CN113758645B - 一种堤坝渗漏入口探测装置及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种堤坝渗漏入口探测装置及其探测方法。该探测装置包括水上漂浮平台、层析扫描探测系统、示踪剂释放系统和数据处理系统。该方法包括确定勘察范围，划分勘察网格、规划测量路线、测量待测水域以及示踪剂的电导率、仪器布置、试验测量、数据处理、图像处理与分析、渗漏流速流向计算以及渗漏入口定位等步骤。该方法结合了层析扫描、示踪法、图像变化检测与测速等技术的优点，并通过水上操作平台实现水上工作，极大的提高了针对水库深水库区渗漏通道的探测精度与探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及地质构造地球物理勘探技术领域，特别涉及一种堤坝渗漏入口探测装置及其探测方法。
背景技术
根据2018年《全国水利发展统计公报》，目前我国已建成各类水库98822座，江河水库总长度约31.2万公里，各类海堤近2万余公里。上述水利工程在防洪、发电、供水、灌溉等方面产生了巨大的经济与社会效益。
然而，由于工程设计标准低、建设质量差、年久失修老化等原因，90％以上的水库存在着渗漏，其中30％存在着较为严重的渗漏。当水库内水位上升后，库水可能沿着山体的断层裂隙或者坝体坝基而流失。水库渗流问题是世界各国都面临的问题，渗漏不仅造成了水资源的浪费，而且直接关系到大坝的安全运行。渗透破坏是造成水库等水利工程失稳破坏的最主要因素，在汛期高水位时极易产生管涌、流土、接触冲刷、接触流失等渗透破坏问题，危及城镇、主要交通干线等基础设施以及广大人民群众的生命财产安全。要对水库渗漏病害进行处治，关键的技术问题就是如何准确诊断出渗漏部位和渗漏路径。
在病险水库的渗漏治理中，分析大坝渗漏的原因，查明水库渗流分布及渗漏位置是整个治理过程的关键环节。传统检测方法中，波法信号处理复杂，物探法对水库周边破坏较大且工程量大，传统电法、示踪法都局限于在岸上、岸边进行测量无法实现水上测量，对库区深水处的影响探测有限。
因此，亟需开发一种堤坝渗漏入口探测系统及探测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种堤坝渗漏入口探测装置及其探测方法，以解决现有方法中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的方法方案是这样的，一种堤坝渗漏入口探测装置，包括水上漂浮平台、层析扫描探测系统、示踪剂释放系统和数据处理系统。
所述层析扫描探测系统包括层析扫描探测主机和层析扫描探测电极。所述层析扫描探测主机布置在水上漂浮平台上。被测单元区域预设有N个监测点位。每个监测点位均布置有一个层析扫描探测电极。所述层析扫描探测电极伸入到水下，用于监测电位的发射与接收。所述层析扫描探测电极与层析扫描探测主机相连。所述层析扫描探测主机用于控制探测过程中的放电方式、放电点位、放电次序、供电时间以及停供时间参数，并存储电场响应数据。
所述示踪剂释放系统包括示踪剂存储水箱和示踪剂释放喷头。所述示踪剂存储水箱布置在水上漂浮平台上。所述示踪剂存储水箱存储有示踪剂。被测单元区域预设有M个示踪剂释放点位。每个示踪剂释放点位均布置有一个示踪剂释放喷头。所述示踪剂释放喷头伸入到水下，用于均匀喷洒示踪剂。所述示踪剂释放喷头通过硅胶管与示踪剂存储水箱连接。
进一步，所述水上漂浮平台包括多个箱型浮筒。相邻箱型浮筒通过连接杆和螺栓固定连接。
进一步，所述层析扫描探测系统还包括电池箱。所述电池箱用于为探测过程提供电源。
进一步，所述层析扫描探测电极的端头采用石墨电极或铜电极。
进一步，所述示踪剂释放系统还包括水泵、阀门、连接管、转子流量计以及不同规格的转接头。所述水泵用于提供示踪剂释放的动力源，出流流量通过设置水泵参数进行控制。阀门通过软管与水泵和转子流量计相连，用于控制探测过程中的示踪位置以及各示踪点位上的出流流量。转子流量计位于阀门和水下部分的示踪剂释放喷头之间，用于观测示踪剂释放过程中的流量参数，便于对阀门的开闭程度进行调整。
本发明还公开一种采用上述任意一种堤坝渗漏入口探测装置的探测方法，包括以下步骤：
1)将待开展渗漏探测的水域划分为若干个单元区域。其中，单元区域的尺寸与悬浮平台的大小一致。单元区域的形状设置为多边形。
