土石堤壩滲漏診斷——基于電阻率圖像對(duì)比識(shí)別技術(shù)

本書首先研究了土石堤壩隱患三維電場(chǎng)分布規(guī)律及滲流場(chǎng)演變過程的三維電場(chǎng)變化規(guī)律,然后從土石堤壩檢測(cè)電阻率圖像入手, 通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí), 將土石堤壩滲漏監(jiān)測(cè)的海量圖片進(jìn)行隱患自動(dòng)篩選, 采取電阻率圖像對(duì)比技術(shù), 獲取了對(duì)比電阻率圖像中隱患體色素閾值的變化率, 結(jié)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(chǎng)分布的滲漏診斷方法。附錄給出了診斷過程實(shí)施的核心代碼。
本書可作為水利工程專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的學(xué)習(xí)參考書, 也可供相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員和科研工作者閱讀參考。

我國土石堤壩多建于20世紀(jì)四五十年代,建設(shè)等級(jí)低,質(zhì)量差,目前大多數(shù)在帶“病”運(yùn)行,存在極大的安全隱患,極易產(chǎn)生由滲漏引起的潰壩,可能給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來不可估量的損失。為系統(tǒng)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(jù),本書對(duì)土石堤壩三維電場(chǎng)分布規(guī)律,尤其是含隱患非均質(zhì)土石堤壩的三維電場(chǎng)分布規(guī)律展開研究,重點(diǎn)研究土石堤壩滲流場(chǎng)演變過程中三維電場(chǎng)的變化規(guī)律,提出土石堤壩滲漏識(shí)別的診斷方法,研究結(jié)果可為土石堤壩的隱患探測(cè)提供評(píng)價(jià)參考指標(biāo)和科學(xué)決策依據(jù)。
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(nèi)外的研究成果;第2章對(duì)土石壩不同滲漏隱患進(jìn)行概化,建立了土石堤壩三維電場(chǎng)分析的數(shù)學(xué)模型;第3章采用有限元計(jì)算程序,對(duì)不同隱患體三維電場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了均質(zhì)土石堤壩和含隱患非均質(zhì)土石堤壩三維電場(chǎng)分布的響應(yīng)特征;第4章以孔隙率為基礎(chǔ),建立了滲流場(chǎng)與電場(chǎng)的關(guān)聯(lián)模型,基于模型確定了土石堤壩滲透破壞時(shí)電阻率與臨界水力比降之間的關(guān)系,研究了土石堤壩壩體滲透過程中三維電場(chǎng)隨滲流場(chǎng)的變化特性和變化規(guī)律,獲得了滲流場(chǎng)中不同隱患體的電場(chǎng)響應(yīng)特征;第5章通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)對(duì)監(jiān)測(cè)得到的海量圖片進(jìn)行隱患篩選,采用Canny邊緣檢測(cè)、霍夫直線檢測(cè)、圖像色彩空間轉(zhuǎn)換、色彩空間分離等圖像對(duì)比算法,實(shí)現(xiàn)了土石堤壩不同時(shí)刻電阻率的圖像對(duì)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(shí)別方法;第6章提出了基于土石堤壩三維電場(chǎng)分布的滲漏診斷技術(shù)。為更好地驗(yàn)證前述工作的可行性、可靠性及準(zhǔn)確性,將研究成果進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用。同時(shí),書中也提出了一些值得繼續(xù)研究和探討的問題。
本書內(nèi)容以王日升的博士論文《土石堤壩三維電場(chǎng)分布規(guī)律及滲漏診斷方法》為主要框架,同時(shí)結(jié)合了山東交通學(xué)院博士基金項(xiàng)目(編號(hào)：BS201902015)《基于圖像對(duì)比技術(shù)土石堤壩滲漏診斷研究》、(編號(hào)：J20170002)《高密度電法對(duì)高邊坡穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)預(yù)警技術(shù)研究》的部分科研成果?；陔娮杪蕡D像對(duì)比的技術(shù)在泰東高速建設(shè)項(xiàng)目中用于監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的邊坡滑塌探查,取得了良好的應(yīng)用效果。
本書由山東交通學(xué)院王日升策劃和定稿,由山東交通學(xué)院李居銅、趙之仲和泰安市公路事業(yè)發(fā)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(mèng)晨、何益龍、趙碩、陳旭在資料整理、版式調(diào)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(huì)出現(xiàn)不足之處,懇請(qǐng)使用本書的廣大師生和同行專家批評(píng)指正。

著者
2020年3月

第1 章　緒論                      1
1.1 國內(nèi)土石堤壩現(xiàn)狀                    2
1.2 電阻率成像技術(shù)                     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(chǎng)分布規(guī)律                  9

