土石堤坝的渗漏隐患排查与治理是水利工程领域关注的热点问题之一,目前国内外多采用电阻率层析成像的方法进行土石坝体渗漏诊断,然而由于缺乏对土石堤坝三维电场分布规律以及渗流场演变过程中三维电场变化规律的深入系统研究,致使基于电阻率成像的土石堤坝渗漏诊断的准确性和全面性不足。为此,本文依托国家自然科学基金项目(51279219、51879017),综合采用理论分析、物理试验、数值模拟以及数字图像处理等手段,就土石堤坝三维电场分布规律及渗漏诊断技术开展系统研究,主要研究内容及成果如下:(1)土石堤坝三维电场分析的数学模型研究在前人研究基础上,通过分析土石堤坝渗漏破坏的隐患及其特点,建立了非均质堤坝不同类型隐患体的概化数学模型,并推导了点源场中非均质土石堤坝裂缝、洞穴及渗漏通道三维电场分布的数学解析表达式。(2)土石堤坝三维电场分布规律的数值模拟研究从电场模拟所要满足的基本方程出发,通过离散方程及其所应满足的边界条件,将三维问题中无限域转换为有限域进行模拟求解。求解过程采用Delphi语言编制有限元程序,采取调用R语言计算和SQLite数据库存储处理等措施进行求解加速。研究结果表明,优化处理后电场分布计算的总体速度可提升7%,计算机内存耗用量减少20%;通过调用Surfer成像软件呈现了不同隐患类型的三维电场分布图像,获得了点源场中不同隐患类型的电场响应特征。同时,基于电场强度理论及电流连续理论,分析了三维电场产生变化的原因,为采取电阻率图像识别方法诊断非均质堤坝隐患类型提供了依据。(3)土石堤坝渗流场演变过程中的三维电场变化规律研究通过试验研究,确定了自吸水饱和过程中不同土石比试件在不同压实度条件下电阻率的变化规律,发现了土石坝体材料吸水饱和后电阻率存在动稳定变化过程。采用非饱和岩石电阻率-饱和度关系模型,对土石介质电阻率随饱和度变化规律进行拟合分析,结果显示,拟合总体状况良好。以试验研究确定的孔隙率、饱和度等参数为基础,采用COMSOL数值模拟软件,获得了均质土石堤坝渗流场演变过程中不同位置的渗透水头、水力比降,通过比较水力比降与坝体材料渗透变形破坏的临界比降,确定某一位置坝体材料是否出现渗透破坏。基于渗流场与电场关联模型研究,获取了点源电场中坝体材料渗透破坏过程的电阻率变化规律,为采用图像对比识别技术确定土石堤坝渗漏状态提供了诊断依据。同时,基于渗流场与电场关联模型研究,获得了点源场中非均质坝体内不同隐患类型的电位、电荷分布规律,从而为诊断土石堤坝渗流场中的隐患类型提供了依据。(4)土石堤坝电阻率图像处理与识别方法研究基于卷积神经网络学习方法,将土石堤坝渗漏监测的海量图片进行隐患自动筛选,采用电阻率图像对比技术,通过编写图像对比识别算法代码,获取了对比电阻率图像中隐患体色素阈值的变化率,给出了土石堤坝渗漏破坏的图像对比识别方法。(5)基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断技术及工程应用在前述研究的基础上,采用土石堤坝渗漏破坏电阻率图像的对比识别方法,结合土石堤坝饱和渗透破坏的电阻率变化率,提出了基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断技术。并以云南曲靖上西山水库土石坝体工程为依托,通过实时监测,获得同一位置、不同时刻的电阻率图像,通过图像对比分析,获得了依托工程的渗漏演变趋势和渗漏状态,同时也验证了本文提出的基于土石堤坝三维电场分布的渗漏诊断技术的可行性和可靠性。