土石堤坝渗漏诊断——基于电阻率图像对比识别技术

本书首先研究了土石堤坝隐患三维电场分布规律及渗流场演变过程的三维电场变化规律,然后从土石堤坝检测电阻率图像入手, 通过卷积神经网络学习, 将土石堤坝渗漏监测的海量图片进行隐患自动筛选, 采取电阻率图像对比技术, 获取了对比电阻率图像中隐患体色素阈值的变化率, 结合土石堤坝饱和渗透破坏的电阻率变化率, 给出了基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断方法。附录给出了诊断过程实施的核心代码。
本书可作为水利工程专业高年级本科生和研究生的学习参考书, 也可供相关领域技术人员和科研工作者阅读参考。

我国土石堤坝多建于20世纪四五十年代,建设等级低,质量差,目前大多数在带“病”运行,存在极大的安全隐患,极易产生由渗漏引起的溃坝,可能给人民生命财产带来不可估量的损失。为系统解决目前基于电阻率成像的土石堤坝渗漏诊断中存在的问题,提供更好、更全面的诊断方法和依据,本书对土石堤坝三维电场分布规律,尤其是含隐患非均质土石堤坝的三维电场分布规律展开研究,重点研究土石堤坝渗流场演变过程中三维电场的变化规律,提出土石堤坝渗漏识别的诊断方法,研究结果可为土石堤坝的隐患探测提供评价参考指标和科学决策依据。
本书共分为6章。第1章从土石堤坝渗漏入手,梳理和分析了国内外的研究成果;第2章对土石坝不同渗漏隐患进行概化,建立了土石堤坝三维电场分析的数学模型;第3章采用有限元计算程序,对不同隐患体三维电场分布进行数值模拟,得到了均质土石堤坝和含隐患非均质土石堤坝三维电场分布的响应特征;第4章以孔隙率为基础,建立了渗流场与电场的关联模型,基于模型确定了土石堤坝渗透破坏时电阻率与临界水力比降之间的关系,研究了土石堤坝坝体渗透过程中三维电场随渗流场的变化特性和变化规律,获得了渗流场中不同隐患体的电场响应特征;第5章通过神经网络学习对监测得到的海量图片进行隐患筛选,采用Canny边缘检测、霍夫直线检测、图像色彩空间转换、色彩空间分离等图像对比算法,实现了土石堤坝不同时刻电阻率的图像对比,得到了电阻率图像色素阈值的变化率,给出了土石堤坝渗漏破坏的图像识别方法;第6章提出了基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断技术。为更好地验证前述工作的可行性、可靠性及准确性,将研究成果进行了实际工程应用。同时,书中也提出了一些值得继续研究和探讨的问题。
本书内容以王日升的博士论文《土石堤坝三维电场分布规律及渗漏诊断方法》为主要框架,同时结合了山东交通学院博士基金项目(编号：BS201902015)《基于图像对比技术土石堤坝渗漏诊断研究》、(编号：J20170002)《高密度电法对高边坡稳定性实时监控和自动预警技术研究》的部分科研成果。基于电阻率图像对比的技术在泰东高速建设项目中用于监测施工现场的边坡滑塌探查,取得了良好的应用效果。
本书由山东交通学院王日升策划和定稿,由山东交通学院李居铜、赵之仲和泰安市公路事业发展中心申威参与编写。
本书编写过程中得到了研究生申靖琳、陈飞鹏、陈雯雯、许茂林、李梦晨、何益龙、赵硕、陈旭在资料整理、版式调整和文字校核等方面的帮助,在此一并致谢!
由于作者水平所限,书中难免会出现不足之处,恳请使用本书的广大师生和同行专家批评指正。

著者
2020年3月

第1 章　绪论                      1
1.1 国内土石堤坝现状                    2
1.2 电阻率成像技术                     2
1.3 土石堤坝坝体材料电阻率特性               5
1.4 土石堤坝渗流和渗漏诊断方法               6
1.5 土石堤坝电场分布规律                  9

