混凝土鉸鏈沉排護(hù)岸工程水下部分鋪設(shè)質(zhì)量檢測技術(shù)研究與探討

趙 鋼，黃俊友，王冬梅，王茂枚，朱大棟

(江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017)

1 研究背景

由于崩岸的機(jī)理比較復(fù)雜，對不同的河段，應(yīng)根據(jù)崩岸成因、現(xiàn)場施工條件、堤防運(yùn)行要求及綜合經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合考慮，選擇最優(yōu)的治理措施。目前，崩岸治理的方法和形式很多，如采用拋石護(hù)坡、木樁、鋼板樁等垂直護(hù)岸方法，在河床寬闊、水流較緩的地方還可以修建丁壩、順壩等間斷性護(hù)岸方法。

近年來，國內(nèi)在江河護(hù)岸工程實踐過程中，創(chuàng)新優(yōu)化出了預(yù)制混凝土鉸鏈沉排護(hù)岸的新型結(jié)構(gòu)形式，其具有護(hù)岸整體性好、抗淘刷能力強(qiáng)、適應(yīng)河床變形好、施工方便、長期社會經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點。自20世紀(jì)80年代中期首次在國內(nèi)應(yīng)用以后，先后在湖北武漢天興洲護(hù)岸工程、安徽銅馬大堤護(hù)岸工程、江西長江干堤護(hù)岸工程以及南京二期河道整治等多個護(hù)岸工程中得到成功應(yīng)用并取得了良好的防洪護(hù)岸效果［1］。

自1985年開始，建設(shè)單位在總結(jié)混凝土鉸鏈沉排施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，陸續(xù)提出了一些較為全面的沉排檢驗項目和檢驗標(biāo)準(zhǔn)，但到目前為止，國家、水利行業(yè)和各地均沒有一個統(tǒng)一的混凝土鉸鏈沉排新型護(hù)岸形式質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，用于水下工程檢測的較為常用的技術(shù)有單波束測深技術(shù)和潛水員水下探摸技術(shù)等，受限于水下檢測手段，對工程完成后水下部分施工鋪設(shè)質(zhì)量尤其缺乏有效的檢測方法進(jìn)行質(zhì)量評定。而隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代電子信號處理技術(shù)的發(fā)展，多波束全覆蓋掃床技術(shù)、側(cè)掃聲納技術(shù)、水下攝像技術(shù)等水下檢測應(yīng)用也逐漸成熟起來了。本文在對目前各種水下檢測技術(shù)進(jìn)行充分對比分析的基礎(chǔ)上，提出超高分辨率多波束測深技術(shù)，并將該技術(shù)成功地應(yīng)用于長江武漢段鉸鏈沉排護(hù)岸工程的水下部分施工鋪設(shè)情況的勘測。

2 預(yù)制混凝土鉸鏈沉排

預(yù)制混凝土鉸鏈沉排由系排梁、預(yù)制砼板鉸鏈排和岸上干砌塊石護(hù)坡3部分組成。預(yù)制混凝土板尺寸通常為50 cm×80 cm×8 cm。其結(jié)構(gòu)布置見圖1。

預(yù)制混凝土鉸鏈沉排施工工藝由拼排、拉排、排首倒拉上岸就位、沉排、止排、排尾下沉等幾部分組成［2］。

(1)拼排:在鋪好的特制滑道上，根據(jù)拼、運(yùn)排船寬度，進(jìn)行拼裝排體。

(2)拉排:拉排、連排須均勻、緩慢、協(xié)調(diào)進(jìn)行。當(dāng)上一層單元排體的尾端落至沉排工作平臺上時，將上層單元排體尾端與下層單元排體首端連接好，繼續(xù)拉排。

(3)排首倒拉上岸、就位:當(dāng)排首拉到沉排工作平臺前沿，靠近圓弧滑板處時，將排首梁改與岸上地錨精車組相連，倒拉排首。當(dāng)排首拉至系排梁位置或陸鋪排尾部時，用u形連接件連接排首和系排梁。

圖1 預(yù)制混凝土鉸鏈沉排結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Sketch of the layout of precast concrete slabs connected with hinges

(4)沉排、止排:排首上岸就位鎖定后，即可進(jìn)行沉排施工。

(5)排尾下沉:當(dāng)最后一個單元排體拉至沉排工作平臺后，按沉排步序繼續(xù)沉排，直至排尾沉至江底落床，在平臺上抽掉特制卸扣插銷，取起排尾梁，完成一塊排體的沉放工作。