2)规划测量路线。针对探测位置的不同，沿堤坝边缘或库区内设置测量路线。
3)在起始测量单元区域内布置堤坝渗漏入口探测系统，并记录坐标位置。
4)获取待测单元区域水体的电导率本底值并记录为σ1。
5)在示踪剂存储水箱中配置电导示踪剂。所述电导示踪剂的电导率σ2。其中，σ2＝2σ1～40σ1。
6)向单元区域水体中的示踪剂释放点位喷洒示踪剂。
7)进行单元区域的层析扫描探测，并将所获得的数据存储在层析扫描探测主机中。
8)层析扫描探测数据处理与电阻率分布反演分析。将存储于层析扫描探测主机中的数据导入数据处理系统。建立数值模型网格。选取相应的探测点位，将探测数据融入数值模型中，利用层析扫描方法对预处理后的探测数据进行反演分析，得到单个探测单元水域内的电阻率分布图像。重复上述过程，得到单元水域内不同时刻坝面或者坝底处的电阻率分布图像。
9)渗漏入口的识别与渗漏规模评价。在反演分析得到的探测单元区域内不同时间段内多张电阻率分布图像上选取特征点位并进行标定，利用图像变化检测与测速技术对电阻率分布图片进行处理。通过对比分析多张时序图像中特征点位上的电阻率变化情况，以及不同时刻电阻率分布图像中等值线的形状，边缘波峰、波谷的变化规律，判断待测单元区域内是否存在异常渗漏点。结合各测量组的时间间隔，通过分析得到渗漏入口的位置以及探测区域中水流的流速与流向信息，进而对渗漏规模进行评价。
10)移动水上漂浮平台至下一单元区域，重新布设测量仪器。重复步骤3)～9)直至完成所有待测单元区域的测量。
进一步，所述电导示踪剂的溶质采用氯化钠、氯化钾等电解质。
进一步，步骤7)中，采用层析扫描探测系统测量待测区域内的自然电位值，选定零势点。将探测过程中的放电点负极以及测量点的负极统一连接至零势点。将若干探测电极通过转接线与层析扫描探测主机相连，将电池箱与层析扫描主机相连，开启电池箱开关，测量并记录电池箱输出的初始电压值。开启层析扫描探测主机，进行仪器自检，验证零势点的合理性，同时检测各探测电极的连接是否完好。仪器自检完成后，设置跑极方式、供电时间、停供时间等参数，记录初始电压值。其中，第一次测量需在示踪剂释放20～30分钟后开始，单次层析扫描探测时长约为10～20分钟，连续两次探测间需间隔20～30分钟进行。针对单个单元区域需进行3～8次探测，所获得的数据存储在层析扫描探测主机中。
进一步，步骤8)具体包括以下步骤：
8.1)根据测量单元水域的形状和尺寸建立数值模拟网格。
8.2)利用连续线性估计算法对探测单元区域内待估点的电阻率参数值进行估计。未知电阻率参数的迭代计算公式为如式(1)所示。
式中，uc为待估探测区域内的电阻率参数向量。为参数向量uc在第r+1次的条件估计值。r＝0的参数来源于先验资料。u的估计值在每个迭代步骤逐步由每次刺激作用下电阻率分布的观测值d*以及利用三维电阻率分布正分析模型的模拟值d(r)的差异进行调整。权重系数矩阵ω的计算公式如式(2)所示。
[εdd+λdiag(εdd)]ω＝εdu (2)
式中，εdd为观测数据之间的协方差矩阵。εdu为观测数据与参数之间的协方差矩阵。λ为Levenberg-Marquardt算法动态乘子。diag()运算符代表取对角阵。协方差由敏感度得到：
式中，Jdu为观测数据对探测单元区域电阻率参数变化的敏感度矩阵。参数协方差矩阵εuu在r＝0时由先验电阻率分布信息给出，随后每次迭代按照下式逐步更新：
8.3)重复式(1)的迭代过程，直至得到的参数估计值条件下得到的计算值与探测值之差小到一定的误差允许值，或达到一定的迭代步数。
8.4)将迭代满足条件时得到的电阻率分布利用数值模拟软件导出并保存。
8.5)重复上述过程，得到单元水域内不同时刻坝面或者坝底处的电阻率分布图像。
进一步，步骤9)具体包括以下步骤：
9.1)通过层析扫描技术对数据进行处理与反演分析，得到待测单元水域内电阻率的空间分布特征。
9.2)提取反演分析得到的单元探测区域内电阻率分布图像矩阵。选取特征点，并定位特征点在测量单元内的空间位置。重复步骤直到将同一单元区域的多次测量结果处理完毕。
9.3)进行特征点匹配，计算前后两张反演图片中特征点的匹配度、间隔时间和对应坐标，以及特征点上的电阻率参数。
9.4)流速流向计算。采用式(5)计算各特征点的相关性。
