基于機器視覺的水利樞紐工程生態脆弱區地基滲流仿真分析

付永帥

(北京中鐵生態環境設計院有限公司，北京 102600)

0 引言

目前建設的水利樞紐工程均使用滲透材料提升大壩的滲透性，但依然存在一定滲透風險[1]。文獻[2]研究使用ABAQUS有限元軟件建立了復合桶形基礎模型進行有限元分析。文獻[3]研究的雙重介質水滲流規律仿真方法。文獻[4]研究在不同河水水頭差下的水利樞紐工程的地基剪切帶滲透破壞性。但文獻[2]方法在采樣時間跨度較長，不適用于當前地基滲流研究模式，而文獻[3]、[4]角度僅適用于河流落差較大區域，不具備普適性。

因此，本文引入了機器視覺技術，創新性地將生態脆弱區域二維模型的柱坐標系沿著其斷面方向旋轉適當角度后，在地基滲流方程和邊界條件下進一步確認位置邊界，高效識別水利樞紐工程的生態脆弱區域，有針對性地研究該區域的地基滲透情況，以提升水利樞紐工程生態脆弱區域的地基滲流時的安全性。

1 水利樞紐工程生態脆弱區地基滲流仿真

1.1 生態脆弱區識別

1.1.1生態圖像采集與濾波處理

由于水利工程為大宗工程[5]，人工拍攝其區域圖像難度較大，在此選擇無人機搭載彩色相機方式拍攝其區域圖像，設置無人機飛行路線，并使用多架無人機遙協同操控完成拍攝任務。所設置多自主機器人系統采用分層式結構，以保證整個系統既適于統一領導，又滿足系統靈活、快速的需求。多自主機器人協同規劃體系結構按照分層式結構建立兩種工作模式：事先的離線規劃由主控單元負責，首先獲得協同任務，經過規劃器得到具體的行為運動規劃，并分發給各分系統執行單元，相關的知識域中主要是用于描述各分系統協商規則的協商域，主控單元從外界獲取環境信息，從各分系統獲取狀態信息；當遇到突發事件或緊急任務變更以及主控單元停止工作時，各分系統采用分布式結構，單獨規劃各自運動行為，并從各自的知識域中獲取協商方式，外界環境信息由主控單元發送和自我感知相結合獲得，主控單元停止工作時，僅靠自我感知獲取信息，各機器人信息的傳輸由機器人間的數據鏈實現。通過圖搜索法并依靠已知的環境地圖以及地圖中的障礙物信息，構造從起點到終點的可行路徑，優先擴展深度小的節點，呈現波狀的搜索方式。

利用無人機內置通信系統將拍攝的水利樞紐工程區域圖像回傳至地面PC端。受無人機拍攝環境的光照度、大氣輻射等因素影響[6-7]，其拍攝的水利樞紐工程圖像存在大量干擾噪聲，使用鄰域平均濾波算法對水利樞紐工程圖像進行預處理，過程如下：

水利樞紐工程圖像內存在的噪聲具備不確定性，其噪聲干擾是隨機的。但干擾噪聲與圖像內的像素點之間為對立關系[8]，其導致圖像內鄰近像素點的灰度值存在一定差異。令(i，j)表示水利樞紐工程圖像內的像素點，該像素點的真實灰度值由f(i，j)表示。以(i，j)為原點選取尺寸為N×N的窗口，令該窗口內的像素點f(x，y)的集合為A，對該集合進行鄰域平均法濾波處理，則像素(i，j)的輸出表達式如下：

(1)

利用上述公式即可輸出去除噪聲處理后的水利樞紐工程圖像的真實像素點。對水利樞紐工程圖像內所有像素點進行此操作后，即可得到無噪聲干擾的圖像。

1.1.2迭代輸出

獲得無噪聲干擾的水利樞紐工程圖像后，使用RBF(Radial Basis Function，RBF)神經網絡模型識別其生態脆弱區域。RBF神經網絡模型由若干層構成，其中其隱含層內存在高斯函數和輻射狀函數[9]，可提取圖像區域特征，而其輸出層內則為線性函數，其輸出的識別結果線性逼近度極高。使用RBF神經網絡模型識別水利樞紐工程生態脆弱區域過程如下：

利用開窗方法從水利樞紐圖像內提取若干子圖像作為RBF神經網絡模型訓練樣本，以剩余圖像作為測試樣本。

第一步：對RBF神經網絡模型進行初始化處理。設置其網絡權值為較小且分布均勻的小數值，且設置基函數中心點寬度為最小數值。

第二步：計算隱含層、輸出層內每個神經元數值。

第三步：判斷輸出層輸出值為極小或者最小數值時，即為識別結果，反之增加測試樣本數量反復迭代直至輸出層輸出值為極小值或最小值為止。

RBF神經網絡經過上述步驟即可識別水利樞紐工程圖像內生態脆弱區域，為該區域地基滲流提供計算基礎。

1.2 生態脆弱區有限元建模

有限元模型是將連續的幾何結構離散成有限個單元，每個單元內存在有限個節點，可依據有限個節點使用定場函數計算其未知量在每個單元內的近似差值[10-11]，并利用有限元方程組計算整個幾何結構變化數值。

