微創(chuàng)可視探測(cè)技術(shù)在新金清閘水下探測(cè)中的應(yīng)用

毛小魏，陳超燕，王再榮，臧振濤，許 沿

（1.溫嶺市水利局，浙江 溫嶺 317500；2.浙江水利水電學(xué)院勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 杭州 310018）

1 問(wèn)題的提出

水利工程、港口與海岸工程等涉水建筑物，在隱患排查、安全鑒定時(shí)，往往需要進(jìn)行水下探測(cè)[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外常用的水下探測(cè)技術(shù)主要分2類：①潛水員探測(cè)，即潛水員直接下水探摸或帶水下攝像機(jī)等儀器進(jìn)行探查；②水下機(jī)器人探測(cè)[3-4]，即岸上人工遙控帶攝像頭的水下機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)。上述2種方法能夠大范圍地進(jìn)行水下探測(cè)作業(yè)，但其一般只能探測(cè)水下結(jié)構(gòu)物的表面情況，無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部、結(jié)構(gòu)背側(cè)或結(jié)構(gòu)底側(cè)等隱蔽部位的隱患情況進(jìn)行探測(cè)，如混凝土、圬工結(jié)構(gòu)裂縫內(nèi)部寬度、是否上下貫穿，內(nèi)部是否存在孔洞，底部是否脫空，也無(wú)法探測(cè)結(jié)構(gòu)隱蔽部位尺寸。

“深細(xì)鉆芯微創(chuàng)可視探測(cè)技術(shù)”簡(jiǎn)稱“微創(chuàng)可視探測(cè)技術(shù)”，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的隱患探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)利用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的小孔徑取芯鉆機(jī)（孔徑20 ～ 42 mm）等設(shè)備，對(duì)由石料、混凝土等材料砌筑或澆筑而成的結(jié)構(gòu)物，搭設(shè)特制鉆架后在任意方向進(jìn)行鉆孔取芯（取芯深度可達(dá)8.00 m），借助特制探桿、探鉤、卷尺等工具或潛孔微型攝像機(jī)，探明結(jié)構(gòu)內(nèi)部或隱蔽部分的隱患情況、輪廓尺寸[5]。微創(chuàng)可視探測(cè)技術(shù)具有對(duì)結(jié)構(gòu)損傷與外觀影響輕微、探測(cè)結(jié)果直觀性強(qiáng)、綜合費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前已在混凝土、漿砌石、混凝土灌砌石結(jié)構(gòu)的堤壩、溢洪道、防洪墻、堰壩、擋墻等干地作業(yè)的隱患探測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)中得到成功應(yīng)用，但尚未見應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)探測(cè)的文獻(xiàn)報(bào)道。本文將“微創(chuàng)可視探測(cè)技術(shù)”在水深5.20 ～ 7.00 m工作條件下，成功應(yīng)用于溫嶺新金清閘的閘底板隱患探測(cè)進(jìn)行總結(jié)。探測(cè)成果為水閘安全鑒定、后續(xù)除險(xiǎn)加固的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也可為其它類似工程借鑒。

2 工程概況

溫嶺市新金清閘工程始建于1932年10月，1934年8月竣工。水閘共設(shè)22孔，結(jié)構(gòu)形式為胸墻式平底閘，每孔孔口尺寸為2.50 m×5.30 m（凈寬×高），總凈寬55.00 m，設(shè)計(jì)流量707 m3/s，時(shí)為浙東地區(qū)最大出海水閘。自1998年在閘下游10.22 km新建金清新閘排澇工程后，該閘仍作為溫黃平原金清水系的主要節(jié)制閘，發(fā)揮著舉足輕重的作用。

2003年對(duì)新金清閘進(jìn)行安全鑒定，在潛水員水下探摸時(shí)發(fā)現(xiàn)部分閘底板表面存在裂縫。2015年，又采用水下機(jī)器人對(duì)閘底板表面的裂縫分布全面探測(cè)。探測(cè)成果：1#（自左岸編排）、2#、3#、4#、5#、9#、10#、14#、19#、22#閘孔的閘底板表面均存在寬度1 ～ 10 cm的裂縫，其中1#、2#、3#、4#、9#、14#、19#疑是規(guī)則的設(shè)計(jì)預(yù)留縱向縫，13#閘孔上游為弧狀裂縫、10#閘孔上游為橫向裂縫，部分裂縫在平面上與上下游護(hù)坦、左右閘墩未貫通[6]。