式中，x、y为图像像素坐标。△x为在时间间隔内x方向的位移增量。△y为在时间间隔内y方向上的位移增量。f(x,y)与g(x,y)分别是前后两张图像中用于存储电阻率分布信息的函数。c(x,y)表示的前后两张图像之间的相关函数。当c(x,y)达到最大值时，利用匹配特征点的位移矢量除以时间间隔，即可得到特征点处的流速参数。
9.5)运用上述方法得到图像上每一个查询网格的总体速度矢量，从而可以得出整幅图像上的流速场。设两帧图像时间间隔设为Δt，则该特征点各方向上的速度可以表示为：
9.6)在特征点流速流向分析结果的基础上，进一步考察对应特征点上电阻率参数的变化，电阻率分布等值线的形状以及波峰、波谷的变化趋势，判断所探测单元区域内是否存在渗漏险情，得到渗漏入口的位置以及渗漏入口的水流流速和流向等特征参数。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.将层析扫描技术、示踪法以及图像变化检测与测速技术引入渗漏入口探测，增加了在水下堤坝以及水库深水区中渗漏入口的探测精度与探测效率；
B.流速和流向参数及其变化特征通过对比分析不同时刻的电阻率分布层析图像/数字矩阵变化得到,不受水深影响；
C.通过建立数值模拟网格研究得到单元水域内不同探测时刻坝面或者坝底水体的电阻率分布图像。使渗漏检测更准确、更直观。
附图说明
图1为水上漂浮平台移动路径规划示意图；
图2为测量装备布置平面图；
图3为水下探测部分示意图；
图4为探测方法流程图；
图5为不同时刻渗漏入口的电阻率分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1、图2和图3，本实施例提供一种堤坝渗漏入口探测装置，包括水上漂浮平台、层析扫描探测系统、示踪剂释放系统和数据处理系统。
所述层析扫描探测系统包括层析扫描探测主机、电池箱和层析扫描探测电极。所述层析扫描探测主机布置在水上漂浮平台上。被测单元区域预设有N个监测点位。每个监测点位均布置有一个层析扫描探测电极。所述层析扫描探测电极伸入到水下，用于监测电位的发射与接收。所述层析扫描探测电极通过连接线及转接头与层析扫描探测主机相连。所述层析扫描探测主机用于控制探测过程中的放电方式、放电点位、放电次序、供电时间以及停供时间参数，并存储电场响应数据。所述电池箱用于为探测过程提供电源。所述电池箱可供选择的输出电压范围为50V～200V，可满足不同探测环境的需求。
所述示踪剂释放系统包括示踪剂存储水箱和示踪剂释放喷头。所述示踪剂存储水箱布置在水上漂浮平台上。所述示踪剂存储水箱存储有示踪剂。被测单元区域预设有M个示踪剂释放点位。每个示踪剂释放点位均布置有一个示踪剂释放喷头。所述示踪剂释放喷头伸入到水下，用于均匀喷洒示踪剂。所述示踪剂释放喷头通过硅胶管与示踪剂存储水箱连接。
实施例2：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述水上漂浮平台包括多个箱型浮筒。相邻箱型浮筒通过连接杆和螺栓固定连接。所述水上漂浮平台的尺寸为1m2～100m2，具体尺寸可根据待测水域的形状和范围灵活调整，以适应不同的探测环境。平台的主要作用是用于布置测量仪器，同时为测量人员提供操作空间。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述层析扫描探测系统还包括电池箱。所述电池箱用于为探测过程提供电源。所述电池箱可供选择的输出电压范围为50V～200V，可满足不同探测环境的需求。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例1，其中，为了保证探测电极的导电性良好，所述层析扫描探测电极的端头采用石墨电极或铜电极。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述示踪剂释放系统还包括水泵、阀门、连接管、转子流量计以及不同规格的转接头。所述水泵用于提供示踪剂释放的动力源，出流流量通过设置水泵参数进行控制。阀门通过软管与水泵和转子流量计相连，用于控制探测过程中的示踪位置以及各示踪点位上的出流流量。转子流量计位于阀门和水下部分的示踪剂释放喷头之间，用于观测示踪剂释放过程中的流量参数，便于对阀门的开闭程度进行调整。
实施例6：
本实施例提供一种采用实施例1～5中任意一种堤坝渗漏入口探测装置的探测方法，包括以下步骤：