第2 章　土石堤坝三维电场隐患分析         11
2.1 土石堤坝主要隐患类型                 12
2.1.1 坝体贯通型渗漏通道隐患              12
2.1.2 动物洞穴及植物根系形成坝体隐患          13
2.1.3 坝体护坡老化破坏隐患               13
2.2 土石堤坝典型隐患的概化模型              14
2.2.1 坝体渗漏通道简化模型               14
2.2.2 坝体洞穴及裂缝简化模型              16
2.3 含隐患土石堤坝三维电场分析模型            16
2.3.1 点源场中均质堤坝三维电场             16
2.3.2 点源场中堤坝裂缝三维电场             18
2.3.3 点源场中堤坝洞穴三维电场             21
2.3.4 点源场中堤坝渗漏通道三维电场           27

第3 章　土石堤坝三维电场分布规律的数值模拟   31
3.1 三维点源电场的边值及变分问题             32
3.1.1 总电位的边值问题                      32
3.1.2 异常电位的边值问题                     34
3.1.3 总电位的变分问题                      36
3.1.4 异常电位的变分问题                     37
3.2 三维电场分布的有限元求解                     37
3.2.1 总电位的计算                        38
3.2.2 异常电位的计算                       39
3.3 三维电场分布的有限元模拟实现                  41
3.3.1 Delphi语言开发环境                     41
3.3.2 三维电场模拟分析的实现过程                 42
3.3.3 三维电场模拟分析的加速优化                 43
3.3.4 三维电场模拟分析算例                    46
3.4 三维电场分布规律的数值计算与分析                49
3.4.1 土石坝体材料电阻率变化规律                 49
3.4.2 均质堤坝三维电场分布数值模拟                51
3.4.3 含裂缝堤坝三维电场数值模拟                 54
3.4.4 含洞穴堤坝三维电场数值模拟                 57
3.4.5 含渗漏通道堤坝三维电场数值模拟               62

第4 章　土石堤坝渗流场演变过程中三维电场变化规律研究   67
4.1 土石介质吸水饱和过程中的电阻率变化特性试验           68
4.1.1 试验材料及模型制作                     69
4.1.2 试验原理与方法                       71
4.1.3 试验测试步骤与程序                     72
4.1.4 土石介质饱水过程中的电阻率响应特征分析           73
4.1.5 土石复合介质电阻率随饱和度变化规律             78
4.2 均质土石堤坝渗流场演变与三维电场数值模拟            81
4.2.1 均质堤坝渗流水头与电阻率关联模型的建立           81
4.2.2 均质堤坝坝体模型生成                    83
4.2.3 均质堤坝坝体渗透演变过程模拟分析              85
4.2.4 均质堤坝渗流场演变与电场变化规律分析            87
4.3 含不同隐患类型堤坝渗流场及三维电场数值模拟           98
4.3.1 基于渗漏通道渗流场分布的三维电场响应特征分析        98
4.3.2 基于孔洞隐患渗流场分布的三维电场响应特征分析        101
4.4 基于渗流场演变的土石堤坝三维电场变化规律分析          105

第5 章　土石堤坝电阻率图像处理与识别方法        109
5.1 土石堤坝电阻率图像的特征及基本要求               110
5.2 土石堤坝电阻率图像的预处理方法                 111
5.2.1 基于卷积神经网络场景标注                  111
5.2.2 土石堤坝电阻率图像灰度化处理                116
5.3 土石堤坝电阻率图像的识别方法研究                118
5.3.1 基于Canny边缘检测算法的图像边界确立            118
5.3.2 土石堤坝电阻率图像的霍夫直线检测算法            122
5.3.3 土石堤坝电阻率图像色彩空间转换及色彩分离          124
5.3.4 土石堤坝电阻率图像对比的实现流程              124

第6 章　基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断方法及工程应用       127
6.1 基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断方法             128
6.1.1 基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断流程           128
6.1.2 土石堤坝三维电场测试系统与技术要求             128
6.1.3 土石堤坝三维电场现场数据采集与分析             130
6.1.4 土石堤坝三维电阻率图像处理与识别              130
6.1.5 土石堤坝渗漏诊断与评价                   133
6.2 工程应用                            134
6.2.1 工程概况                          134
6.2.2 现场电法测试                        134
6.2.3 测试数据处理                        136
6.2.4 电阻率图像识别                       140
6.2.5 渗漏诊断与结果评判                     147

附录                              149
附录1 有限元正演模拟节点编号代码                  150
附录2 土石复合介质生成代码                     153
附录3 电阻率图像对比识别算法核心代码                157

参考文献                            161