水下檢測(cè)技術(shù)在水工隧洞中的應(yīng)用初探

顧紅鷹，劉力真，陸經(jīng)緯

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250014；2.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250014）

水下檢測(cè)技術(shù)在水工隧洞中的應(yīng)用初探

顧紅鷹1，劉力真1，陸經(jīng)緯2

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250014；2.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250014）

闡述了現(xiàn)代水下遙控潛水器在復(fù)雜穿黃河水工隧洞中進(jìn)行檢測(cè)的方法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)水工隧洞的水下檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了探討，分析了測(cè)試存在的問(wèn)題，為水下潛水器的改進(jìn)、設(shè)計(jì)和建筑物檢測(cè)方式研究打下了基礎(chǔ)。

穿黃工程；水下檢測(cè)；水工隧洞；潛水器

1 工程概況

某穿黃河地下工程包括兩部分：水工隧洞工程和黃河灘地埋管工程。

水工隧洞：由南岸豎井、過(guò)河平洞、北岸斜井及進(jìn)、出口埋管等部分組成，軸線總長(zhǎng)585.38 m，其中進(jìn)口埋管長(zhǎng)31.42 m，豎井段長(zhǎng)19.47 m，下直彎段31.46 m，過(guò)河平洞段長(zhǎng)307.17 m，平洞低點(diǎn)高程-33.00 m；斜彎段10.56 m，北岸斜井段長(zhǎng)155.47 m，北岸埋管段29.93 m。隧洞襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為圓形斷面，洞徑7.50 m。其后通過(guò)長(zhǎng)60 m的連接段與穿引黃渠埋涵相接。穿黃隧洞進(jìn)口高程27.3 m，出口高程27.3 m。

黃河灘地埋管：灘地埋管全長(zhǎng)3 943 m，縱坡1/2 500，中間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑500 m。埋管采用內(nèi)圓外城門洞型現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑7.5 m。灘地埋管進(jìn)口高程28.88 m，末端高程27.3 m。埋管中間設(shè)上、下游2座檢修井，下游檢修井井口高程40.00 m。1#井距進(jìn)口檢修閘1 750 m，內(nèi)徑Φ1.0 m，深15 m；2#井距1#井2 230 m，內(nèi)徑Φ1.0 m，深17 m。

2 水工隧洞工作特點(diǎn)及檢測(cè)存在的問(wèn)題

水工隧洞作為地下結(jié)構(gòu)，不但具有一般地下洞室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還因輸水會(huì)產(chǎn)生內(nèi)水或外水壓力，有可能引發(fā)某些次生問(wèn)題。如人工地下結(jié)構(gòu)是在巖（土）體中開(kāi)挖形成的，應(yīng)力重分布引起的圍巖變形；對(duì)于跨流域引水埋深大的隧洞，高地應(yīng)力問(wèn)題也相當(dāng)突出，高地應(yīng)力會(huì)引起隧洞圍巖發(fā)生過(guò)大的松弛區(qū)，或時(shí)效性變形破壞等；較大內(nèi)水壓力的存在，要求圍巖具有足夠的厚度和進(jìn)行必要的襯砌，否則一旦襯砌破壞，將危及巖坡穩(wěn)定和附近建筑物的正常運(yùn)行；較大的外水壓力也可使埋藏式壓力管道失衡；施工質(zhì)量及老化等問(wèn)題也會(huì)在運(yùn)行中不斷顯現(xiàn)。

水工隧洞充水以后，水下部分的監(jiān)測(cè)只能依靠預(yù)先埋設(shè)的固定監(jiān)測(cè)儀器實(shí)施，儀器埋設(shè)的固定性決定了只能對(duì)有限的幾個(gè)部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦儀器損壞或工程的其他部位出現(xiàn)問(wèn)題，只能排空或潛水員入水檢查。排空檢查由于成本高，應(yīng)力場(chǎng)變化大，可能對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成損害等特點(diǎn)，實(shí)施起來(lái)難度較大；潛水員潛水檢查由于專業(yè)限制往往對(duì)工程運(yùn)行特點(diǎn)不夠了解，且長(zhǎng)時(shí)間、大深度潛水存在安全風(fēng)險(xiǎn)。這些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，在工程的應(yīng)用廣度和深度上受到極大制約，有些檢測(cè)項(xiàng)目，因保證不了工程的技術(shù)要求而被放棄，有些工程由于不適于潛水員入水條件而不能開(kāi)展水下檢測(cè)工作。