1)将待开展渗漏探测的水域划分为多个单元区域。其中，单元区域的尺寸与悬浮平台的大小一致。单元区域的形状设置为多边形。
2)规划测量路线。针对探测位置的不同，沿堤坝边缘或库区内设置测量路线。
3)在起始测量单元区域内布置堤坝渗漏入口探测系统，并记录坐标位置。
4)获取待测单元区域水体的电导率本底值并记录为σ1。
5)在示踪剂存储水箱中配置电导示踪剂。所述电导示踪剂的溶质采用氯化钠、氯化钾等电解质。所述电导示踪剂的电导率σ2。其中，σ2＝2σ1～40σ1。
6)向单元区域水体中的示踪剂释放点位喷洒示踪剂。
7)进行单元区域的层析扫描探测，并将所获得的数据存储在层析扫描探测主机中。
8)层析扫描探测数据处理与电阻率分布反演分析。将存储于层析扫描探测主机中的数据导入数据处理系统。建立数值模型网格。选取相应的探测点位，将探测数据融入数值模型中，利用层析扫描方法对预处理后的探测数据进行反演分析，得到单个探测单元水域内的电阻率分布图像。重复上述过程，得到单元水域内不同时刻坝面或者坝底处的电阻率分布图像。
9)渗漏入口的识别与渗漏规模评价。在反演分析得到的探测单元区域内不同时间段内多张电阻率分布图像上选取特征点位并进行标定，利用图像变化检测与测速技术对电阻率分布图片进行处理。通过对比分析多张时序图像中特征点位上的电阻率变化情况，以及不同时刻电阻率分布图像中等值线的形状，边缘波峰、波谷的变化规律，判断待测单元区域内是否存在异常渗漏点。结合各测量组的时间间隔，通过分析得到渗漏入口的位置以及探测区域中水流的流速与流向信息，进而对渗漏规模进行评价。
10)移动水上漂浮平台至下一单元区域，重新布设测量仪器。重复步骤3)～9)直至完成所有待测单元区域的测量。
实施例7：
本实施例主要步骤同实施例6，其中，所述电导示踪剂的溶质采用氯化钠、氯化钾等电解质。
实施例8：
本实施例主要步骤同实施例6，其中，步骤7)中，采用层析扫描探测系统测量待测区域内的自然电位值，选定零势点。将探测过程中的放电点负极以及测量点的负极统一连接至零势点。将若干探测电极通过转接线与层析扫描探测主机相连，将电池箱与层析扫描主机相连，开启电池箱开关，测量并记录电池箱输出的初始电压值。开启层析扫描探测主机，进行仪器自检，验证零势点的合理性，同时检测各探测电极的连接是否完好。仪器自检完成后，设置跑极方式、供电时间、停供时间等参数，记录初始电压值。其中，第一次测量需在示踪剂释放20～30分钟后开始，单次层析扫描探测时长约为10～20分钟，连续两次探测间需间隔20～30分钟进行。针对单个单元区域需进行3～8次探测，所获得的数据存储在层析扫描探测主机中。
实施例9：
本实施例主要步骤同实施例6，其中，步骤8)具体包括以下步骤：
8.1)根据测量单元水域的形状和尺寸建立数值模拟网格。
8.2)利用连续线性估计算法对探测单元区域内待估点的电阻率参数值进行估计。未知电阻率参数的迭代计算公式为如式(1)所示。
式中，uc为待估探测区域内的电阻率参数向量。为参数向量uc在第r+1次的条件估计值。r＝0的参数来源于先验资料。u的估计值在每个迭代步骤逐步由每次刺激作用下电阻率分布的观测值d*以及利用三维电阻率分布正分析模型的模拟值d(r)的差异进行调整。权重系数矩阵ω的计算公式如式(2)所示。
[εdd+λdiag(εdd)]ω＝εdu (2)
式中，εdd为观测数据之间的协方差矩阵。εdu为观测数据与参数之间的协方差矩阵。λ为Levenberg-Marquardt算法动态乘子。diag()运算符代表取对角阵。协方差由敏感度得到：
式中，Jdu为观测数据对探测单元区域电阻率参数变化的敏感度矩阵。参数协方差矩阵εuu在r＝0时由先验电阻率分布信息给出，随后每次迭代按照下式逐步更新：
8.3)重复式(1)的迭代过程，直至得到的参数估计值条件下得到的计算值与探测值之差小到一定的误差允许值，或达到一定的迭代步数。
8.4)将迭代满足条件时得到的电阻率分布利用数值模拟软件导出并保存。
8.5)重复上述过程，得到单元水域内不同时刻坝面或者坝底处的电阻率分布图像。
实施例10：
本实施例主要步骤同实施例6，其中，步骤9)具体包括以下步骤：
9.1)通过层析扫描技术对数据进行处理与反演分析，得到待测单元水域内电阻率的空间分布特征。