由于潛水員水下探摸與水下機(jī)器人探測(cè)自身的局限性，未能查明閘底板裂縫是否上下貫通、閘底板下部是否脫空、弧狀等裂縫的確切分布等情況，且裂縫平面上未貫通的成因很難解釋，為此，擬引入“微創(chuàng)可視探測(cè)技術(shù)”繼續(xù)開展水下補(bǔ)充探測(cè)工作。

3 水下微創(chuàng)探測(cè)實(shí)施過(guò)程

由于水下機(jī)器人已對(duì)所有閘孔進(jìn)行了探測(cè)，本次僅進(jìn)行抽查，對(duì)于裂縫較寬且與原設(shè)計(jì)沉降縫不一致的1#、2#、3#、22#閘孔，抽查了2#、3#閘孔，重點(diǎn)抽查有代表性的3#閘孔；與原設(shè)計(jì)沉降縫一致的4#、9#、14#、19#閘孔，重點(diǎn)抽查有代表性的4#、19#閘孔；另外抽查裂縫平面布置反常的10#、11#、13#閘孔。累計(jì)完成閘底板表面水下微型攝像機(jī)探查10個(gè)閘孔，水下豎向取芯孔15個(gè)，總外業(yè)工作量見表1。探測(cè)范圍以及探測(cè)點(diǎn)分布見圖1。

表1 外業(yè)工作量表

圖1 探測(cè)范圍以及探測(cè)點(diǎn)分布示意圖

探測(cè)過(guò)程為：利用帶探鉤、手控操作的水下微型攝像機(jī)探測(cè)疑似裂縫的平面位置，確定取芯孔位并進(jìn)行水下微孔取芯及測(cè)量、記錄芯樣情況，在孔內(nèi)放入水下潛孔攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)攝錄以查看孔內(nèi)與孔底的隱患情況，配合特制的探桿、探鉤探測(cè)閘底板脫空程度，進(jìn)行水下混凝土封孔。

閘底板現(xiàn)場(chǎng)微孔取芯及孔內(nèi)探測(cè)照片見圖2。限于現(xiàn)場(chǎng)條件，閘門兩側(cè)的上下游胸墻內(nèi)的閘底板未進(jìn)行探測(cè)。

圖2 水下微孔取芯和水下攝像施工照片圖

4 探測(cè)結(jié)果分析

4.1 閘底板表面水下攝像探測(cè)成果

利用水下攝像機(jī)、探桿等儀器設(shè)備對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，典型閘孔的閘底板表面探測(cè)成果如下：

（1）3號(hào)閘孔下游閘底板中間有1條寬約8.0 cm、深度約5.0 cm的凹槽，其兩側(cè)高差不明顯，并延伸至閘底板與下游護(hù)坦交界處；閘底板與下游護(hù)坦存在高差，護(hù)坦略高于閘底板2.0 cm；上游側(cè)閘底板有1條斜向裂縫（表面縫寬 1.0 ～ 3.0 cm）。

（2）4號(hào)閘孔閘底板中間有1條寬約3.0 cm的裂縫，經(jīng)鉆孔取芯分析及對(duì)照原竣工圖紙，可以確認(rèn)該縫為原設(shè)計(jì)預(yù)留的沉降縫。沉降縫兩側(cè)高差不明顯，且延伸至閘底板與上下游護(hù)坦交界處；閘底板與上游護(hù)坦高差不明顯，下游護(hù)坦比閘底板高2.5 cm。

4.2 閘底板水下微孔取芯探測(cè)成果

在水深5.20 m的條件下，通過(guò)對(duì)閘底板進(jìn)行水下微孔取芯探測(cè)，典型閘孔的芯樣、底板內(nèi)部及底部脫空情況為：

3#閘孔上游側(cè)的S3 - 3號(hào)孔（位于靠近上游斜向裂縫的位置），鉆孔深度為110.0 cm，獲取到的芯樣總長(zhǎng)為104.0 cm，芯樣上部3.0 cm為灰黃色纖維狀不明物（疑是爛木板），8.0 ～ 20.0 cm和30.0 ～ 40.0 cm處出現(xiàn)寬0.1 ～0.2 cm的不規(guī)則裂縫。對(duì)照S3 - 1號(hào)孔、S3 - 2號(hào)孔成果可以判定，該不規(guī)則的裂縫即為閘底板上下貫穿的裂縫，43.0 ～ 55.0 cm段芯樣破碎，芯樣側(cè)壁有較多孔洞，芯樣下部為碎石（與原竣工圖一致），閘底板下部脫空3.0 cm。