3 水工隧洞的水下檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 水下檢測(cè)工程技術(shù)概述

目前水利工程水上部分的檢測(cè)技術(shù)已較成熟，大部分能以無(wú)損或半破損方式進(jìn)行。

近年來(lái)，在大力開(kāi)發(fā)海洋自然資源進(jìn)程中，水下檢測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展。水利工程的水下檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，相繼開(kāi)發(fā)出了先進(jìn)的、高效能的水下檢測(cè)設(shè)備，如水下攝像監(jiān)視機(jī)、水下超聲測(cè)厚儀、水下磁粉探傷儀、水下電位測(cè)量?jī)x、水下攝影器材、水下無(wú)人遙控潛水器、水下無(wú)損探傷儀、淺層部面儀、彩色圖像聲納、水下測(cè)量電視等新穎的技術(shù)設(shè)備。

目前水下檢測(cè)多采用潛水員攜帶水下檢測(cè)設(shè)備和水下無(wú)人遙控潛水器檢測(cè)技術(shù)。水下無(wú)人遙控潛水器又可稱為水下機(jī)器人，廣泛應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域，以及在海洋、內(nèi)湖環(huán)境下的各類水下工程作業(yè)、打撈救生和海洋科學(xué)考察等各方面。

3.2 水下檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)選用的水下無(wú)人遙控潛水器的尺寸為36 cm×36 cm×48 cm（長(zhǎng)×寬×高），機(jī)器本身重量空氣中為16 kg，配有控制器、電源及其他可選設(shè)備等。

1）地面控制器內(nèi)置處理器：基于INTEL處理器，提供多種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，顯示器為10.4″陽(yáng)光下可視，XGA TFT有效觸摸屏，并配有Windows XP及專業(yè)控制系統(tǒng)，內(nèi)置DV記錄儀。

2）臍帶電纜為內(nèi)置視頻光纖，外置凱夫拉，最小斷裂載荷500 kg，中性浮力，直徑為9 mm；潛水器攜帶水平推進(jìn)器2個(gè)，豎、橫向1/4馬力推進(jìn)器2個(gè)；2個(gè)50W石英燈；高分辨率、40倍變焦，彩色480TV線2路線攝像技術(shù)，俯仰角度180°；屏幕顯示含深度、方向、主題、日期、時(shí)間、標(biāo)題；前置即插即用插頭，可測(cè)最大深度300 m。

3）可選項(xiàng)：掃測(cè)聲納、單（雙）功能機(jī)械臂、聲學(xué)定位系統(tǒng)、激光測(cè)量單元、外部/后部照相機(jī)、漏水報(bào)警和自動(dòng)關(guān)機(jī)等內(nèi)部安全系統(tǒng)，攝像機(jī)和電器桶溫度顯示和報(bào)警等。

本次試驗(yàn)采用設(shè)備為基礎(chǔ)配置：潛水器（可下潛300 m）本身配置的460線分辨率、40倍放大水下彩色攝像技術(shù)，50 W石英燈泡光源。攝像機(jī)和光源同軸上下掃描180°系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及160 m重量16 kg水下零浮力電纜，無(wú)其他可選項(xiàng)配置。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

選擇測(cè)試目標(biāo)為2處：隧洞北岸出口和涵洞通氣檢修1#井處。

3.3.1 水工隧洞測(cè)試

隧洞出口處通氣孔呈長(zhǎng)方形，尺寸2 m×4 m，水位在孔口下3 m。沿隧洞向上游方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性檢測(cè)。地面遙控潛水器前行，水質(zhì)良好。檢測(cè)長(zhǎng)度160 m，最大潛深23.30 m；檢測(cè)內(nèi)容包括伸縮縫情況、洞壁現(xiàn)狀和淤積情況。

