土石堤壩滲漏診斷——基于電阻率圖像對比識別技術

我國土石堤壩多建于20世紀四五十年代,建設等級低,質量差,目前大多數在帶“病”運行,存在極大的安全隱患,極易產生由滲漏引起的潰壩,可能給人民生命財產帶來不可估量的損失。為系統解決目前基于電阻率成像的土石堤壩滲漏診斷中存在的問題,提供更好、更全面的診斷方法和依據,本書對土石堤壩三維電場分布規律,尤其是含隱患非均質土石堤壩的三維電場分布規律展開研究,重點研究土石堤壩滲流場演變過程中三維電場的變化規律,提出土石堤壩滲漏識別的診斷方法,研究結果可為土石堤壩的隱患探測提供評價參考指標和科學決策依據。
本書共分為6章。第1章從土石堤壩滲漏入手,梳理和分析了國內外的研究成果;第2章對土石壩不同滲漏隱患進行概化,建立了土石堤壩三維電場分析的數學模型;第3章采用有限元計算程序,對不同隱患體三維電場分布進行數值模擬,得到了均質土石堤壩和含隱患非均質土石堤壩三維電場分布的響應特征;第4章以孔隙率為基礎,建立了滲流場與電場的關聯模型,基于模型確定了土石堤壩滲透破壞時電阻率與臨界水力比降之間的關系,研究了土石堤壩壩體滲透過程中三維電場隨滲流場的變化特性和變化規律,獲得了滲流場中不同隱患體的電場響應特征;第5章通過神經網絡學習對監測得到的海量圖片進行隱患篩選,采用Canny邊緣檢測、霍夫直線檢測、圖像色彩空間轉換、色彩空間分離等圖像對比算法,實現了土石堤壩不同時刻電阻率的圖像對比,得到了電阻率圖像色素閾值的變化率,給出了土石堤壩滲漏破壞的圖像識別方法;第6章提出了基于土石堤壩三維電場分布的滲漏診斷技術。為更好地驗證前述工作的可行性、可靠性及準確性,將研究成果進行了實際工程應用。同時,書中也提出了一些值得繼續研究和探討的問題。
本書內容以王日升的博士論文《土石堤壩三維電場分布規律及滲漏診斷方法》為主要框架,同時結合了山東交通學院博士基金項目(編號：BS201902015)《基于圖像對比技術土石堤壩滲漏診斷研究》、(編號：J20170002)《高密度電法對高邊坡穩定性實時監控和自動預警技術研究》的部分科研成果?；陔娮杪蕡D像對比的技術在泰東高速建設項目中用于監測施工現場的邊坡滑塌探查,取得了良好的應用效果。
本書由山東交通學院王日升策劃和定稿,由山東交通學院李居銅、趙之仲和泰安市公路事業發展中心申威參與編寫。
本書編寫過程中得到了研究生申靖琳、陳飛鵬、陳雯雯、許茂林、李夢晨、何益龍、趙碩、陳旭在資料整理、版式調整和文字校核等方面的幫助,在此一并致謝!
由于作者水平所限,書中難免會出現不足之處,懇請使用本書的廣大師生和同行專家批評指正。

著者
2020年3月

本書首先研究了土石堤壩隱患三維電場分布規律及滲流場演變過程的三維電場變化規律,然后從土石堤壩檢測電阻率圖像入手, 通過卷積神經網絡學習, 將土石堤壩滲漏監測的海量圖片進行隱患自動篩選, 采取電阻率圖像對比技術, 獲取了對比電阻率圖像中隱患體色素閾值的變化率, 結合土石堤壩飽和滲透破壞的電阻率變化率, 給出了基于土石堤壩三維電場分布的滲漏診斷方法。附錄給出了診斷過程實施的核心代碼。
本書可作為水利工程專業高年級本科生和研究生的學習參考書, 也可供相關領域技術人員和科研工作者閱讀參考。

第1 章　緒論                      1
1.1 國內土石堤壩現狀                    2
1.2 電阻率成像技術                     2
1.3 土石堤壩壩體材料電阻率特性               5
1.4 土石堤壩滲流和滲漏診斷方法               6
1.5 土石堤壩電場分布規律                  9

