南水北调工程运行安全检测技术研究

李志竑，孙庆宇，关 炜

（水利部南水北调规划设计管理局，100038，北京）

南水北调工程是当今世界上最宏伟的跨流域调水工程，是解决中国北方地区水资源短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略举措，对安全运行要求极高。中线一期工程总干渠沿线地质地形条件复杂，渠道、渡槽、隧洞、管涵（PCCP）、倒虹吸等大型输水建筑物众多；东线一期工程穿越河网众多，由泵站、调蓄水库等构成了庞大而复杂的输水系统。工程全面通水运行以来，其运行安全一直是管理者和社会关注的重点。探明常规和极端条件下工程安全稳定运行影响因素，理清影响工程健康的问题分类，研发能够诊断、识别、评估工程健康性状的技术和装备尤为重要。

在调水工程的长期运行性态研究方面，以有限元为代表的宏观数值模拟方法已得到广泛应用，关于材料、结构的长期时变特性和性能演化的研究也取得了丰硕成果，但是，受材料本构模型、大变形和非连续分析能力、三维复杂离散模型构建及求解等问题的限制，宏观和细观模拟在揭示建筑物损伤演化上都面临较大的技术挑战。在检测标准体系方面，我国已建立了较为系统的水利水电工程安全监测设计规范，针对单一建筑物质量检测的方法和标准也基本完备，但是，南水北调工程运行过程中面临各种风险考验，仍缺乏系统的问题分级分类和监测、检测融合的评价体系。在检测装备研发方面，我国与国际先进水平相比仍有较大差距。美国Pure Technology公司研发的无损检测、安全监测装备在世界上居于领先地位，但其仅提供相关技术服务。已有的线性渠道水上检测技术往往存在检测效率与检测深度相互矛盾的缺点，深度超50 m的渠堤物性参数快速检测技术及装备相对匮乏，渠道水下检测大多仅限于表观，尤其是南水北调中线渠道工程特有的防渗体系检测研究较少。

一、研究内容

从多因素耦联下南水北调工程长期性能演变与病害产生机理、南水北调工程多场多维损伤信息感知、融合理论与方法等关键问题研究入手，重点解决南水北调工程运行安全隐患检测技术标准、PCCP管断丝综合检测、涵隧水下快速检测、渠道工程无人机红外高光谱和双目成像表观巡检、内部缺陷高效高分辨率智能检测、多源检测数据的智能分析与综合评价、信息细节层次模型和流方法轻量化显示等技术问题，研究南水北调工程主要隐患检测技术标准，提出工程安全状态评估方案，研发线性渠道工程及大型输水建筑物运行安全检测装备，构建多源监测检测大数据分析与智能预警系统，并进行应用示范。

二、研究方法

针对项目拟解决的关键科学问题，以机理研究-标准和评估方案研究-专用装备研发-大数据分析和系统集成-工程应用为主线的技术路线进行研究，基于水工、岩土、地球物理、电子信息、光纤传感、软件工程等多学科理论，运用资料收集、数值模拟、理论分析、软硬件开发、物理模型试验和原型观测等多种研究方法，结合空潜地多维检测手段，融合声光电等多场检测信息，实现工程的智能化诊断和预警。

三、研究成果

1.性能演变与病害产生机理

采用裂缝带理论成功将微平面M7模型与裂缝带理论耦合在一起，建立了宏细观耦合方法，并以此建立耦合模型开展数值分析，结合锈蚀与冻融联合作用下预应力混凝土结构劣化的细观特征及试验研究，探索多因素耦联作用下大型建筑物性能演变与病害成因及极端因素作用下大型建筑物的损伤演变与长期安全性态。该方法成功应用于南水北调中线一期工程洺河渡槽缺陷演变分析，计算结果符合一般规律。

结合南水北调工程实际，对典型渠段的沉降量、长时间高强度降雨进行了数值仿真模拟分析，揭示了沉降随时间变化及渠道边坡位移变化规律。以南水北调中线一期工程十二里河渡槽为典型，开展了渠堤和建筑物接合部位正常运行工作性态及极端条件性能演变分析，揭示了齿墙底部结构较为薄弱的特性，应加强对该处混凝土的检测与加固。