1.2.1單元方向定位

由于水利樞紐工程輪廓面多為圓弧形，導致其各個單元的方向不統一[12-13]，因此需對其所有單元的局部坐標系進行方向定位。在生態脆弱區域的命令流文件內獲取其平面模型，依據各個單元拼接關系搜尋互相連接的單元，將各個單元的方向調整一致[14]。單元方向定位詳細流程如圖1所示。

圖1 單元方向定位詳細流程

圖1內，單元方向定位以生態脆弱區域二維平面模型內x方向坐標軸內取任意2個節點I、J，在y軸方向選擇節點L，以3個節點為正確坐標，通過不斷向左或向右旋轉生態脆弱區域二維平面模型，使方向節點保持與坐標系方向相同即完成生態脆弱區域單元方向定位。

1.2.2創新性構建生態脆弱區域三維模型

對水利樞紐工程生態脆弱區域二維模型單元定位完成后，以其圖形信息內的線為基礎，使用有限元軟件內調取函數標記圖形內線編號和端點坐標，生成生態脆弱區域二維模型。將該二維模型總體坐標系轉換為柱坐標系，在Ansys有限元軟件內將生態脆弱區域二維模型的柱坐標系沿著其斷面方向旋轉適當角度后，獲得其周向上的兩個斷面所有節點，使其二維平面模型的平面單元內4個節點變成三維的8個節點。旋轉后的三維節點相連形成水利樞紐生態脆弱區域三維模型。

為更精準地模擬水利樞紐工程生態脆弱區地基滲流情況，使用Ansys有限元軟件對水利樞紐工程生態脆弱區域分布進行簡化處理，其步驟如下：

第一步：去除生態脆弱區域圖像內的尺寸、中心線等標記。調整區域位置，使其軸向線與有限元軟件坐標軸重合，在隱含層內，引入高斯函數和輻射狀函數，可提取圖像區域特征，而其輸出層內則為線性函數，其輸出的識別結果線性逼近度極高。

第二步：在不影響其其分布區間狀態下，去除繁雜的遮擋，并使用網格工具劃分生態脆弱區域網格。

第三步：去除區域相交線過長、過短以及重合部分，保障區域相交線均首尾相連。

第四步：使用Ansys命令格式生成生態脆弱區域的命令流文件。

1.3 地基滲流計算與邊界條件確定

建立好水利樞紐工程生態脆弱區有限元模型后，該模型依據其地基滲流方程和邊界條件計算其地基滲流情況。

令Ux、Uz分別表示以坐標軸x方向和z方向的滲透系數，則地基滲流的恒定微分表達式如下：

(2)

式中，O—水頭函數。

水頭函數計算公式為：

O=J/ρg+T

(3)

式中，J—單元土體中心位置水壓數值；ρ—流體密度；g—重力加速度；T—水頭位置。

地基的透水率和滲透系數是衡量其滲流的重要指標[15]，計算地基的透水率和滲透系數，其表達公式如下：

(4)

式中，q、Kh—透水率和滲透系數；Y、L—壓入流量和滲透長度；r—滲透半徑。

依據上述地基滲流的恒定微分方程以及透水率、透水系數計算方式可知，地基滲流的邊界僅與其上下游水頭、壓力和滲出端高程相關，因此其位置邊界和流量邊界條件表達公式為：

(5)

水利樞紐工程生態脆弱區有限元模型依據上述滲透計算公式和邊界條件，在其模擬環境內可輸出地基滲透詳細信息。

2 仿真實驗分析

以某水利樞紐工程為實驗對象，該水利樞紐工程為水力發電工程，兼具泄洪、泥沙攔截功能。其大壩主體與河床均使用土質心墻堆砌而成，總高度為188m，大壩頂部橫跨509m，其儲水水位區間為720～866m。大壩所處位置為U形峽谷地貌，河床底部為若干層漂卵石、卵礫石等石塊與泥沙沉積物。大壩建設材料的滲透系數見表1。

表1 大壩建設材料滲透系數

依據該水利樞紐工程的大壩建設材料滲透系數和規模，使用本文方法構建該水利樞紐工程生態脆弱地區有限元模型并模擬其地基滲流情況。圖2為本文方法構建的該水利樞紐工程生態脆弱區域有限元模型。

圖2 水利樞紐工程生態脆弱地區有限元建模模型

2.1 水利樞紐工程生態圖像預處理測試

以無人機搭載彩色攝像機采集的一組水利樞紐工程航拍圖像為實驗對象，使用本文方法對其進行去除噪聲干擾預處理，結果如圖3所示。

圖3 水利樞紐工程生態圖像預處理結果

分析圖3可知，無人機搭載彩色攝像機拍攝到的水利樞紐工程初始圖像亮度不夠，圖像整體基調較灰暗，且河道邊緣受干擾噪聲的存在不夠清晰。而經過本文方法對其進行去除干擾噪聲處理后，水利樞紐工程圖像明暗度得到較好的提升且圖像色彩鮮明，輪廓邊緣清晰，其對比度和飽和度均較初始圖像增強較大。上述結果說明本文方法具備良好地圖像處理功能，可有效地為水利樞紐工程生態脆弱地區的識別提供圖像基礎。