第2 章　土石堤壩三維電場隱患分析         11
2.1 土石堤壩主要隱患類型                 12
2.1.1 壩體貫通型滲漏通道隱患              12
2.1.2 動物洞穴及植物根系形成壩體隱患          13
2.1.3 壩體護坡老化破壞隱患               13
2.2 土石堤壩典型隱患的概化模型              14
2.2.1 壩體滲漏通道簡化模型               14
2.2.2 壩體洞穴及裂縫簡化模型              16
2.3 含隱患土石堤壩三維電場分析模型            16
2.3.1 點源場中均質堤壩三維電場             16
2.3.2 點源場中堤壩裂縫三維電場             18
2.3.3 點源場中堤壩洞穴三維電場             21
2.3.4 點源場中堤壩滲漏通道三維電場           27

第3 章　土石堤壩三維電場分布規律的數值模擬   31
3.1 三維點源電場的邊值及變分問題             32
3.1.1 總電位的邊值問題                      32
3.1.2 異常電位的邊值問題                     34
3.1.3 總電位的變分問題                      36
3.1.4 異常電位的變分問題                     37
3.2 三維電場分布的有限元求解                     37
3.2.1 總電位的計算                        38
3.2.2 異常電位的計算                       39
3.3 三維電場分布的有限元模擬實現                  41
3.3.1 Delphi語言開發環境                     41
3.3.2 三維電場模擬分析的實現過程                 42
3.3.3 三維電場模擬分析的加速優化                 43
3.3.4 三維電場模擬分析算例                    46
3.4 三維電場分布規律的數值計算與分析                49
3.4.1 土石壩體材料電阻率變化規律                 49
3.4.2 均質堤壩三維電場分布數值模擬                51
3.4.3 含裂縫堤壩三維電場數值模擬                 54
3.4.4 含洞穴堤壩三維電場數值模擬                 57
3.4.5 含滲漏通道堤壩三維電場數值模擬               62

第4 章　土石堤壩滲流場演變過程中三維電場變化規律研究   67
4.1 土石介質吸水飽和過程中的電阻率變化特性試驗           68
4.1.1 試驗材料及模型制作                     69
4.1.2 試驗原理與方法                       71
4.1.3 試驗測試步驟與程序                     72
4.1.4 土石介質飽水過程中的電阻率響應特征分析           73
4.1.5 土石復合介質電阻率隨飽和度變化規律             78
4.2 均質土石堤壩滲流場演變與三維電場數值模擬            81
4.2.1 均質堤壩滲流水頭與電阻率關聯模型的建立           81
4.2.2 均質堤壩壩體模型生成                    83
4.2.3 均質堤壩壩體滲透演變過程模擬分析              85
4.2.4 均質堤壩滲流場演變與電場變化規律分析            87
4.3 含不同隱患類型堤壩滲流場及三維電場數值模擬           98
4.3.1 基于滲漏通道滲流場分布的三維電場響應特征分析        98
4.3.2 基于孔洞隱患滲流場分布的三維電場響應特征分析        101
4.4 基于滲流場演變的土石堤壩三維電場變化規律分析          105

第5 章　土石堤壩電阻率圖像處理與識別方法        109
5.1 土石堤壩電阻率圖像的特征及基本要求               110
5.2 土石堤壩電阻率圖像的預處理方法                 111
5.2.1 基于卷積神經網絡場景標注                  111
5.2.2 土石堤壩電阻率圖像灰度化處理                116
5.3 土石堤壩電阻率圖像的識別方法研究                118
5.3.1 基于Canny邊緣檢測算法的圖像邊界確立            118
5.3.2 土石堤壩電阻率圖像的霍夫直線檢測算法            122
5.3.3 土石堤壩電阻率圖像色彩空間轉換及色彩分離          124
5.3.4 土石堤壩電阻率圖像對比的實現流程              124

第6 章　基于土石堤壩三維電場分布的滲漏診斷方法及工程應用       127
6.1 基于土石堤壩三維電場分布的滲漏診斷方法             128
6.1.1 基于土石堤壩三維電場分布的滲漏診斷流程           128
6.1.2 土石堤壩三維電場測試系統與技術要求             128
6.1.3 土石堤壩三維電場現場數據采集與分析             130
6.1.4 土石堤壩三維電阻率圖像處理與識別              130
6.1.5 土石堤壩滲漏診斷與評價                   133
6.2 工程應用                            134
6.2.1 工程概況                          134
6.2.2 現場電法測試                        134
6.2.3 測試數據處理                        136
6.2.4 電阻率圖像識別                       140
6.2.5 滲漏診斷與結果評判                     147

附錄                              149
附錄1 有限元正演模擬節點編號代碼                  150
附錄2 土石復合介質生成代碼                     153
附錄3 電阻率圖像對比識別算法核心代碼                157

參考文獻                            161