綜合檢測(cè)記錄，得出以下結(jié)論：

1）行進(jìn)60m，水下8.73m處：伸縮縫未見(jiàn)異常。

2）行進(jìn)70 m，水下17.23 m近距離洞壁：附著一層褐色物質(zhì)，約5 mm厚松散物，判定為水中顆粒附著，從表面平整度分析，管壁未有異常。

3）行進(jìn)120 m，水下19.84 m處近距離觀察頂部洞壁：附著一層黃色物質(zhì)，約有2 mm厚松散物，判定為水中顆粒附著，表面觀察有少量突出部分，分析為原施工中管壁未能清理的表層物質(zhì)，不會(huì)影響隧洞正常運(yùn)行。

4）淤積情況：淤積較輕，基本在底部，為松散狀，機(jī)器行進(jìn)基本能擾動(dòng)，約3～5 mm。

3.3.2 灘地埋管檢修1#井處測(cè)試

灘地埋管檢修孔地面孔口直徑為1.0 m。水位在地面下4 m。向上游方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性檢測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，洞口處3 m左右為埋管洞室。洞室直徑7 m。潛水器水下行進(jìn)150 m，在不同距離不同高度進(jìn)行了多次檢測(cè)。

綜合檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

1）入水后水下2.98 m處觀察為豎井與水平洞室的連接處，可清晰觀察洞頂?shù)膱A弧及壁厚。

2）如圖1、圖2，潛水器攜帶變焦攝像機(jī)，在行進(jìn)100 m水下5.32 m處觀察伸縮縫，并放大5倍變焦進(jìn)行觀察。此處伸縮縫高于管壁，上有白色附著物，放大5倍觀察，白色附著物為飄浮狀態(tài)，目前對(duì)工程沒(méi)有不良影響，今后應(yīng)注意觀察。

3）轉(zhuǎn)入水平洞室后水下6.95 m處觀察到的洞室內(nèi)纜線套管，洞壁未見(jiàn)異常。

4）行進(jìn)60 m，水下8.05 m處觀察到的伸縮縫情況，伸縮縫未見(jiàn)異常。

5）淤積情況：淤積較輕，基本在底部，為松散狀，機(jī)器行進(jìn)基本能攪動(dòng)，約2～5 mm。

4 測(cè)試效果

水下工程無(wú)人檢測(cè)技術(shù)，由于環(huán)境深度、壓力、透視狀況等不同，檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備要在不同的環(huán)境下進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)工作。由于工程的地下工作環(huán)境較為復(fù)雜，本次水下工程檢測(cè)避開(kāi)了復(fù)雜段，選擇了工況相對(duì)簡(jiǎn)單、潛水器進(jìn)出方便的豎井及水下隧洞情況簡(jiǎn)單的地段。通過(guò)水下遙控潛水器在水下工程中的潛水、驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸、探照、掃描、拍攝、水下操作及檢測(cè)等主要工作，初步對(duì)水下洞室的水的清潔度、淤積、附著物、伸縮縫狀況等運(yùn)行狀態(tài)有了直觀了解，取得了潛水器下潛深度、速度、水溫、距離及水工建筑物表觀質(zhì)量等照片和視頻資料，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)量操作，為水下潛水器的改進(jìn)、設(shè)計(jì)和建筑物檢測(cè)方式研究打下了基礎(chǔ)。

由于工況復(fù)雜，儀器的水下操控力有待提高，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的配置，以提高工作效率；因洞內(nèi)無(wú)任何光源，補(bǔ)光距離有待改善；由于水下工程無(wú)法定位，行進(jìn)距離為估測(cè)，不能精確定位。

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1009-6159（2014）-12-0019-02

2014-09-18

顧紅鷹（1965—），女，高級(jí)工程師