4#閘孔上游側(cè)的S4 - 1號(hào)孔，鉆孔深度為113.0 cm，獲取到的芯樣總長(zhǎng)112.0 cm，0 ～ 40.0 cm段芯樣破碎，中間沉降縫內(nèi)嵌油毛氈，上部縫寬約2.0 cm，縫內(nèi)油毛氈厚度約1.5 cm，表層的油毛氈芯樣取出后呈碎塊狀，下部的油毛氈較完整，從孔內(nèi)攝像成果來(lái)看，孔內(nèi)油毛氈完整且與混凝土緊貼；40.0 ～ 100.0 cm芯樣完整，側(cè)壁光滑，少見孔洞，100.0 ～ 112.0 cm段為碎石，閘底板脫空2.0 cm，下部為碎石。

典型芯樣見圖3 ～ 4，典型閘底板孔內(nèi)、底部攝像情況見圖5。

圖3 S3-3號(hào)閘底板微孔取芯芯樣圖

圖4 X4-1號(hào)閘底板微孔取芯芯樣圖

圖5 孔內(nèi)、孔底典型攝像截圖

4.3 閘底板水下探測(cè)綜合成果

綜合閘底板表面、內(nèi)部、底部的相關(guān)隱患探測(cè)結(jié)果，可知：

（1）閘底板下部普遍存在脫空現(xiàn)象，上游側(cè)脫空小、下游側(cè)脫空大，其中4號(hào)閘孔下游側(cè)閘底板，閘底板與下部淤泥之間存在40.0 cm的間隙，考慮到下部淤泥在水流平緩期可能會(huì)回淤，實(shí)際脫空值可能更大。

（2）1#、2#、3#閘孔下游側(cè)的閘底板表面存在1條縱向的凹槽，縱向貫穿至下游護(hù)坦，縫兩側(cè)高差不明顯，凹槽寬5.0 ～ 8.0 cm、深約5.0 cm；其中3#閘孔，結(jié)合取芯成果，凹槽下部為寬約0.2 cm的貫穿底板的斜向不規(guī)則裂縫。

（3）4#、19#閘孔的閘底板中間的縱向縫可以確定為原設(shè)計(jì)沉降縫。沉降縫貫通至上下游護(hù)坦，與上下游護(hù)坦存在高差，約在3.0 cm以內(nèi)；裂縫兩側(cè)高差不明顯；沉降縫內(nèi)的油毛氈除上表面外基本還在發(fā)揮作用，縫內(nèi)大部分油毛氈與混凝土緊貼、不存在沿閘底板沉降縫的滲透通道，但19#閘孔沉降縫內(nèi)上部40.0 cm范圍內(nèi)的油毛氈老化嚴(yán)重。

（4）原設(shè)計(jì)閘底板下部的“閘基下鋪夯30.0 cm塊石”結(jié)構(gòu)已不完整，且該結(jié)構(gòu)的下部是松軟的淤泥質(zhì)土。本次通過(guò)鉆取閘底板芯樣結(jié)合原竣工圖紙分析，該結(jié)構(gòu)的一部分可能在原混凝土施工過(guò)程中與閘基混凝土膠結(jié)在一起（這也是部分孔位獲取到的芯樣總厚度大于閘底板設(shè)計(jì)厚度的原因），未膠結(jié)在一起的部分可能在滲流作用下流失或陷入下部淤質(zhì)土中。

5 水下微創(chuàng)探測(cè)與水下機(jī)器人探測(cè)成果對(duì)比

水下微創(chuàng)探測(cè)成果與水下機(jī)器人探測(cè)成果比較見表2。與水下機(jī)器人探測(cè)結(jié)果相比，水下微創(chuàng)探測(cè)結(jié)果不僅可以精確地探明閘底板表面裂縫的寬度及分布情況，而且還能探明裂縫的豎向分布情況、上下貫穿情況與閘底板底部的脫空情況。

表2 水下微創(chuàng)探測(cè)與水下機(jī)器人探測(cè)比較表

6 結(jié) 語(yǔ)

微創(chuàng)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于新金清閘閘底板的水下隱患探測(cè)的結(jié)果為：借助特制的鉆架平臺(tái)、探桿、探鉤，可以在水深5.20 ～ 7.00 m工作條件下獲取水下的直徑不大于36 mm的芯樣。通過(guò)測(cè)量與分析芯樣的相關(guān)指標(biāo)、對(duì)照孔內(nèi)水下錄像，能夠直觀、確切地查明閘底板表面裂縫是否上下貫通、上下游貫通，閘底板下部是否脫空，查明裂縫寬度與確切的平面分布，彌補(bǔ)了潛水員探摸、水下機(jī)器人探測(cè)成果的不足。探測(cè)成果為水閘的安全鑒定、后續(xù)除險(xiǎn)加固提供了依據(jù)，也可為其它類似工程借鑒。

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