基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術

毛 南 平

(國網寧波供電公司，浙江 寧波 315000)

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基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術

毛 南 平

(國網寧波供電公司，浙江 寧波 315000)

基于紅外熱成像法的基本原理，提出了基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測方法，并通過試驗，檢測了該方法在隧道檢測中的可行性與檢測精度，指出該方法可以得出滲漏水處的面積,為解決隧道修復不當的問題提供了依據。

紅外熱像，電纜隧道，滲漏水檢測，滲漏水面積

0 引言

隨著國家的迅速發展，電力需求不斷增加，電力電纜數量也隨之增加。由于不占用地上空間，對周圍環境影響小以及不易受氣候變化影響等特點，電纜隧道也逐漸發展起來,隨之而來的電纜隧道病害也慢慢顯現出來，其中滲漏水對于電力設施來說是一個嚴重的問題。隧道水害對隧道結構穩定、洞內電力設施、運營檢修安全等產生諸多不良影響，甚至可能會危及隧道功能的實現[1]。《地下工程防水技術規范》中規定電纜隧道防水等級不得小于二級，即不允許漏水，結構表面可有少量濕漬，但總濕漬面積不應大于總防水面積的6/1 000，任意100 m2防水面積上的濕漬不超過4處，單個濕漬的面積不大于0.15 m2。目前國內外用于隧道滲漏水的研究主要體現在滲漏形式及處理方式以及滲漏水檢測的研究上。

蒲春平等[2]研究了國內隧道及地下工程滲漏狀況及防水的形式和做法;于利，羅國權，葛群，呂英干等[3-6]以實際的特定的隧道為例研究了隧道滲漏水原因及防水治理方法;郭英波，馬春波等[7,8]研究了火電工程中電纜隧道結構裂縫變形的原因，并提出了可行性控制方法；李固華,羅勇等[9,10]研究了隧道襯砌裂縫的成因，并提出了綜合預防病害的措施。

隧道滲漏水檢測技術主要有傳統的方法及地質雷達法等，其中傳統的檢測方法為人工檢測，檢測效率低，精度低且勞動量大，而地質雷達檢測法不適用于遠距離的滲漏檢測且工作量大[11]。紅外成像法憑借其響應速度快、測量范圍寬、非接觸測量及測量結果直觀形象的特點受到廣泛的關注。

A.Haack 和 J.Schreyer等[12]總結了無損檢測的各種方法及相應的實驗，指出了紅外熱成像技術檢測隧道滲漏水的可行性。Terumi Inagaki和Yoshizo Okamoto[13]通過實驗研究了不同條件下孔滲漏的紅外輻射規律。豆海濤等[14,15]通過實驗研究了不同滲漏狀態對應的紅外熱圖像規律及其影響因素，他們都只給出了部分紅外熱像規律,而沒有給出一種可以實際應用的判斷依據。

綜上所述，目前對于電纜隧道滲漏水的研究主要集中在如何檢測以及如何修復上，而對于判斷隧道滲漏水處是否需要修復這一問題至今還沒有人進行相應的研究。修復不及時以及過度修復都會對電纜隧道帶來危害，影響其使用壽命，所以，合理的判斷隧道滲漏水處是否需要修復是必須的。針對缺乏紅外技術實際用于隧道滲漏水檢測的依據，本研究組提出了一種紅外熱像隧道滲漏水檢測技術，該技術可以對測得的滲漏水處的紅外熱像圖進行處理得出滲漏水面積，同時通過將滲漏水面積與電纜隧道防水要求做對比,進而判斷出該隧道是否需要修復。

1 紅外檢測原理

1.1 紅外檢測技術基本原理

任何物體都具有不斷輻射、吸收、發射電磁波的本領，當物體處于絕對零度以上時，因為其內部帶電粒子的運動，以不同波長的電磁波形式向外輻射能量，波長涉及紫外、可見、紅外光區，但主要處于(0.8～15)μm 的紅外區內，物體自身的輻射是各個方向的，其紅外輻射能量大小按其波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關系，因此通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確的得到物體表面的溫度。

黑體的輻射能量與其溫度的關系由史蒂芬—波茲曼定律給出。其數學表達式為：

W=ε×δ×T4

(1)

其中，δ為普朗克常數；ε為輻射率；T為絕對溫度。

紅外滲漏水檢測時是測量通過物體表面的溫度差，由于水的溫度比隧道襯砌表面溫度低，當隧道滲水時，有水的位置溫度要比其他部位低一些，利用這些存在溫度差的圖像，可直觀的看出隧道表面的滲漏水情況。

1.2 紅外成像儀工作原理

紅外熱成像技術是一門獲取和分析來自非接觸熱成像裝置的熱信息的科學技術，正如照相技術記錄的是物體反射的可見光的信息，熱成像技術記錄的則是物體輻射的能量信息。紅外熱像儀將不可見的紅外輻射轉換成可見的圖像，其成像原理如圖1所示。物體的紅外輻射經過光學系統聚焦到焦平面探測器上，探測器產生電信號，經過放大及數字化到熱像儀的電路處理部分，從而生成紅外圖像。

2 紅外圖像處理

紅外圖像處理是整個測試系統的關鍵部分，其具體流程如圖2所示。

為了減少圖像處理過程中的數據量以及簡化處理算法，首先將紅外熱像圖轉為灰度圖。

數字圖像用于后期應用，其噪聲是最大的問題，因此需要對圖像進行降噪處理。本文采用高斯濾波法對圖像進行處理。高斯濾波是一種線性平滑濾波，是對整幅圖像進行加權平均的過程。