9.2)提取反演分析得到的单元探测区域内电阻率分布图像矩阵。选取特征点，并定位特征点在测量单元内的空间位置。重复步骤直到将同一单元区域的多次测量结果处理完毕。
9.3)进行特征点匹配，计算前后两张反演图片中特征点的匹配度、间隔时间和对应坐标，以及特征点上的电阻率参数。
9.4)流速流向计算。采用式(5)计算各特征点的相关性。
式中，x、y为图像像素坐标。△x为在时间间隔内x方向的位移增量。△y为在时间间隔内y方向上的位移增量。f(x,y)与g(x,y)分别是前后两张图像中用于存储电阻率分布信息的函数。c(x,y)表示的前后两张图像之间的相关函数。当c(x,y)达到最大值时，利用匹配特征点的位移矢量除以时间间隔，即可得到特征点处的流速参数。
9.5)运用上述方法得到图像上每一个查询网格的总体速度矢量，从而可以得出整幅图像上的流速场。设两帧图像时间间隔设为Δt，则该特征点各方向上的速度可以表示为：
9.6)在特征点流速流向分析结果的基础上，进一步考察对应特征点上电阻率参数的变化，电阻率分布等值线的形状以及波峰、波谷的变化趋势，判断所探测单元区域内是否存在渗漏险情，得到渗漏入口的位置以及渗漏入口的水流流速和流向等特征参数。
实施例11：
参见图4，本实施例针对水库的堤坝渗漏探测，提供一种采用实施例1～5中任意一种堤坝渗漏入口探测装置的探测方法，，包括以下步骤：
1)将待开展渗漏探测的水域划分为多个单元区域。其中，在本实施例中，将待测水域的形状简化为多边形。以单次可测量的最大范围为一个单元区域，将水域划分为数个网格区域。在进行逐次测量区域划分时，将每次的测量范围单元区域的形状设置为形状较为规则的多边形。同时最大限度保证前后两次测量区域的边界基本重合。
2)规划测量路线。在单元区域边界基础上向内偏置形成水上悬浮平台的行驶路线。路线规划示意图如图1所示，水上悬浮平台在水中移动缓慢，在对待测水域进行探测前，要预先规划好逐次探测的移动轨迹，减少悬浮平台的挪动。
3)在起始测量单元区域内布置堤坝渗漏入口探测系统，并记录坐标位置。其中，被测单元区域节点处预设有100个监测点位和30个示踪剂释放点位。
所述堤坝渗漏入口探测系统包括水上漂浮平台、层析扫描探测系统、示踪剂释放系统和数据处理系统。
所述水上漂浮平台包括多个箱型浮筒。相邻箱型浮筒通过连接杆和螺栓固定连接。所述水上漂浮平台下表面设置有格栅。
所述层析扫描探测系统包括层析扫描探测主机和层析扫描探测电极。所述层析扫描探测主机布置在水上漂浮平台上。每个监测点位均布置有一个层析扫描探测电极。所述层析扫描探测电极伸入到水下，用于监测电位的发射与接收。所述层析扫描探测电极通过变送线缆与层析扫描探测主机连接。所述层析扫描探测电极绑扎在格栅上。
所述示踪剂释放系统包括示踪剂存储水箱和示踪剂释放喷头。所述示踪剂存储水箱布置在水上漂浮平台上。所述示踪剂释放喷头伸入到水下，用于均匀喷洒示踪剂。所述示踪剂释放喷头通过硅胶管与示踪剂存储水箱连接。所述示踪剂释放喷头绑扎在格栅上。所述示踪剂释放喷头包括主管道，以及从主管道引出的示踪剂出口。各示踪剂出口位于示踪剂释放点位处。
4)获取待测单元区域水体的电导率本底值。利用电导仪测量单次探测区域边界以及中心区域水体的电导率，将测量得到的多点电导率平均值作为单元待测水域电导率本底值，并将其记录为σ1。
5)在示踪剂存储水箱中配置电导示踪剂。所述电导示踪剂为氯化钠溶液。所述电导示踪剂的电导率σ2。其中，σ2＝5σ1。取一定量的待测区域水样为溶剂注入示踪剂水箱，采用NaCl含量为99.5％的分析纯氯化钠颗粒为溶质，通过在示踪剂水箱中逐渐加入氯化钠颗粒，配置不同浓度的电导示踪剂，所配置示踪剂中的氯化钠颗粒掺入量参照电导率本底值确定，直至示踪剂水箱中溶液的电导率σ2满足σ2＝5σ1。在本实施例中，测得的天然水体电导率为约400μs/cm，则所配置的示踪剂电导率应为2ms/cm。
6)向单元区域水体中的预设点位喷洒示踪剂。开启示踪剂释放控制装置的水泵电源，在待测水域的预设点位处喷洒示踪剂。各示踪点的示踪剂出流流量通过调节待测水域内各释放点位上硅胶管所连接的阀门开闭度控制，单点示踪剂流量范围为：10ml～50ml，实时流量参数可通过连接的转子流量计获得。
