基于三维波电场耦合全息成像的堤坝隐患诊断技术研究

Adopt multi-means such as theoretical analysis, model test, numerical simulation, signal analysis, image processing, software programming and field tests, based on the existing conclusions , combined application of wave scattering theory, surface wave holography imaging principle and direct electric field theory, the forward and inverse theory model of 3D wave propagation scattering tomography imaging and resistivity tomography imaging is established with simulation of scattered wave field on dams of isotropic heterogeneous medium and direct electric field, the parameters of 3D dam structural, compaction index and seepage index are studied by inversion method according to the imaging results of wave electric field parameters in dam; On that basis,3D holographic imaging of internal structure of dam is constructed by holographic imaging theory, wavelet theory and HHT transform method, the diagnosis technique of 3D wave and electric field coupling holographic imaging for hidden defects of dam is formed by model test and optimization research on interpretation method of field test to the observation system , signal collection and hazard diagnosis. This project is the further development on the research of 2D wave and electric field coupling imaging diagnostic technique, which overcomes the limitation of theory and engineering application on 2D imaging diagnosis technology, it has a great theoretical significance and practical significance to promote the progress of hidden defects diagnosis and detection technology in hydraulic project and high level of innovation.

采用理论分析、模型试验、数值模拟、信号分析、图象处理、软件编制和现场测试等多种手段，基于已有研究成果，运用波动散射理论、面波全息成像原理和直流电场理论，通过对各向同性的非均匀介质堤坝散射波场和直流电场的模拟，建立三维波动散射层析成像和电阻率层析成像的正反演理论模型，并依据堤坝的波电场参数的成像结果，对三维坝体结构参数以及压实指数和渗漏指数进行反演研究；在此基础上运用全息成像理论、小波理论、HHT变换等实现对堤坝内部结构的三维全息图像的构建，并通过模型试验和现场试验对观测系统、信号采集方法和隐患诊断的解释方法进行优化研究，从而形成堤坝隐患的三维波电场耦合全息成像诊断技术。本项目是对二维波电场耦合成像诊断技术的进一步深化研究，克服了二维成像诊断在理论和工程应用方面存在缺陷，对于推动水利工程隐患诊断与检测技术的进步具有重要的理论意义和现实意义，具有较高的创新层次。

本项目采用理论分析、模型试验、数值模拟、信号分析、图象处理、软件编制和现场测试等多种手段相结合的研究方法，通过对含隐患堤坝的散射波特征场和直流电场特征的深入系统的研究，提出了一种室内击实试件的横波波速测试方法、分析推导出了多相土石复合介质电阻率特性的理论模型、均质堤坝和含隐患土石堤坝三维电场分布的理论描述；建立了含隐患土石堤坝的反射波成像诊断正反演模型、横观各向同性堤坝隐患非线性反演分析模型以及含隐患土石堤坝三维电阻率成像反演分析模型。提出了基于小波变换理论的土石坝渗漏诊断图像处理方法，研发了含隐患土石堤坝的反射波成像分析软件系统、土石堤坝渗漏诊断图像处理软件系统，实现了土石堤坝内部隐患的空间分布形态和渗漏路径的三维成像和准确定位。最后通过堤坝隐患诊断模型试验和工程应用进一步验证了三维波电场耦合全息成像诊断技术的现场测试系统、采集信号的数字处理方法、图像处理技术以及堤坝隐患诊断结果的可行性和可靠性。. 研究结果表明，基于三维波场和电场特征分析的三维波电场耦合全息成像方法明显优越于二维波电场耦合成象诊断，特别是三维波场和电场特征有助于提高诊断的准确性和分辨率。而图像处理技术将反演后的数据进一步处理，可以得到三维土石堤坝内部结构图像，加强了视觉效果，实现了波电透视，能直接查看波电参数异常在空间的分布规律，从而查明隐患分布形态，提高了含隐患土石堤坝三维成像识别精度。研究成果对病险土石堤坝的安全评估和治理具有重要的指导意义，极具推广应用价值。项目研究，出版学术专著1部、发表学术论文16篇、获得国家发明专利1项、获得国家计算机软件著作权1项。培养毕业博士研究生1名、毕业硕士研究生4名，在研博士研究生2名、硕士研究生1名。