圖像二值化是圖像處理中的一項基本技術，圖像二值化時閥值的選擇是非常關鍵的，本文采用最大類間方差法進行閥值的計算。

對圖像進行邊緣化處理，將低溫區提取出來，然后進一步計算出滲水區面積。對于滲水區面積的求法，首先提取出紅外圖像中低溫區所占像素數，然后計算出低溫區所占像素數與整張圖片的像素數的比值，該比值即為滲水區域面積占所測量面積的比例，進而根據實際測量面積求出滲水區域的面積值。根據紅外熱像儀檢測范圍分析圖(見圖3)，得出紅外熱像儀所測實際面積可表示為：

A1=W1·H1

(2)

其中：

(3)

(4)

其中，α為熱像儀寬度方向視場角；β為熱像儀高度方向視場角；d為鏡頭到被測物體的距離；W1為測量范圍寬度方向的尺寸；H1為測量范圍高度方向的尺寸。

3 實驗

實驗設備采用MAG32紅外熱像儀，其主要參數如表1所示，實驗設備如圖4所示。

表1 MAG32紅外熱像儀參數表

本實驗采用了定制的水泥塊模擬隧道不同大小的點狀缺陷，實驗過程中通過可控流速與流量的供水裝置對水泥塊持續供水，紅外熱像儀安裝在高度與轉向可調的三角支架上。測量時鏡頭到被測物體的距離d=400 mm。

任選一水泥塊實驗時測得的紅外熱像圖(如圖5a)所示)進行處理提取其低溫區域面積如圖5b)所示。由軟件分析得出其低溫區即滲水面積為1 520.8 mm2，與實測結果相符。

為了檢測該滲漏水檢測技術在實際隧道檢測中的可行性及檢測精度，本文對使用實驗中所用裝備對隧道內部滲漏水處拍攝的紅外熱像圖(如圖6a)所示)進行了處理，提取出的滲水部分如圖6b)所示，其面積大小為4 499.03 mm2，與實測滲水面積相符。

4 結語

實驗證明本文中描述的基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術可以檢測出很小面積的滲水情況并準確的計算出其滲水面積。統計各處滲漏水面積大小及具體位置，并將其與電纜隧道滲漏水等級要求進行對比，從而可以判斷出隧道是否需要修補以及需要修補的具體位置。此外，紅外成像法響應速度快、測量范圍寬、非接觸測量及測量結果直觀形象，本文中基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術原理簡單，易于實現，結合隧道滲漏水要求等級的判斷思想將推進其在隧道滲漏水檢測中的應用。

[1] 陳孝湘,李廣福,吳勤斌.電力電纜隧道結構常見病害分類及防治[J].電力勘測設計，2015(1):10-14.

[2] 蒲春平,孫耀南.隧道與地下工程滲漏水現狀及其防治措施綜述[J].世界隧道，1999(2):45-49.

[3] 于 利,周云麟.地下管廊及電纜隧道滲漏分析及處理[J].低溫建筑技術，2003(1):87.

[4] 羅國權.工廠電纜隧道滲漏分析及防水治理[A].第十屆全國現代結構工程學術研討會[C].2010.

[5] 葛 群,王 勁,吳志杰,等.老隧道裂縫、滲漏水原因分析及處理方案[J].西部探礦工程，2009(9):37.

[6] 呂英干.淺談電纜隧道滲漏水的處理[J].浙江電力，2004(6):53-55.

[7] 郭英波,靳 波.火電工程中電纜隧道裂縫原因分析及控制[J].河北電力技術，2004(2):36.

[8] 馬春波,王國權.淺析電纜隧道裂縫分析及控制[J].中國新技術新產品,2011(2):72.

[9] 李固華,郭建國.隧道襯砌裂縫和滲漏的成因、預防及治理[J].鐵道建筑,2003(8):23.

[10] 羅 勇.隧道襯砌開裂機理及控制方法研究[D].成都：西南交通大學碩士學位論文,2011.

[11] 陸曉華.隧道滲漏及表觀損傷檢測方法對比分析[J].科技信息,2013(7):381.

[12] A.Haack,J.Schreyer,G.Jackel.State-of-the-art of Non-destructive Testing Methods for Determining the State of a Tunnel Lining[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1995,4(10):413-431.

[13] Inagaki T,Okamoto Y.Diagnosis of the leakage point on a structure surface using infrared thermography in near ambient conditions[J].Ndt & amp;E International,1997(2):99.

[14] 豆海濤,黃宏偉,薛亞東.隧道襯砌滲漏水紅外輻射特征影響因素試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2011(8):2426.

[15] 豆海濤,黃宏偉,薛亞東.隧道滲漏水紅外輻射特征模型試驗及圖像處理[J].巖石力學與工程學報,2011(6):3386.

A detection technology of tunnel leakage based on infrared thermal imaging method

Mao Nanping

(StateGridNingboPowerSupplyCompany,Ningbo315000,China)

The basic principles of infrared thermal imaging are introduced, and a detection technology of tunnel leakage based on infrared thermal imaging method is presented. By the test, the paper tests the feasibility and test accuracy of the method in the tunnel test. The leakage area can be obtained by this method, and the further evidence for tunnel repair is provided.

infrared thermography, cable tunnel, water leakage detection, leakage area

1009-6825(2016)31-0181-03

2016-08-25

毛南平(1966- )，男，高級工程師

U456

A