溫 旋

(江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚州 225002)

作為水利工程中重要組成部分，水庫堤壩在整個水利系統(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)濟效益和社會效益。近幾年，水利行業(yè)迅速崛起，在國家政策的扶持、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)達到6894.36億m2，水利工程已經(jīng)達到一個比較高的水平[1]。受到水利工程質(zhì)量、自然環(huán)境、施工條件等因素影響，水庫堤壩會存在一定的安全隱患，比如水庫堤壩滲漏，這一安全隱患會隨著時間的增加而愈演愈烈，當滲漏數(shù)量、滲漏量超出一定標準時，會嚴重影響到水庫功能正常發(fā)揮，嚴重情況還會導(dǎo)致水庫堤壩上游和下游邊坡失穩(wěn)，造成嚴重的社會經(jīng)濟損失。為了解決這一問題，保證水庫堤壩的穩(wěn)定性和安全性，需要對水庫堤壩滲透點進行定期檢測，及時掌握水庫堤壩滲漏情況，對滲漏點進行修復(fù)。由于國內(nèi)水庫堤壩滲漏點檢測研究起步比較晚，相關(guān)理論與技術(shù)還不夠成熟，現(xiàn)有的檢測方法在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)錯誤檢測現(xiàn)象，誤檢率較高，不能滿足水庫堤壩滲漏點檢測在精度方面的需求，使得水庫堤壩運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技術(shù)的水庫堤壩滲漏點檢測方法，以期提高監(jiān)測精度，促進水利工程的使用安全。

1 水庫堤壩滲漏點檢測方法設(shè)計

1.1 水庫堤壩聲納探測

根據(jù)水庫堤壩滲漏點檢測需求，本次采用聲納探測技術(shù)對水庫堤壩滲漏情況進行測量，獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)信息，具體探測過程如下。

測點布設(shè)：測點布設(shè)于水庫堤壩墻前與后兩側(cè)，測線與水庫堤壩軸線平行，在近堤壩水面的15～17m處布設(shè)測線，每隔4.5～5.5m布設(shè)一條，測線上測點間隔距離為5m。探孔鉆?。涸跍y點位鉆取鉆孔，為了保證檢測效率，并且結(jié)合水庫堤壩修建材質(zhì)，選擇型號為OSFAF-5464鉆機，將鉆機垂直于壩面。鉆孔的作用是使聲納探測儀順利進入到水下進行測量，因此鉆孔孔徑要大于比聲納探測儀寬度，超出數(shù)量不能高于聲納探測儀寬度的一半[2]。鉆孔深度需要根據(jù)實際情況確定。鉆取好鉆孔后，將事先準備好的聲納探測儀放入到鉆孔內(nèi)，對聲納探測儀的坐標進行定位，將聲納探測儀的橫坐標與水庫堤壩的軸線平行，在測量長度內(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標記線，從而形成一個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。聲納探測儀的縱坐標與水庫堤壩面垂直，利用經(jīng)緯儀作垂線，并將縱坐標的控制線選定在兩個相鄰堤壩面的接縫上[3]。聲納探測儀的斜坐標與水庫的水面垂直，聲納探頭在每一個5.5m×5.5m鋼筋網(wǎng)格的節(jié)點處實施測量，聲納探測儀斜坐標代表的是測點處的水深。聲納探測儀主要由一個聲納探頭、兩個傳感器個一個讀卡器組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聲納探測示意圖

坐標定位后聲納探頭對四周進行探測，其主要是向四周發(fā)射聲波，聲波經(jīng)過傳播路徑傳播，在傳播過程中會遇到障礙物(水)，遇到障礙物后聲波傳播速度和方向會發(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后，被讀卡器讀取。按照上述流程對各個測點進行探測，將獲取的數(shù)據(jù)上傳到計算機上，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)識別

由于受到一些因素影響，水庫堤壩聲納探測獲取到的數(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)對水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)識別。模糊聚類分析技術(shù)識別目標數(shù)據(jù)，是根據(jù)距離關(guān)聯(lián)對探測數(shù)據(jù)進行模糊處理，假設(shè)聲納探測周期為T，如果聲納探測到的障礙物為靜止狀態(tài)，那么在探測周期內(nèi)障礙物的位置不會發(fā)生改變，這種情況為水庫堤壩不存在滲漏，此時水庫堤壩內(nèi)的水為靜止，當水庫堤壩存在滲漏，水庫堤壩內(nèi)的水會處于流動狀態(tài)，那么在探測周期內(nèi)障礙物的位置會發(fā)生變化[5]?？紤]到聲納探測儀存在一定的探測誤差，因此結(jié)合以上兩種情況，將水庫堤壩內(nèi)的水活動區(qū)域選定在一個圓形區(qū)域m內(nèi)，活動區(qū)域的半徑為r，該參數(shù)決定聲納探測數(shù)據(jù)的精度。假設(shè)在聲納探測周期內(nèi)，水的流動方向與速度是恒定不變的，并且運動狀態(tài)不會發(fā)生隨意變化，但是在不同的探測周期上水的流動方向與速度又是可變的，此時就符合水庫堤壩滲漏條件，那么有：

(1)