預(yù)制混凝土板鉸鏈沉排是一種新型柔性的平順護(hù)岸形式，它將預(yù)制混凝土板用鉸鏈連接成排體與其下的土工布共同抗沖反濾，具有整體性好、適應(yīng)河床變形能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實用的特點。其現(xiàn)場布置見圖2。

圖2 預(yù)制混凝土鉸鏈沉排現(xiàn)場布置圖Fig.2 Photo of in-situ precast concrete slabs connected with hinges

3 水下施工鋪設(shè)質(zhì)量檢測項目

雖然到目前為止，國家、水利行業(yè)均沒有出臺一個統(tǒng)一的混凝土鉸鏈沉排新型護(hù)岸形式質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)，但自1985年開始，交通部第二航務(wù)工程局、南京市長江河道管理處等建設(shè)單位在總結(jié)多年混凝土鉸鏈沉排施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開展了一系列相關(guān)研究，結(jié)合沉排施工工藝和沉排質(zhì)量控制要求，提出了一些較為全面的沉排檢驗項目和檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)制混凝土板的尺寸、搭接情況以及混凝土強(qiáng)度等指標(biāo)可以在岸上方便地進(jìn)行檢測，并且相應(yīng)檢測技術(shù)比較成熟，而沉排水下施工的鋪設(shè)質(zhì)量，直接影響到整個工程的防洪護(hù)岸效果，因此對混凝土鉸鏈沉排水下部分的施工鋪設(shè)質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量評定顯得至關(guān)重要。結(jié)合混凝土鉸鏈沉排護(hù)岸工程實際情況，在歸納總結(jié)以往提出的混凝土鉸鏈沉排護(hù)岸工程的沉排檢驗項目和檢驗標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出以下對混凝土鉸鏈沉排工程整體運(yùn)行效果影響較大的水下檢測項目，作為鋪設(shè)質(zhì)量評定指標(biāo)。

(1)排體寬度:每個護(hù)岸工程根據(jù)自身的工程實際，為了達(dá)到較好的護(hù)岸效果，設(shè)計一定的護(hù)岸寬度，因此排體寬度是水下部分質(zhì)量評定的一個重要檢測指標(biāo)。

(2)排體長度:排體長度一般是根據(jù)護(hù)岸整體穩(wěn)定性分析需要防護(hù)的等高線確定排體設(shè)計長度，因此排體長度也是水下部分質(zhì)量評定的一個重要的檢測指標(biāo)。

(3)相鄰排體的搭接寬度:為了確保工程能夠發(fā)揮整體防洪護(hù)岸的效果，在設(shè)計時相鄰排體的搭接方式一般采用從上游至下游蓋瓦式搭接，確保相鄰排體有一定的搭接寬度。

(4)水下排體的均勻覆蓋程度:在防護(hù)區(qū)域一般采用相鄰排體的蓋瓦式搭接，確保排體全覆蓋防護(hù)區(qū)域，起到工程整體防洪護(hù)岸效果。但在排體沉放施工過程中，由于水下地形坡面凹凸不平或存在尖銳障礙物以及水流的作用，會出現(xiàn)排體的破損、疊排、拱起和翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，造成排體不能全覆蓋防護(hù)區(qū)域，影響工程的整體運(yùn)行效果。

4 檢測技術(shù)

目前，用于水下工程檢測的主要技術(shù)有單波束測深技術(shù)、多波束全覆蓋掃床技術(shù)、側(cè)掃聲納技術(shù)、水下攝像技術(shù)以及潛水員水下探摸技術(shù)等。下面結(jié)合預(yù)制混凝土鉸鏈沉排施工工藝和工程特點，對各種檢測技術(shù)的適用性和可行性進(jìn)行分析和探討。

4.1 單波束測深技術(shù)

采用GPS實時動態(tài)(RTK)技術(shù)測量平面和單波束回聲測深儀測量水深的方法，組成單波束測深系統(tǒng)，這種技術(shù)主要是通過鋪排前、后水下地形的變化進(jìn)行對比檢測。由于排體是由預(yù)制混凝土板通過鉸鏈連成整體，預(yù)制混凝土板厚度一般在10 cm左右，排體在施工過程中，會對水下表層的軟泥進(jìn)行擠壓，使得被擠壓出來的表層淤泥被水流沖走，造成排體施工完成后，鋪排前后的水下地形變化不明顯，有的區(qū)域的水下高程甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)增長。

