Page 60 - 2022年第53卷第1期

大量应用。
目前，土石堤坝渗漏险情的发现及辨识仍强烈依赖于人工巡查。尤其在汛期，拉网式人工巡视
仍然是发现堤防渗漏险情的主要手段。该现状严重制约了风险管控能力和应急处置水平，亟需研发
作业快速、覆盖面广的土石堤坝渗漏检测手段。
由于水与土石介质的比热容相差较大，含水率较高的渗漏区将呈现出与正常区域不同的温度变
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化模式。通过红外热成像（Infrared thermography，IRT） 扫描并识别温度场异常，为土石堤坝渗漏辨
识提供了新的思路。IRT 作为一种非接触式感测手段，具有形象直观、作业快速、机动性强、覆盖面
广等诸多优势，其早期应用于军事领域，经过近两个世纪的发展，已成为一种较成熟的无损检测方
法，目前在森林防火 ［21-22］ 、建筑保温调查 ［23-24］ 、电气设备故障检测 ［25-26］ 和油气管道泄漏巡查 ［27］ 等领
域，由于被检目标与背景之间温差较大，被检目标较易识别和分离，因而得到了较多研究和成功应
用。对于水利工程，尤其是土石堤防工程，由于地面条件和自然环境条件复杂且多变，IRT 在土石堤
坝渗漏巡查中的研究和成功应用报道较少。早见于 1997 年，Inagaki 等 ［28］ 将水加热至不同温度，开展
了砂浆试件表面集中渗漏和随机渗漏的室内试验，验证了水体加热条件下应用 IRT 探测工程渗漏的可
行性。彭波等 ［29］ 开展了红外灯激励条件下均质土坝集中渗漏热成像试验，指出集中渗漏出口坝面的

温升速率较正常区域慢，验证了人为施加热源激励条件下应用 IRT 探测土石堤坝渗漏的可行性。Bu⁃
kowska-Belniak 等 ［30］ 在帐篷内开展了基于 IRT 的均值土坝渗漏试验，验证了常温条件下 IRT 探测土石
坝渗漏的可行性。Chen 等 ［31］ 在蓝道溪开展了土坝首次蓄水溃决过程的 IRT 监测试验，指出渗漏会引
起土坝的土体湿润并引起温度变化，辐射温度变化较大的坝面区域可作为土坝的潜在破坏区域。王
玉磊等 ［32］ 利用无人机搭载红外热成像设备成功检测到某小型水库坝体早期非稳定渗漏。
上述研究一定程度上推动了 IRT 在土石堤坝渗漏识别方面的应用，然而仍存在一些不足，如已有
研究多将热像仪作为一种传统测温工具使用，即通过提取红外图像上部分点的具体温度值（或前后温
差）来开展数据分析，极少关注红外热图像的纹理特征和形态学特性，并且试验多在室内完成，通过
人为扩大水体与介质材料之间的温差来达到成像效果明显的目的，此类理想的成像条件在实际工程
中是几乎不存在的。目前，尚缺乏真实服役条件下利用 IRT 探测和识别土石堤坝渗漏的系统性研究，
利用 IRT 识别土石堤坝渗漏具有相当广阔的研究空间。
针对现有方法难以实现真实服役条件下土石堤坝渗漏快速识别的问题，将被动 IRT 应用于土石堤
坝渗漏检测中。为探究汛期自然环境条件下（尤其是雨后及下游坝坡被草皮覆盖的情况下）被动 IRT 探
测土石堤坝渗漏的可行性，搭建了能充分模拟土石堤坝汛期真实服役条件的试验平台。为探寻一天
中较佳的成像时段，以及渗漏形成过程中渗漏出口的热图像特征和规律，开展了大量热成像探究试
验，并分别在夜间和午后开展了较精细的渗漏过程热成像试验，以期为利用被动 IRT 实现汛期土石堤
坝渗漏快速辨识提供参考。

2 IRT 探测土石堤坝渗漏的基本原理

水的比热容（约 4.2×10 J/kg）与土体的比热容（约 0.84×10 J/kg）相差较大，土石堤坝存在渗漏的区
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域因含水率较大，将表现出与正常区域不同的温度变化模式。利用温度间接识别堤坝渗漏已得到一
定的理论和实践支撑 ［18-19，33］ 。相比于传统点状或线状测温方式，IRT 能生成二维温度场，因而具有数
字图像学分析价值。
温度高于绝对零度（即-273.15 ℃）的物体都会从其表面辐射出覆盖整个波谱范围的电磁波。如图
1 所示，红外辐射波长（0.75～1000 μm）介于微波和人眼可见光（0.4～0.75 μm）之间，该区间又进一步

被划分为近红外（0.75～1.5 μm）、中红外（1.5～5.6 μm）、远红外（5.6～14 μm）和极远红外（14～1000
μm）4 个波段。大气对可见光和近红外电磁波的吸收能力很强，然而对于波长处于 3～5 μm 和 8～14
μm 的中红外和远红外吸收较少，故称该波段为红外的“大气窗口”。因大气窗口的存在，绝大多数红
外热像仪均是基于 3～5 μm 或 8～14 μm 这两个波段而研制的。

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