7)层析扫描探测，并将所获得的数据存储在层析扫描探测主机中。采用层析扫描探测系统测量待测区域内的自然电位值，并选定零势点，将探测过程中的放电点负极以及测量点的负极统一连接至零势点。将若干探测电极通过转接线与层析扫描探测主机相连，将电池箱与层析扫描主机相连，开启电池箱开关，测量并记录电池箱输出的初始电压值。开启层析扫描探测主机，进行仪器自检，通过测得的接地电阻值验证零势点的合理性，同时检测探测电极的连接是否完好。仪器自检完成后，设置跑极方式、供电时间、停供时间等参数，记录初始电压值。测量前对所有电极进行编号。在一个单元区域的测量过程中，按照单点放电，其余点作为接收电极的原则逐次进行，直至所有点都完成一次放电。例如：总电极数为N，则第一次放电以1号电极为激励电极，2至N号电极为测试电极；第二次放电以2号电极为激励电极，1号以及3至N号电极为测试电极……按照此规则逐次进行，直至N次放电结束，即为完成了一个单元区域内的一次测量。第一次测量需在示踪剂释放30分钟后开始，单次层析扫描探测时间约为10分钟，为了得到示踪剂的迁移规律，随后的逐次探测需间隔20分钟进行，每个探测单元共进行5次探测，所获得的数据存储在层析扫描探测主机中。
8)层析扫描探测数据处理与电阻率分布反演分析。将存储于层析扫描探测主机中的数据导入数据处理系统。将存储于层析扫描探测主机中的数据导出并转换为可编辑的数据文件，结合误差分析、数据筛选与滤波去噪等手段对原始探测数据进行预处理。建立数值模型网格。选取合适的探测点位，将探测数据融入数值模型中，利用层析扫描方法对预处理后的探测数据进行反演分析，得到探测单元水域内的电阻率分布图像。重复上述过程，得到单元水域内不同探测时刻坝面或者坝底水体的电阻率分布图像。
8.1)根据测量单元水域的形状和尺寸建立数值模拟网格。
8.2)利用连续线性估计算法对探测区域内待估点的电阻率参数值进行估计。未知参数的迭代计算公式为如式(1)所示。
式中，uc为待估的探测区域电阻率参数向量。为参数向量uc在第r+1次的条件估计值。r＝0的参数来源于先验资料。u的估计值在每个迭代步骤逐步由每次刺激作用下电阻率分布的观测值d*以及利用三维电阻率分布正分析模型的模拟值dr的差异进行调整。权重系数矩阵ω的计算公式如式(2)所示。
[εdd+λdiag(εdd)]ω＝εdu (2)
式中，εdd为观测数据之间的协方差矩阵。εdu为观测数据与参数之间的协方差矩阵。λ为Levenberg-Marquardt算法动态乘子。diag()运算符代表取对角阵。协方差由敏感度得到：
式中，Jdu为观测数据对探测区域电阻率变化的敏感度矩阵。参数协方差矩阵εuu在r＝0时由先验电阻率分布信息给出，随后每次迭代按照下式逐步更新：
8.3)重复式1的迭代过程，直至得到的电阻率估计值与探测值之差小于一定的误差允许值，或达到一定的迭代步数。
8.4)将迭代满足条件时得到的电阻率分布利用数值模拟软件导出并保存，以便进一步处理分析。
9)渗漏入口的识别与渗漏规模评价；在反演分析得到的探测单元区域内不同时间段内多张电阻率分布图像上选取特征点位进行标定，利用图像变化检测与测速技术对电阻率分布图片进行处理；通过对比分析多张时序图像中特征点位上的电阻率变化情况，以及不同时刻电阻率分布图像中等值线的形状，边缘波峰、波谷的变化规律，判断待测单元区域内是否存在异常渗漏点；结合各测量组的时间间隔，通过分析得到渗漏入口的位置以及探测区域中水流的流速与流向信息，进而对渗漏规模进行评价；
9.1)通过层析扫描技术对数据进行处理与反演分析，得到待测单元水域内电阻率的空间分布特征；
9.2)提取反演分析得到的单元探测区域内电阻率分布图像矩阵；选取特征点，并定位特征点在测量单元内的空间位置；重复步骤直到将同一单元区域的多次测量结果处理完毕；
9.3)进行特征点匹配，计算前后两张反演图片中特征点的匹配度、间隔时间和对应坐标，以及特征点上的电阻率参数；
9.4)流速流向计算；采用式(5)计算各特征点的相关性；
式中，x、y为图像像素坐标；△x为在时间间隔内x方向的位移增量；△y为在时间间隔内y方向上的位移增量；f(x,y)与g(x,y)分别是前后两张图像中用于存储电阻率分布信息的函数；c(x,y)表示的前后两张图像之间的相关函数；当c(x,y)达到最大值时，利用匹配特征点的位移矢量除以时间间隔，即可得到特征点处的流速参数。
9.5)运用上述方法得到图像上每一个查询网格的总体速度矢量，从而可以得出整幅图像上的流速场。设两帧图像时间间隔设为Δt，则该特征点各方向上的速度可以表示为：