單波束測深技術(shù)在施測過程中由于受到風(fēng)浪的影響以及儀器本身存在一定的測量誤差，并且采用斷面測量法采集的水下數(shù)據(jù)點也很有限，因此采用單波束測深技術(shù)對這種鋪排前、后水下地形變化不明顯的工程進(jìn)行檢測，很難從水下高程的變化如實反映出水下整個排體的情況，因此單波束測深技術(shù)不適合該工程完工后的質(zhì)量檢測。

4.2 多波束全覆蓋掃床技術(shù)

多波束全覆蓋掃床技術(shù)是一種具有高效率、高精度和高分辨率的水底地形測量新技術(shù)，與傳統(tǒng)的單波束測深技術(shù)相比較，該技術(shù)具有測量范圍大、速度快、精度高等諸多優(yōu)點［3］，它把測深技術(shù)從原先的點線狀擴(kuò)展到面狀，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測圖，從而使海底地形測量技術(shù)發(fā)展到一個較高的水平。多波束測深系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多波束測深系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of multi-beam sounding system

目前，超高分辨率淺水多波束測深系統(tǒng)由換能器、甲板單元、光纖羅經(jīng)、運(yùn)動傳感器和全球定位系統(tǒng)(GPS)等組成，能同時發(fā)射256個及以上波束，波束角0.5°×1°，覆蓋寬度達(dá)到10°～160°，水下分辨率為1.25 cm。假設(shè)在水深10 m，多波束覆蓋寬度選用10°，水下地形較平坦情況下，多波束對水下地形采集密度可達(dá)到每隔約1 cm采集一個數(shù)據(jù)點，因此該技術(shù)可做到對水下進(jìn)行全覆蓋、高精度掃測，能精確反映河床的細(xì)微變化，可進(jìn)行水下微地形測量和檢測。

利用該技術(shù)可直接對鋪排完成后整個鋪排區(qū)域進(jìn)行高分辨率、高精度、全覆蓋掃測，根據(jù)采集的大量水下數(shù)據(jù)點，建立高清晰的水下三維模擬圖，直觀地反映出水下排體的整體情況?？稍诘匦螆D中方便地量出排體寬度、長度和相鄰排體搭接寬度等指標(biāo)，并能在水下三維模擬圖中直觀地查看水下排體的覆蓋情況，是否出現(xiàn)漏鋪。該技術(shù)適合預(yù)制混凝土鉸鏈沉排工程完工后的鋪設(shè)質(zhì)量檢測。

該技術(shù)成功地應(yīng)用于長江武漢段鉸鏈沉排護(hù)岸工程的水下部分施工鋪設(shè)情況的勘測，該工程預(yù)制混凝土板的平面形狀呈現(xiàn)為長方形，其尺寸為40 cm×26 cm×10 cm(長 ×寬 ×厚)，其重量為21.93 kg，將400 m寬的排分成10張40 m的排，然后拼起來并通過標(biāo)準(zhǔn)的40 m鋪排船進(jìn)行鋪排。通過對水下鋪排區(qū)域進(jìn)行多波束全覆蓋掃床，根據(jù)采集的大量水下數(shù)據(jù)點信息，建立高清晰的水下三維模擬圖，直觀地反映出水下排體的整體情況，可利用專業(yè)軟件對鋪排區(qū)域的排體寬度、長度、搭接寬度進(jìn)行量取，并可直觀地反映有無漏鋪及其漏鋪的位置、鋪排的均勻程度等情況(見圖4、圖5)。

圖4 多波束測深系統(tǒng)掃測的水下排體的三維模擬圖Fig.4 Three-dimensional simulation of underwater concrete slabs by multi-beam sounding system

圖5 水下鋪排區(qū)域與未鋪區(qū)域?qū)φ請DFig.5 Comparison between concrete-slab covered area and uncovered area

4.3 側(cè)掃聲納技術(shù)

側(cè)掃聲納設(shè)備一般是由拖在水中的拖魚、線纜和船上的處理器3部分組成。工作時由隨船行進(jìn)的拖魚產(chǎn)生兩束與船行方向垂直的扇形聲束，聲波碰到海底被反射回來，通過回波強(qiáng)度變化辨識目標(biāo)物。