式中，v(t)—在時刻t水庫堤壩內(nèi)水的流動速度；v(t+1)—在下一時刻水庫堤壩內(nèi)水的流動速度；L(t)—在時刻t水庫堤壩內(nèi)水的流動方向；L(t+1)—在下一時刻水庫堤壩內(nèi)水的流動方向[6]。已知水庫堤壩內(nèi)水的坐標位置，根據(jù)公式(1)可以確定在n個探測周期后水的坐標位置。當水庫堤壩內(nèi)沒有存在滲漏，堤壩內(nèi)的水是沿著m周邊做運動時，此時水的流動距離最遠，將其作為距離閾值，其計算公式為：

(2)

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

α≥d?g

(3)

式中，?—探測數(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探測數(shù)據(jù)分類處理，并對探測數(shù)據(jù)集的權(quán)重因子進行迭代更新，將探測數(shù)據(jù)帶入到公式(3)中，如果關(guān)系成立，則滲漏數(shù)據(jù)識別輸出為1，表示該組數(shù)據(jù)與歷史觀測數(shù)據(jù)不相關(guān)，水庫堤壩內(nèi)水的流動距離大于距離閾值，在該探測周期內(nèi)水的流動方向與速度發(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)識別輸出為0，表示該組數(shù)據(jù)與歷史觀測數(shù)據(jù)相關(guān)，水庫堤壩內(nèi)水的流動距離小于距離閾值，在該探測周期內(nèi)水的流動方向與速度沒有發(fā)生變化，數(shù)據(jù)集為非水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)。按照上述標準對獲取到的聲納探測數(shù)據(jù)進行分類，識別到目標數(shù)據(jù)。

1.3 水庫堤壩滲漏場擬合分析

利用識別到的水庫堤壩滲漏數(shù)據(jù)，對水庫堤壩滲漏場進行擬合分析，確定具體滲漏情況。當聲波遇到不同的障礙物，傳播路徑與傳播速度會發(fā)生改變，順流方向聲波的傳播路徑更長，傳播速度也會更大，而逆流方向聲波的傳播路徑則會減小，傳播速度也會降低。假設(shè)聲納探測儀上兩個傳感器為A與B，聲波在兩個傳感器之間傳播，利用聲波的傳播關(guān)系，對測點處水的流動速度進行計算，其計算公式為：

(4)

式中，U—測點處水流體通過兩個傳感器之間聲道上的流動速度；H—聲波在兩個傳感器之間聲道上的傳播路徑長度；B—聲波在兩個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傳播時間；Q—聲波從傳感器B向傳感器A傳播時間[9]。利用上述公式計算出水庫堤壩滲漏速度，再根據(jù)聲波傳播路徑長度，計算出水庫堤壩滲漏面積，其計算公式為：

(5)

式中，S—水庫堤壩滲漏面積；N—水庫堤壩滲漏點數(shù)量；z—兩個傳感器之間的間距[10]。利用上述公式計算出水庫堤壩滲漏面積，從而實現(xiàn)基于聲納探測技術(shù)的水庫堤壩滲漏點檢測。

2 實驗論證分析

實驗以某水庫堤壩為實驗對象，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)計方法與傳統(tǒng)方法對該水庫堤壩滲漏點進行檢測。根據(jù)該水庫堤壩實際情況，此次選擇的聲納探測儀型號為AFGET-4641HC，布置測線16條，測點數(shù)量為162個，其中水庫堤壩墻前測點82個，水庫堤壩墻后測點80個，測量面積為12643m2，測線長度為60m，鉆孔孔徑大小為45.55mm，鉆孔深度為23～28m，具體見表1。

表1 聲納檢測孔布設(shè)情況

實驗中聲納探測儀測量數(shù)據(jù)量為16.42GB，識別到滲漏數(shù)據(jù)為5.62GB，通過對滲漏數(shù)據(jù)分析，檢測到該水庫堤壩滲漏點數(shù)量共1031個，其中集中滲漏點462個，強滲漏點264個，其余為緩滲漏點。將檢測結(jié)果與水庫堤壩滲漏監(jiān)測情況對比，計算出兩種方法誤檢率，將其作為此次實驗唯一指標，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 兩種方法誤檢率對比

通過對上表中數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：設(shè)計方法在本次實驗中誤檢率平均為0.15%，最高誤檢率僅為0.36%，最小誤檢率可以達到0.06%，說明設(shè)計方法在應(yīng)用中水庫堤壩滲漏點錯誤檢測次數(shù)較少，具有較高的檢測精度，檢測結(jié)果基本與水庫堤壩滲漏情況基本一致；而傳統(tǒng)方法在本次實驗中誤檢率平均為7.16%，最高誤檢率為9.14%，最小誤檢率為5.29%，遠遠高于設(shè)計方法，實驗結(jié)果證明，在檢測精度方面，設(shè)計方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，更適用于水庫堤壩滲漏點檢測。

3 結(jié)語

此次將聲納探測技術(shù)應(yīng)用到水庫堤壩滲漏點檢測中，提出一種新的水庫堤壩滲漏點檢測思路，并通過實驗驗證了該思路的可行性，有效提高了水庫堤壩滲漏點檢測精度，解決了水庫堤壩滲漏點誤檢率高的問題，能夠為水庫堤壩滲漏修復(fù)提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。