2.检测技术标准

南水北调工程存在着PCCP管、泵站、暗涵、闸门等众多的大型建筑物，针对这些建筑物运行时面临的PCCP断丝、裂缝、金属损伤等问题，检测技术标准规定了相应的检测方法与技术，详细描述了方法与技术的适用性、适用条件、仪器与设备要求、外业准备要求、现场工作要求、资料处理解释要求及成果图件要求。南水北调工程存在着长距离的线性工程，沿途有高填方、深挖方和膨胀土等渠段，线性工程在运行时面临着渗漏、变形、裂缝等问题，检测技术标准规定了针对这些问题相应的检测方法与技术，详细描述了方法与技术的适用性、适用条件、仪器与设备要求、外业准备要求、现场工作要求、资料处理解释要求及成果图件要求。以检测技术标准为依据，针对大型建筑物和线性工程，构建了数学模型，提出了诊断方法与评估方案。

3.检测装备

针对南水北调工程大型建筑物，研发了PCCP管放空检测装备、PCCP管水下综合诊断成套装备、输水涵隧水下综合检测装备、渡槽结构车载综合检测装备。针对南水北调渠道工程（线性工程），研发了无人机载一体化智能巡检装备、拖曳式高精度智能电磁感应装备、水下防渗衬砌智能检测综合装备。7套装备从点到面、从局部到整体，结合监测系统的提升，空-地-水三位一体，实现对南水北调工程性态全覆盖的快速智能感知。

（1）PCCP管放空检测装备

在放空条件下，PCCP管放空检测装备对埋地PCCP管断丝分布区域的轴向位置进行检测定位，并识别断丝根数，从而为管道除险加固提供依据。管身断丝区域定位精度为10～20 cm；管身断丝区域根数识别精度为10%以内；管身断丝最小分辨精度为5～10根。

本装备采用具有原创性的R-wave线圈布置方式，运用数值仿真计算方法替代经验数据库，作为比对依据，对断丝区域进行检测、定位和识别。与同类装备相比，本装备对管道轴向大范围断丝根数的识别精度较高，并可以区分双层缠丝管道内外层断丝，从而为输水管道除险加固提供更为精准的依据。

（2）PCCP管水下综合诊断成套装备

在充水运行状态下，PCCP管水下综合诊断成套装备对PCCP管进行内压、变形和断丝监测，综合判断管道安全状态，以便及时预警，保障管道安全运行。应变监测空间分辨率为20 cm/10 km；断丝监测空间定位精度为5 m/20 km；内水压力监测精度为50 Pa。

本装备采用光纤传感技术手段对管道结构的应变场、管道输水的压力场、水声场进行综合监控。其中的关键是对水声场进行监测以实时了解管道的断丝情况，采用高频分布式振动监测系统进行实时数据采集，对海量数据进行过滤分析，从中提取断丝信号。

（3）输水涵隧水下综合检测装备

本装备采用水下机器人为平台，集成清洗、表观缺陷、渗漏等检测功能于一体，并可定点对衬砌脱空进行检测，从而实现有水情况下对输水建筑物内部进行全面检测。应用水速：0～2 m/s；内水压力：0～1 MPa。

水下机器人采用升压系留电源提供不间断的电能供应，可实现无限续航，满足大水域的长时间探测需求。安装有12个大功率电机提供强劲的运行动力，能够适应倒虹吸等高流速动态水域的巡检环境。具有水下构筑物表面附着物清洗功能，在探测过程中去除苔藓、淤泥等的视觉干扰，提高表观检测的准确度。采用光纤通信将水下探测装置采集的水下构筑物双目图像传输至地面工作站进行信息处理，具有表观成像清晰化、缺陷检测、尺寸测量等功能，同时研发了水下混凝土构筑物内部无损超声探伤检测单元。

（4）渡槽结构车载综合检测装备

渡槽结构车载放空综合检测装备在渡槽放空状态下对渡槽内壁的裂缝、变形和内部损伤进行检测，替代常规人工检测。最大检测速度为5 km/h；裂缝检测精度为0.2～0.5 mm；变形检测精度为0.1 mm。