第2 章　土石堤壩三維電場(chǎng)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(dòng)物洞穴及植物根系形成壩體隱患          13
2.1.3 壩體護(hù)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(chǎng)分析模型            16
2.3.1 點(diǎn)源場(chǎng)中均質(zhì)堤壩三維電場(chǎng)             16
2.3.2 點(diǎn)源場(chǎng)中堤壩裂縫三維電場(chǎng)             18
2.3.3 點(diǎn)源場(chǎng)中堤壩洞穴三維電場(chǎng)             21
2.3.4 點(diǎn)源場(chǎng)中堤壩滲漏通道三維電場(chǎng)           27

第3 章　土石堤壩三維電場(chǎng)分布規(guī)律的數(shù)值模擬   31
3.1 三維點(diǎn)源電場(chǎng)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(chǎng)分布的有限元求解                     37
3.2.1 總電位的計(jì)算                        38
3.2.2 異常電位的計(jì)算                       39
3.3 三維電場(chǎng)分布的有限元模擬實(shí)現(xiàn)                  41
3.3.1 Delphi語言開發(fā)環(huán)境                     41
3.3.2 三維電場(chǎng)模擬分析的實(shí)現(xiàn)過程                 42
3.3.3 三維電場(chǎng)模擬分析的加速優(yōu)化                 43
3.3.4 三維電場(chǎng)模擬分析算例                    46
3.4 三維電場(chǎng)分布規(guī)律的數(shù)值計(jì)算與分析                49
3.4.1 土石壩體材料電阻率變化規(guī)律                 49
3.4.2 均質(zhì)堤壩三維電場(chǎng)分布數(shù)值模擬                51
3.4.3 含裂縫堤壩三維電場(chǎng)數(shù)值模擬                 54
3.4.4 含洞穴堤壩三維電場(chǎng)數(shù)值模擬                 57
3.4.5 含滲漏通道堤壩三維電場(chǎng)數(shù)值模擬               62

第4 章　土石堤壩滲流場(chǎng)演變過程中三維電場(chǎng)變化規(guī)律研究   67
4.1 土石介質(zhì)吸水飽和過程中的電阻率變化特性試驗(yàn)           68
4.1.1 試驗(yàn)材料及模型制作                     69
4.1.2 試驗(yàn)原理與方法                       71
4.1.3 試驗(yàn)測(cè)試步驟與程序                     72
4.1.4 土石介質(zhì)飽水過程中的電阻率響應(yīng)特征分析           73
4.1.5 土石復(fù)合介質(zhì)電阻率隨飽和度變化規(guī)律             78
4.2 均質(zhì)土石堤壩滲流場(chǎng)演變與三維電場(chǎng)數(shù)值模擬            81
4.2.1 均質(zhì)堤壩滲流水頭與電阻率關(guān)聯(lián)模型的建立           81
4.2.2 均質(zhì)堤壩壩體模型生成                    83
4.2.3 均質(zhì)堤壩壩體滲透演變過程模擬分析              85
4.2.4 均質(zhì)堤壩滲流場(chǎng)演變與電場(chǎng)變化規(guī)律分析            87
4.3 含不同隱患類型堤壩滲流場(chǎng)及三維電場(chǎng)數(shù)值模擬           98
4.3.1 基于滲漏通道滲流場(chǎng)分布的三維電場(chǎng)響應(yīng)特征分析        98
4.3.2 基于孔洞隱患滲流場(chǎng)分布的三維電場(chǎng)響應(yīng)特征分析        101
4.4 基于滲流場(chǎng)演變的土石堤壩三維電場(chǎng)變化規(guī)律分析          105

第5 章　土石堤壩電阻率圖像處理與識(shí)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(yù)處理方法                 111
5.2.1 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景標(biāo)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(shí)別方法研究                118
5.3.1 基于Canny邊緣檢測(cè)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(cè)算法            122
5.3.3 土石堤壩電阻率圖像色彩空間轉(zhuǎn)換及色彩分離          124
5.3.4 土石堤壩電阻率圖像對(duì)比的實(shí)現(xiàn)流程              124

第6 章　基于土石堤壩三維電場(chǎng)分布的滲漏診斷方法及工程應(yīng)用       127
6.1 基于土石堤壩三維電場(chǎng)分布的滲漏診斷方法             128
6.1.1 基于土石堤壩三維電場(chǎng)分布的滲漏診斷流程           128
6.1.2 土石堤壩三維電場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)與技術(shù)要求             128
6.1.3 土石堤壩三維電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與分析             130
6.1.4 土石堤壩三維電阻率圖像處理與識(shí)別              130
6.1.5 土石堤壩滲漏診斷與評(píng)價(jià)                   133
6.2 工程應(yīng)用                            134
6.2.1 工程概況                          134
6.2.2 現(xiàn)場(chǎng)電法測(cè)試                        134
6.2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理                        136
6.2.4 電阻率圖像識(shí)別                       140
6.2.5 滲漏診斷與結(jié)果評(píng)判                     147

附錄                              149
附錄1 有限元正演模擬節(jié)點(diǎn)編號(hào)代碼                  150
附錄2 土石復(fù)合介質(zhì)生成代碼                     153
附錄3 電阻率圖像對(duì)比識(shí)別算法核心代碼                157

參考文獻(xiàn)                            161