基于红外热成像法的隧道渗漏水检测技术

毛 南 平

(国网宁波供电公司，浙江 宁波 315000)



基于红外热成像法的隧道渗漏水检测技术

毛 南 平

(国网宁波供电公司，浙江 宁波 315000)

基于红外热成像法的基本原理，提出了基于红外热成像法的隧道渗漏水检测方法，并通过试验，检测了该方法在隧道检测中的可行性与检测精度，指出该方法可以得出渗漏水处的面积,为解决隧道修复不当的问题提供了依据。

红外热像，电缆隧道，渗漏水检测，渗漏水面积

0 引言

随着国家的迅速发展，电力需求不断增加，电力电缆数量也随之增加。由于不占用地上空间，对周围环境影响小以及不易受气候变化影响等特点，电缆隧道也逐渐发展起来,随之而来的电缆隧道病害也慢慢显现出来，其中渗漏水对于电力设施来说是一个严重的问题。隧道水害对隧道结构稳定、洞内电力设施、运营检修安全等产生诸多不良影响，甚至可能会危及隧道功能的实现[1]。《地下工程防水技术规范》中规定电缆隧道防水等级不得小于二级，即不允许漏水，结构表面可有少量湿渍，但总湿渍面积不应大于总防水面积的6/1 000，任意100 m2防水面积上的湿渍不超过4处，单个湿渍的面积不大于0.15 m2。目前国内外用于隧道渗漏水的研究主要体现在渗漏形式及处理方式以及渗漏水检测的研究上。

蒲春平等[2]研究了国内隧道及地下工程渗漏状况及防水的形式和做法;于利，罗国权，葛群，吕英干等[3-6]以实际的特定的隧道为例研究了隧道渗漏水原因及防水治理方法;郭英波，马春波等[7,8]研究了火电工程中电缆隧道结构裂缝变形的原因，并提出了可行性控制方法；李固华,罗勇等[9,10]研究了隧道衬砌裂缝的成因，并提出了综合预防病害的措施。

隧道渗漏水检测技术主要有传统的方法及地质雷达法等，其中传统的检测方法为人工检测，检测效率低，精度低且劳动量大，而地质雷达检测法不适用于远距离的渗漏检测且工作量大[11]。红外成像法凭借其响应速度快、测量范围宽、非接触测量及测量结果直观形象的特点受到广泛的关注。

A.Haack 和 J.Schreyer等[12]总结了无损检测的各种方法及相应的实验，指出了红外热成像技术检测隧道渗漏水的可行性。Terumi Inagaki和Yoshizo Okamoto[13]通过实验研究了不同条件下孔渗漏的红外辐射规律。豆海涛等[14,15]通过实验研究了不同渗漏状态对应的红外热图像规律及其影响因素，他们都只给出了部分红外热像规律,而没有给出一种可以实际应用的判断依据。

综上所述，目前对于电缆隧道渗漏水的研究主要集中在如何检测以及如何修复上，而对于判断隧道渗漏水处是否需要修复这一问题至今还没有人进行相应的研究。修复不及时以及过度修复都会对电缆隧道带来危害，影响其使用寿命，所以，合理的判断隧道渗漏水处是否需要修复是必须的。针对缺乏红外技术实际用于隧道渗漏水检测的依据，本研究组提出了一种红外热像隧道渗漏水检测技术，该技术可以对测得的渗漏水处的红外热像图进行处理得出渗漏水面积，同时通过将渗漏水面积与电缆隧道防水要求做对比,进而判断出该隧道是否需要修复。

1 红外检测原理

1.1 红外检测技术基本原理

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，当物体处于绝对零度以上时，因为其内部带电粒子的运动，以不同波长的电磁波形式向外辐射能量，波长涉及紫外、可见、红外光区，但主要处于(0.8～15)μm 的红外区内，物体自身的辐射是各个方向的，其红外辐射能量大小按其波长的分布与其表面温度有着十分密切的关系，因此通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确的得到物体表面的温度。

黑体的辐射能量与其温度的关系由史蒂芬—波兹曼定律给出。其数学表达式为：

W=ε×δ×T4

(1)

其中，δ为普朗克常数；ε为辐射率；T为绝对温度。

红外渗漏水检测时是测量通过物体表面的温度差，由于水的温度比隧道衬砌表面温度低，当隧道渗水时，有水的位置温度要比其他部位低一些，利用这些存在温度差的图像，可直观的看出隧道表面的渗漏水情况。

1.2 红外成像仪工作原理

红外热成像技术是一门获取和分析来自非接触热成像装置的热信息的科学技术，正如照相技术记录的是物体反射的可见光的信息，热成像技术记录的则是物体辐射的能量信息。红外热像仪将不可见的红外辐射转换成可见的图像，其成像原理如图1所示。物体的红外辐射经过光学系统聚焦到焦平面探测器上，探测器产生电信号，经过放大及数字化到热像仪的电路处理部分，从而生成红外图像。

