖3可知，無人機(jī)搭載彩色攝像機(jī)拍攝到的水利樞紐工程初始圖像亮度不夠，圖像整體基調(diào)較灰暗，且河道邊緣受干擾噪聲的存在不夠清晰。而經(jīng)過本文方法對其進(jìn)行去除干擾噪聲處理后，水利樞紐工程圖像明暗度得到較好的提升且圖像色彩鮮明，輪廓邊緣清晰，其對比度和飽和度均較初始圖像增強(qiáng)較大。上述結(jié)果說明本文方法具備良好地圖像處理功能，可有效地為水利樞紐工程生態(tài)脆弱地區(qū)的識別提供圖像基礎(chǔ)。

2.2 生態(tài)脆弱地區(qū)識別測試

以該水利樞紐工程一組堤壩圖像為實(shí)驗對象，使用本文方法識別其生態(tài)脆弱區(qū)域，識別結(jié)果詳如圖4所示。

圖4 水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域識別結(jié)果

分析圖4可知，該水利樞紐工程的生態(tài)脆弱區(qū)域位于河流堤壩的迎水面和河流流向變更區(qū)域，其迎水面的河堤位置的生態(tài)脆弱區(qū)域相對較小，而河流流向變更處則受水流向改變的水頭沖擊力影響其生態(tài)脆弱區(qū)域則較大。而本文方法對該水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域識別范圍與其實(shí)際位置完全相符，表明本文方法識別能力較強(qiáng)，可為研究其地基滲流提供支持。

2.3 有限元建模效果測試

以單元方向定位作為衡量本文方法有限元建模能力指標(biāo)，以水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域有限元正方形單元為實(shí)驗對象測試本文方法構(gòu)建的水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域模型能力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 單元方向定位測試結(jié)果

分析圖5可知，在未進(jìn)行定位前，該單元頂點(diǎn)分布為傾斜狀態(tài)。而經(jīng)過本文方法進(jìn)行方向定位后，將其由傾斜狀態(tài)變?yōu)檎驙顟B(tài)，且圖形保持較好完整度。上述結(jié)果說明本文方法具備較強(qiáng)的有限元建模單元方向定位能力，可充分輔助模擬水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域地基滲流情況。

2.4 生態(tài)脆弱區(qū)域滲流分析

使用本文方法仿真該水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域在其分流時的壩體水流浸潤線分布情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 壩體水流浸潤線

在圖6內(nèi)壩體水流浸潤線最高位置、壩體中部位置和壩體底部設(shè)置3個測試點(diǎn)，使用本文方法仿真其地基滲流不同時間時其滲流的垂直厚度，結(jié)果見表2。

表2 壩體不同浸潤線位置處滲流垂直厚度 單位：mm

分析表2可知，隨著仿真時間的增加，3個測試點(diǎn)滲透時的垂直厚度不斷增加，但仿真時間較短時其垂直厚度增加幅度稍大。隨著仿真時間的增加，3個測試點(diǎn)滲透時的垂直厚度增加極為緩慢。其原因為地面向下土壤結(jié)構(gòu)的變化，該結(jié)構(gòu)上部分為松軟的土壤和砂石混合物，而土壤結(jié)構(gòu)越向下其結(jié)構(gòu)越堅硬，因此其滲透性較差。而從3個測試點(diǎn)位置來分析，越靠近壩基頂部位置的測試點(diǎn)其垂直厚度數(shù)值越小，位于壩基底部C測試點(diǎn)的垂直厚度數(shù)值較大。該狀況是因為壩基底部受水壓以及長時間受水浸潤使其滲水了不斷增加，而測試點(diǎn)B和A位置相對受的水壓和水浸潤時間數(shù)值均較小，其垂直滲透厚度則較短。

從3個測試點(diǎn)的滲流橫向帶寬空間分布角度分析其生態(tài)脆弱區(qū)域滲流特征，結(jié)果如圖7所示。

圖7 測試點(diǎn)滲流橫向帶寬分布情況

分析圖7可知，測試點(diǎn)越靠近壩基底部，其橫向滲透帶寬數(shù)值越大。在3個測試點(diǎn)中，測試點(diǎn)A和測試點(diǎn)B的橫向滲透帶寬數(shù)值相差較少，而測試點(diǎn)C的橫向滲透帶寬最大接近14mm，其原因與測試點(diǎn)所處位置和土層結(jié)構(gòu)均相關(guān)，總體原因與滲流垂直厚度不同原因相同。

綜合上述兩個仿真實(shí)驗結(jié)果，水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域地基滲流的垂直厚度和滲流橫向帶寬均受滲透位置和土層結(jié)構(gòu)影響較大，且越靠近堤壩底部位置處其滲透垂直厚度和橫向帶寬數(shù)值越大。

當(dāng)水利樞紐工程泄洪或者間歇發(fā)電時，會向下游排放大量水源，河流堤壩內(nèi)的水壓不盡相同，仿真在不同水壓情況下，3個測試點(diǎn)滲流量變化情況，結(jié)果見表3。

表3 不同水壓時3個測試點(diǎn)滲流量變化情況 單位：L/min

分析表3可知，水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域地基滲流時的滲流量與其水壓成正相關(guān)關(guān)系，而越靠近壩基底部位置其滲流量區(qū)間越大。雖然水壓上升的跨度相同，但3個測試點(diǎn)的滲流量區(qū)間表現(xiàn)為成千倍上升。

3 結(jié)論

本文將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用到水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)域地基滲流研究過程中，以無人機(jī)搭載攝像機(jī)方式獲取水利樞紐工程區(qū)域圖像，拍攝水利樞紐工程區(qū)域圖像，構(gòu)建水利樞紐工程生態(tài)脆弱區(qū)有限元模型，將柱坐標(biāo)系沿著其斷面方向旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度后，二次優(yōu)化圖像預(yù)處理能力、三維模型構(gòu)建能力，進(jìn)一步確認(rèn)位置邊界，模擬其地基滲流情況，通過實(shí)驗呈現(xiàn)了本文方法所獲取的識別結(jié)果，包括壩體水流浸潤線、壩體不同浸潤線位置處滲流垂直厚度、滲流橫向帶寬空間分布角度、滲流量變化情況，以供研究人員參考，保證生態(tài)脆弱區(qū)地基滲流仿真分析效果，助力水利樞紐工程生態(tài)保護(hù)。