掃海時在水中的拖魚與安置在船上的GPS定位天線有一定的距離偏差，這個距離偏差在掃海前根據(jù)線纜的長度和船速大體上可以進(jìn)行改正。但是在實際掃海時，距離偏差會隨著船速、航向、水的流速和流向的變化而變化，這就給拖魚的定位以及側(cè)掃聲納識別的水底目標(biāo)物的定位帶來困難，另外側(cè)掃聲納不能進(jìn)行聲速和潮汐等改正，因此側(cè)掃聲納探測出的水下目標(biāo)物的定位精度會存在較大的誤差，有時甚至?xí)_(dá)到十幾米。由于該技術(shù)對探測目標(biāo)定位精度上存在較大誤差，因此不大適合對預(yù)制混凝土鉸鏈沉排工程排體長度和寬度進(jìn)行定量檢測，但可以作為其他檢測技術(shù)的一種補(bǔ)充和驗證。

4.4 水下攝像及潛水員水下探摸技術(shù)

水下攝像技術(shù)和潛水員水下探摸技術(shù)受工況條件限制比較大，水下攝像技術(shù)對水的清晰度要求非常高，較渾濁的條件會影響水下攝像的視野甚至根本無法獲得水下影像，潛水員水下探摸技術(shù)受水的流速和深度影響較大，這兩種技術(shù)的工作效率低，而且無法定位和獲得大面積水下目標(biāo)物的尺寸數(shù)據(jù)，因此不適合預(yù)制混凝土鉸鏈沉排工程排體長度和寬度的定量檢測，但可以作為其他檢測技術(shù)對局部關(guān)鍵部位檢測的一種補(bǔ)充和驗證。

5 結(jié)論和建議

(1)預(yù)制混凝土鉸鏈沉排由預(yù)制混凝土板拼接而成，其尺寸通常為50 cm×80 cm×8 cm，由于其尺寸較小，施工完成后水下部分很難被準(zhǔn)確探測出來，為水下部分的施工鋪設(shè)質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量評定帶來了困難。

(2)混凝土鉸鏈沉排的排體寬度、長度、相鄰排體的搭接寬度和水下排體的均勻覆蓋程度等指標(biāo)關(guān)系到施工質(zhì)量和工程完成后整體的運(yùn)行效果。

(3)在對目前各種水下檢測技術(shù)進(jìn)行充分對比分析的基礎(chǔ)上，提出多波束全覆蓋掃床技術(shù)由于具有全覆蓋、高精度和高分辨率的特性，能精確反映河床的細(xì)微變化，在定量檢測預(yù)制混凝土鉸鏈沉排工程鋪設(shè)質(zhì)量方面具有較大的優(yōu)勢，可作為類似工程的一種質(zhì)量檢測的技術(shù)手段。

(4)工程施工完成后，工程水下部分區(qū)域的水下地形會發(fā)生較大變化，排體極易沉入河底，被淤泥覆蓋，而多波束全覆蓋掃床技術(shù)主要是對河底排體表面進(jìn)行掃測，如被泥沙覆蓋后，則無法檢測泥沙下面排體的實際鋪設(shè)情況，因此建議工程完工后，應(yīng)立即開展水下部分施工鋪設(shè)質(zhì)量檢測，否則會影響該技術(shù)的檢測效果。

［1］陳 輝，吳 杰 ，趙 鋼，等.多波束測深系統(tǒng)在長江沉排護(hù)岸工程運(yùn)行狀況監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.長江科學(xué)院院報，2009，26(7):14 －16.(CHEN Hui，WU Jie，ZHAO Gang，et al.Application of Multi-beam Echo Sounder in Monitoring Running Conditions of Precast Concrete Slab Connected with Hinges to Protect Yangtze River Embankment［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(7):14 －16.(in Chinese))

［2］李濤章，葉 松，廖小元，等.鉸鏈混凝土板沉排新技術(shù)與施工實踐［J］.人民長江，2002，33(8):26－29.(LI Tao-zhang，YE Song，LIAO Xiao-yuan，et al.The New Technology of Precast Concrete Slab Connected with Hinges and Practice［J］.Yangtze River，2002，33(8):26 －29.(in Chinese))

［3］李成剛，王偉偉，閻 軍.傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)與具有相干特點的多波束系統(tǒng)的研究［J］.海洋測繪，2007，27(2):77 －80.(LI Cheng-gang，WANG Wei-wei，YAN Jun.Study on Traditional Multi-beam and Interferometric Multi-beam［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2007，27(2):77 －80.(in Chinese))