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水 利 学 报

２０２２年 １０月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １０期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１０ － １１９４ － １３

基于数字图像处理的土石坝坝料合格性智能检测方法

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赵宇飞 ，刘 彪 ，王 毅 ，孟 亮 ，刘必旺 ２
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 ４１０００７；
３．中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 １１０１７９）

摘要：土石坝坝料的合格性检测通常是通过判断现场筛分试验获得的级配参数是否满足设计要求来实现的，然而
通过筛分试验获取级配参数的方法存在采样率低，操作过程繁琐，智能感知程度差等缺点以致检测结果代表性
差。为了提高坝料级配参数的智能检测程度，依托辽宁某电站现场挖坑检测位置处的图像和级配数据，采用融合
空间信息的直觉模糊 Ｃ均值聚类（ＳＩＦＣＭ）算法进行土石坝料数字图像的分割，并利用等效椭球体积的方法实现了
土石坝料的三维体积重构，进一步通过基于 ＢＰ神经网络的级配修正模型修正后，得到真实条件下的坝料全级配
特征曲线，进而获得评价坝料合格性的 ４个指标：最大粒径、Ｐ５含量、曲率系数 Ｃ和不均匀系数 Ｃ。实际工程
ｃ ｕ
应用表明，本文建立的基于 ＳＩＦＣＭ＿ＢＰ算法的坝料级配特征智能识别修正模型具有较高的识别精度，本文方法为
大坝碾压施工前坝料合格性快速判别与施工过程中坝料压实特性的实时评价提供了重要支撑。
关键词：土石坝料级配检测；数字图像处理；ＳＩＦＣＭ算法；级配修正模型；坝料合格性检测
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０２８５
中图分类号：ＴＶ６４１
１ 研究背景

按照常规的土石坝工程建设施工管理模式，土石坝坝料合格性检测通常是在大坝单元工程填筑碾
压结束后通过挖坑获得碾压之后的坝料，然后进行筛分试验得到级配曲线，通过比较级配曲线是否在
设计单位提供的上下包络线范围之内，进而判断坝料是否满足设计要求 ［１］ 。这样的检测和合格性评价
方法存在采样率低，操作过程繁琐，检测过程受人为因素影响大等缺点以致检测结果代表性差 ［２ － ４］ ，
更为严重的是这样的检验属于典型的事后检验，一旦坝料级配不合格，需要将碾压完成的坝料挖除，
然后换合格坝料重新进行填筑施工，浪费大量的人力物力。因此，在实际土石坝施工中如何快速获取
坝料的级配特性，并与设计级配上下包络线相关级配特性指标进行比对，进而判断坝料是否合格，对
于大坝填筑施工来说具有重要的意义，也是目前土石坝填筑施工精细化智能控制的重要研究方面。
随着计算机和人工智能技术的发展，利用数字图像处理技术实现颗粒级配的智能检测已经在选
矿、道路填料生产以及混凝土骨料检验等工程领域中得到了广泛的应用。发展至今，逐渐形成了基于
颗粒三维形态捕捉的级配检测方法和基于二维图像形态提取转换的级配检测方法。其中基于颗粒三维
形态捕捉的级配检测方法常采用三维激光扫描技术量化颗粒的真实形态 ［５ － ７］ ，算法具有较高的鲁棒性，
已有研究表明该方法比二维形态量化方法更加的准确有效 ［８］ ，但是该方法需要精密的设备，成本较高，
操作复杂，检测效率低，多适用于试验室环境检测，不适用于环境复杂的现场施工检测 ［９］ 。相比而言基
于二维图像形态提取转换的级配检测方法检测效率高，操作简单，该方法由颗粒二维图像轮廓提取和基

收稿日期：２０２２ － ０４ － １５；网络首发日期：２０２２ － ０９ － １７
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０９１６．１１３７．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：中国水科院三型人才基金项目（ＧＥ０１４５Ｂ０４２０２２）
作者简介：赵宇飞（ １９７９ － ），博士，正高级工程师，主要从事岩土工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｆ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ．
通讯作者：刘彪（１９９２ － ），博士生，主要从事大坝施工质量智能监测与评估研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｂｉｗｈｒ＠１６３．ｃｏｍ．
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