本装备采用了遥控机器人搭载传感系统进行自动化检测，提高了检测效率。利用机器视觉采集裂缝图像，运用轻量化全卷积神经网络算法提取裂缝特征，实现对裂缝高精度矢量化识别。利用断面激光扫描与非线性优化拟合处理数据的方法分析渡槽的变形模式，为分析结构的应力状态和安全裕度提供依据。通过在行进过程中对弹性波的自动激发、采集和成像，实现渡槽混凝土结构的均匀性、密实性和强度缺陷的快速检测。

（5）无人机载一体化智能巡检装备

无人机载一体化智能巡检装备采用大疆M600 Pro无人机挂载五目智能传感器对输水干渠或堤坝等水利基础设施进行巡检，在满足检测精度的条件下，无人机以10 m飞行高度、20～30 km/h的飞行速度、大于20 min的巡航时间，对南水北调工程中输水干渠破损、渗漏等病害进行快速巡检。五目智能传感器包括双目相机、可见光相机、红外相机与激光测距仪，其中可见光相机用于直接采集并识别裂缝等表面破损，识别尺寸高达200万像素；双目相机用于裂缝、脱落等病害的尺寸参数测量；红外相机采集渗漏等病害；激光测距仪用于距离测量。

本装备提出了基于改进Frangri滤波的裂缝轮廓快速识别方法，基于绝对偏差的中值滤波（MAD）和形态学滤波相结合的红外图像滤波方法，以及基于形态学重建和自动阈值化分割的渠堤红外渗漏快速提取方法，解决了人工检测识别方法速度慢、效率低和传统机器视觉方法因图像边缘模糊而造成的过分割或欠分割问题。

（6）拖曳式高精度智能电磁感应装备

拖曳式高精度智能电磁感应装备利用工程测量车为载体，以5～15 km/h的检测速度在行进过程中实时采集数据和处理成图，并通过人工智能识别技术，第一时间对渠堤50 m深度以内的渗漏、填筑不密实等隐患进行快速识别，圈定异常区域。

本装备解决了净二次场提取、大电流关断等关键技术问题，具有检测速度快（10 km/h）、深度大（超过50 m）、横向分辨率高（0.2 m）、抗干扰能力强及稳定性突出等特点。

（7）水下防渗衬砌智能检测装备

水下防渗衬砌智能检测装备主要解决衬砌及其基础破坏检测问题，利用无人船搭载低频声纳来穿透水底，从而获取混凝土内部和基础的结构成像信息。静水最大检测水深50 m，最大速度可达4 m/s，水底最大穿透深度大于5 m。本装备实现了设备的轻量化、4 kHz检测、无人船搭载和水下检测等功能。

4.预警系统

监测检测智能预警系统是含多源监测检测数据管理、多源分析与评价、风险因子动态识别、智能预警和BIM+3DGIS可视化展示等功能于一体的集成系统。

通过分析南水北调工程现有的监测检测数据类型和格式，集成多源监测检测数据的智能分析与综合评价、大数据深度挖掘分析算法、信息细节层次模型的轻量化显示等关键技术，开发出一套基于B/S架构的适用于南水北调工程的数据分析与智能预警处置集成系统，并接入工程监测系统，与7套检测装备一起在河南省新乡市南水北调工程100 km渠段及典型建筑物进行了示范，示范结果证明了装备及系统的实用性。

四、结论与展望

1.结论

本研究探索了南水北调工程大型建筑物及渠道性能演变与病害成因，提出了运行安全检测技术标准。针对大型建筑物，研发了PCCP管放空检测装备和水下综合诊断成套装备、输水涵隧水下综合检测装备、渡槽结构车载综合检测装备。针对渠道工程（线性工程），研发了无人机载一体化智能巡检装备、拖曳式高精度智能电磁感应装备、水下防渗衬砌智能检测装备。7套装备从点到面、从局部到整体，结合监测系统的提升，空-地-水三位一体，实现对南水北调工程性态全覆盖的快速智能感知，并开发完成基于监测检测大数据分析的智能预警系统，综合检测效率提升50%以上。

2.展望

工程监测与检测的快速化与智能化是智慧南水北调工程泛感知系统提升的基础。目前，监测与检测装备的效率、精度、智能化及对工程实体的覆盖面仍有较大提升空间，需要进一步开展相关研究。