2.2 生態脆弱地區識別測試

以該水利樞紐工程一組堤壩圖像為實驗對象，使用本文方法識別其生態脆弱區域，識別結果詳如圖4所示。

圖4 水利樞紐工程生態脆弱區域識別結果

分析圖4可知，該水利樞紐工程的生態脆弱區域位于河流堤壩的迎水面和河流流向變更區域，其迎水面的河堤位置的生態脆弱區域相對較小，而河流流向變更處則受水流向改變的水頭沖擊力影響其生態脆弱區域則較大。而本文方法對該水利樞紐工程生態脆弱區域識別范圍與其實際位置完全相符，表明本文方法識別能力較強，可為研究其地基滲流提供支持。

2.3 有限元建模效果測試

以單元方向定位作為衡量本文方法有限元建模能力指標，以水利樞紐工程生態脆弱區域有限元正方形單元為實驗對象測試本文方法構建的水利樞紐工程生態脆弱區域模型能力，結果如圖5所示。

圖5 單元方向定位測試結果

分析圖5可知，在未進行定位前，該單元頂點分布為傾斜狀態。而經過本文方法進行方向定位后，將其由傾斜狀態變為正向狀態，且圖形保持較好完整度。上述結果說明本文方法具備較強的有限元建模單元方向定位能力，可充分輔助模擬水利樞紐工程生態脆弱區域地基滲流情況。

2.4 生態脆弱區域滲流分析

使用本文方法仿真該水利樞紐工程生態脆弱區域在其分流時的壩體水流浸潤線分布情況，結果如圖6所示。

圖6 壩體水流浸潤線

在圖6內壩體水流浸潤線最高位置、壩體中部位置和壩體底部設置3個測試點，使用本文方法仿真其地基滲流不同時間時其滲流的垂直厚度，結果見表2。

表2 壩體不同浸潤線位置處滲流垂直厚度 單位：mm

分析表2可知，隨著仿真時間的增加，3個測試點滲透時的垂直厚度不斷增加，但仿真時間較短時其垂直厚度增加幅度稍大。隨著仿真時間的增加，3個測試點滲透時的垂直厚度增加極為緩慢。其原因為地面向下土壤結構的變化，該結構上部分為松軟的土壤和砂石混合物，而土壤結構越向下其結構越堅硬，因此其滲透性較差。而從3個測試點位置來分析，越靠近壩基頂部位置的測試點其垂直厚度數值越小，位于壩基底部C測試點的垂直厚度數值較大。該狀況是因為壩基底部受水壓以及長時間受水浸潤使其滲水了不斷增加，而測試點B和A位置相對受的水壓和水浸潤時間數值均較小，其垂直滲透厚度則較短。

從3個測試點的滲流橫向帶寬空間分布角度分析其生態脆弱區域滲流特征，結果如圖7所示。

圖7 測試點滲流橫向帶寬分布情況

分析圖7可知，測試點越靠近壩基底部，其橫向滲透帶寬數值越大。在3個測試點中，測試點A和測試點B的橫向滲透帶寬數值相差較少，而測試點C的橫向滲透帶寬最大接近14mm，其原因與測試點所處位置和土層結構均相關，總體原因與滲流垂直厚度不同原因相同。

綜合上述兩個仿真實驗結果，水利樞紐工程生態脆弱區域地基滲流的垂直厚度和滲流橫向帶寬均受滲透位置和土層結構影響較大，且越靠近堤壩底部位置處其滲透垂直厚度和橫向帶寬數值越大。

當水利樞紐工程泄洪或者間歇發電時，會向下游排放大量水源，河流堤壩內的水壓不盡相同，仿真在不同水壓情況下，3個測試點滲流量變化情況，結果見表3。

表3 不同水壓時3個測試點滲流量變化情況 單位：L/min

分析表3可知，水利樞紐工程生態脆弱區域地基滲流時的滲流量與其水壓成正相關關系，而越靠近壩基底部位置其滲流量區間越大。雖然水壓上升的跨度相同，但3個測試點的滲流量區間表現為成千倍上升。

3 結論

本文將機器視覺技術應用到水利樞紐工程生態脆弱區域地基滲流研究過程中，以無人機搭載攝像機方式獲取水利樞紐工程區域圖像，拍攝水利樞紐工程區域圖像，構建水利樞紐工程生態脆弱區有限元模型，將柱坐標系沿著其斷面方向旋轉適當角度后，二次優化圖像預處理能力、三維模型構建能力，進一步確認位置邊界，模擬其地基滲流情況，通過實驗呈現了本文方法所獲取的識別結果，包括壩體水流浸潤線、壩體不同浸潤線位置處滲流垂直厚度、滲流橫向帶寬空間分布角度、滲流量變化情況，以供研究人員參考，保證生態脆弱區地基滲流仿真分析效果，助力水利樞紐工程生態保護。