9.6)在特征点流速流向分析结果的基础上，进一步考察对应特征点上电阻率参数的变化，电阻率分布等值线的形状以及波峰、波谷的变化趋势，判断所探测单元区域内是否存在渗漏险情，得到渗漏入口的位置以及渗漏入口的水流流速和流向等特征参数。
10)移动水上漂浮平台至下一单元区域，重新布设测量仪器。重复步骤3)～9)直至完成所有待测区域的探测。
实施例12：
本实施例提供一种采用实施例1～5中任意一种堤坝渗漏入口探测装置的探测方法，本实例以一次探测为例，参见图2和图3，待探测单元区域进行单元网格划分，网格为正方形，单元区域尺寸为1m×1m。每个待测区域中共计布置了121个监测电极和121个示踪剂喷头。测量装置可覆盖范围为10m×10m的正方形区域，探测过程中移动装置，即可对不同位置进行测量，直至完成整个待测区域的探测。
本实施例中，一组探测不同时刻渗漏入口的电阻率分布如图5所示。可以看出随着时间的变化，低阻区域逐渐向左下角汇集，通过数字图像测速技术则可以根据时间以及图像变化计算出水流的速度与方向，并进一步确定渗漏入口的位置与渗漏规模。
Claims (7)
1.一种堤坝渗漏入口探测方法，其特征在于：采用堤坝渗漏入口探测装置进行探测；
所述堤坝渗漏入口探测装置包括水上漂浮平台、层析扫描探测系统、示踪剂释放系统和数据处理系统；
所述层析扫描探测系统包括层析扫描探测主机和层析扫描探测电极；所述层析扫描探测主机布置在水上漂浮平台上；被测单元区域预设有N个监测点位；每个监测点位均布置有一个层析扫描探测电极；所述层析扫描探测电极伸入到水下，用于监测电位的发射与接收；所述层析扫描探测电极与层析扫描探测主机相连；所述层析扫描探测主机用于控制探测过程中的放电方式、放电点位、放电次序、供电时间以及停供时间参数，并存储电场响应数据；
所述示踪剂释放系统包括示踪剂存储水箱和示踪剂释放喷头；所述示踪剂存储水箱布置在水上漂浮平台上；所述示踪剂存储水箱存储有示踪剂；被测单元区域预设有M个示踪剂释放点位；每个示踪剂释放点位均布置有一个示踪剂释放喷头；所述示踪剂释放喷头伸入到水下，用于均匀喷洒示踪剂；所述示踪剂释放喷头通过硅胶管与示踪剂存储水箱连接；
堤坝渗漏入口探测方法，包括以下步骤：
1)将待开展渗漏探测的水域划分为若干个单元区域；其中，单元区域的尺寸与悬浮平台的大小一致；单元区域的形状设置为多边形；
2)规划测量路线；针对探测位置的不同，沿堤坝边缘或库区内设置测量路线；
3)在起始测量单元区域内布置堤坝渗漏入口探测系统，并记录坐标位置；
4)获取待测单元区域水体的电导率本底值并记录为σ1；
5)在示踪剂存储水箱中配置电导示踪剂；所述电导示踪剂的电导率σ2；其中，σ2＝2σ1～40σ1；
6)向单元区域水体中的示踪剂释放点位喷洒示踪剂；
7)进行单元区域的层析扫描探测，并将所获得的数据存储在层析扫描探测主机中；
8)层析扫描探测数据处理与电阻率分布反演分析；将存储于层析扫描探测主机中的数据导入数据处理系统；建立数值模型网格；选取相应的探测点位，将探测数据融入数值模型中，利用层析扫描方法对预处理后的探测数据进行反演分析，得到单个探测单元水域内的电阻率分布图像；重复上述过程，得到单元水域内不同时刻坝面或者坝底处的电阻率分布图像；步骤8)具体包括以下步骤：
8.1)根据测量单元水域的形状和尺寸建立数值模拟网格；
8.2)利用连续线性估计算法对探测单元区域内待估点的电阻率参数值进行估计；未知电阻率参数的迭代计算公式为如式(1)所示；
式中，uc为待估探测区域内的电阻率参数向量；为参数向量uc在第r+1次的条件估计值；r＝0的参数来源于先验资料；u的估计值在每个迭代步骤逐步由每次刺激作用下电阻率分布的观测值d*以及利用三维电阻率分布正分析模型的模拟值d(r)的差异进行调整；权重系数矩阵ω的计算公式如式(2)所示；
式中，εdd为观测数据之间的协方差矩阵；εdu为观测数据与参数之间的协方差矩阵；λ为Levenberg-Marquardt算法动态乘子；diag()运算符代表取对角阵；协方差由敏感度得到：
式中，Jdu为观测数据对探测单元区域电阻率参数变化的敏感度矩阵；参数协方差矩阵εuu在r＝0时由先验电阻率分布信息给出，随后每次迭代按照下式逐步更新：
8.3)重复式(1)的迭代过程，直至得到的参数估计值条件下得到的计算值与探测值之差小到一定的误差允许值，或达到一定的迭代步数；