2 红外图像处理

红外图像处理是整个测试系统的关键部分，其具体流程如图2所示。

为了减少图像处理过程中的数据量以及简化处理算法，首先将红外热像图转为灰度图。

数字图像用于后期应用，其噪声是最大的问题，因此需要对图像进行降噪处理。本文采用高斯滤波法对图像进行处理。高斯滤波是一种线性平滑滤波，是对整幅图像进行加权平均的过程。

图像二值化是图像处理中的一项基本技术，图像二值化时阀值的选择是非常关键的，本文采用最大类间方差法进行阀值的计算。

对图像进行边缘化处理，将低温区提取出来，然后进一步计算出渗水区面积。对于渗水区面积的求法，首先提取出红外图像中低温区所占像素数，然后计算出低温区所占像素数与整张图片的像素数的比值，该比值即为渗水区域面积占所测量面积的比例，进而根据实际测量面积求出渗水区域的面积值。根据红外热像仪检测范围分析图(见图3)，得出红外热像仪所测实际面积可表示为：

A1=W1·H1

(2)

其中：

(3)

(4)

其中，α为热像仪宽度方向视场角；β为热像仪高度方向视场角；d为镜头到被测物体的距离；W1为测量范围宽度方向的尺寸；H1为测量范围高度方向的尺寸。

3 实验

实验设备采用MAG32红外热像仪，其主要参数如表1所示，实验设备如图4所示。

表1 MAG32红外热像仪参数表

本实验采用了定制的水泥块模拟隧道不同大小的点状缺陷，实验过程中通过可控流速与流量的供水装置对水泥块持续供水，红外热像仪安装在高度与转向可调的三角支架上。测量时镜头到被测物体的距离d=400 mm。

任选一水泥块实验时测得的红外热像图(如图5a)所示)进行处理提取其低温区域面积如图5b)所示。由软件分析得出其低温区即渗水面积为1 520.8 mm2，与实测结果相符。

为了检测该渗漏水检测技术在实际隧道检测中的可行性及检测精度，本文对使用实验中所用装备对隧道内部渗漏水处拍摄的红外热像图(如图6a)所示)进行了处理，提取出的渗水部分如图6b)所示，其面积大小为4 499.03 mm2，与实测渗水面积相符。

4 结语

实验证明本文中描述的基于红外热成像法的隧道渗漏水检测技术可以检测出很小面积的渗水情况并准确的计算出其渗水面积。统计各处渗漏水面积大小及具体位置，并将其与电缆隧道渗漏水等级要求进行对比，从而可以判断出隧道是否需要修补以及需要修补的具体位置。此外，红外成像法响应速度快、测量范围宽、非接触测量及测量结果直观形象，本文中基于红外热成像法的隧道渗漏水检测技术原理简单，易于实现，结合隧道渗漏水要求等级的判断思想将推进其在隧道渗漏水检测中的应用。

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[2] 蒲春平,孙耀南.隧道与地下工程渗漏水现状及其防治措施综述[J].世界隧道，1999(2):45-49.

[3] 于 利,周云麟.地下管廊及电缆隧道渗漏分析及处理[J].低温建筑技术，2003(1):87.

[4] 罗国权.工厂电缆隧道渗漏分析及防水治理[A].第十届全国现代结构工程学术研讨会[C].2010.

[5] 葛 群,王 劲,吴志杰,等.老隧道裂缝、渗漏水原因分析及处理方案[J].西部探矿工程，2009(9):37.

[6] 吕英干.浅谈电缆隧道渗漏水的处理[J].浙江电力，2004(6):53-55.

[7] 郭英波,靳 波.火电工程中电缆隧道裂缝原因分析及控制[J].河北电力技术，2004(2):36.

[8] 马春波,王国权.浅析电缆隧道裂缝分析及控制[J].中国新技术新产品,2011(2):72.

[9] 李固华,郭建国.隧道衬砌裂缝和渗漏的成因、预防及治理[J].铁道建筑,2003(8):23.

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[11] 陆晓华.隧道渗漏及表观损伤检测方法对比分析[J].科技信息,2013(7):381.

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[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] 豆海涛,黄宏伟,薛亚东.隧道衬砌渗漏水红外辐射特征影响因素试验研究[J].岩石力学与工程学报,2011(8):2426.

[15] 豆海涛,黄宏伟,薛亚东.隧道渗漏水红外辐射特征模型试验及图像处理[J].岩石力学与工程学报,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，高级工程师

U456

A