8.4)将迭代满足条件时得到的电阻率分布利用数值模拟软件导出并保存；
8.5)重复上述过程，得到单元水域内不同时刻坝面或者坝底处的电阻率分布图像；
9)渗漏入口的识别与渗漏规模评价；在反演分析得到的探测单元区域内不同时间段内多张电阻率分布图像上选取特征点位并进行标定，利用图像变化检测与测速技术对电阻率分布图片进行处理；通过对比分析多张时序图像中特征点位上的电阻率变化情况，以及不同时刻电阻率分布图像中等值线的形状，边缘波峰、波谷的变化规律，判断待测单元区域内是否存在异常渗漏点；结合各测量组的时间间隔，通过分析得到渗漏入口的位置以及探测区域中水流的流速与流向信息，进而对渗漏规模进行评价；步骤9)具体包括以下步骤：
9.1)通过层析扫描技术对数据进行处理与反演分析，得到待测单元水域内电阻率的空间分布特征；
9.2)提取反演分析得到的单元探测区域内电阻率分布图像矩阵；选取特征点，并定位特征点在测量单元内的空间位置；重复步骤直到将同一单元区域的多次测量结果处理完毕；
9.3)进行特征点匹配，计算前后两张反演图片中特征点的匹配度、间隔时间和对应坐标，以及特征点上的电阻率参数；
9.4)流速流向计算；采用式(5)计算各特征点的相关性；
式中，x、y为图像像素坐标；△x为在时间间隔内x方向的位移增量；△y为在时间间隔内y方向上的位移增量；f(x,y)与g(x,y)分别是前后两张图像中用于存储电阻率分布信息的函数；c(x,y)表示的前后两张图像之间的相关函数；当c(x,y)达到最大值时，利用匹配特征点的位移矢量除以时间间隔，即可得到特征点处的流速参数；
9.5)运用上述方法得到图像上每一个查询网格的总体速度矢量，从而可以得出整幅图像上的流速场；设两帧图像时间间隔设为Δt，则该特征点各方向上的速度可以表示为：
9.6)在特征点流速流向分析结果的基础上，进一步考察对应特征点上电阻率参数的变化，电阻率分布等值线的形状以及波峰、波谷的变化趋势，判断所探测单元区域内是否存在渗漏险情，得到渗漏入口的位置以及渗漏入口的水流流速和流向等特征参数；
10)移动水上漂浮平台至下一单元区域，重新布设测量仪器；重复步骤3)～9)直至完成所有待测单元区域的测量。
2.根据权利要求1所述的一种堤坝渗漏入口探测方法，其特征在于：所述水上漂浮平台包括多个箱型浮筒；相邻箱型浮筒通过连接杆和螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种堤坝渗漏入口探测方法，其特征在于：所述层析扫描探测系统还包括电池箱；所述电池箱用于为探测过程提供电源。
4.根据权利要求1所述的一种堤坝渗漏入口探测方法，其特征在于：所述层析扫描探测电极的端头采用石墨电极或铜电极。
5.根据权利要求1所述的一种堤坝渗漏入口探测方法，其特征在于：所述示踪剂释放系统还包括水泵、阀门、连接管、转子流量计以及不同规格的转接头；所述水泵用于提供示踪剂释放的动力源，出流流量通过设置水泵参数进行控制；阀门通过软管与水泵和转子流量计相连，用于控制探测过程中的示踪位置以及各示踪点位上的出流流量；转子流量计位于阀门和水下部分的示踪剂释放喷头之间，用于观测示踪剂释放过程中的流量参数，便于对阀门的开闭程度进行调整。
6.根据权利要求1所述的一种堤坝渗漏入口探测方法，其特征在于：所述示踪剂为电导示踪剂；所述电导示踪剂的溶质采用氯化钠、氯化钾等电解质。
7.根据权利要求1所述的一种堤坝渗漏入口探测方法，其特征在于：步骤7)中，采用层析扫描探测系统测量待测区域内的自然电位值，选定零势点；将探测过程中的放电点负极以及测量点的负极统一连接至零势点；将若干探测电极通过转接线与层析扫描探测主机相连，将电池箱与层析扫描主机相连，开启电池箱开关，测量并记录电池箱输出的初始电压值；开启层析扫描探测主机，进行仪器自检，验证零势点的合理性，同时检测各探测电极的连接是否完好；仪器自检完成后，设置跑极方式、供电时间、停供时间等参数，记录初始电压值；其中，第一次测量需在示踪剂释放20～30分钟后开始，单次层析扫描探测时长约为10～20分钟，连续两次探测间需间隔20～30分钟进行；针对单个单元区域需进行3～8次探测，所获得的数据存储在层析扫描探测主机中。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |