水利工程壩身涵管檢測系統(tǒng)研究及應(yīng)用

田金章，查志成 ，王秘學(xué)，高大水

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢，430010；2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢，430010）

1 壩身涵管運(yùn)行現(xiàn)狀

我國現(xiàn)有小型水庫9.3萬多座，占水庫總數(shù)的95%左右[1-2]，是我國防洪體系與水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電和改善環(huán)境等方面發(fā)揮了不可替代的作用。作為小型水庫主要放水設(shè)施的壩身涵管，長期運(yùn)行中，受材料耐久性、修筑質(zhì)量、運(yùn)行條件等因素影響，存在滲漏、結(jié)構(gòu)破損、淤積等病害問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，壩身涵管破壞造成的潰壩占我國總潰壩數(shù)量的4.9%[3]。

小型水庫壩身涵管以預(yù)制管、漿砌體、現(xiàn)澆混凝土管較為常見。根據(jù)涵管材料和運(yùn)行的特點(diǎn)，分析涵管破壞主要有以下形式：（1）筑管材料老化，造成壩身涵管出現(xiàn)裂縫、錯抬、塌陷等病害；（2）涵管結(jié)構(gòu)縫勾縫砂漿流失或結(jié)構(gòu)破損，壩體滲水由結(jié)構(gòu)縫流入涵管內(nèi)，造成管身滲漏；（3）涵管長期過水，高速水流對管壁造成沖蝕破壞；（4）大壩填筑質(zhì)量較差，由壩體沉降變形造成的涵管結(jié)構(gòu)破壞等。因涵管多位于壩下，且管徑較小，人工檢測難度和風(fēng)險(xiǎn)較大，需研究無人、無損的壩身涵管檢測技術(shù)和配套設(shè)備。

目前，壩身涵管主要依靠人工外部觀察以及利用延長桿加裝攝像頭進(jìn)行檢查，探測距離有限，檢測效果差、效率低。石油管道及市政管道檢測中已有利用自動化設(shè)備進(jìn)行無人檢測的案例，經(jīng)研究，提出以管道機(jī)器人為載體，搭載高清彩色攝像機(jī)、激光測距儀等設(shè)備組成壩身涵管檢測系統(tǒng)，對壩身涵管進(jìn)行無損檢測，以提高檢測效率和效果[4]。

2 壩身涵管檢測系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)水利工程壩身涵管的特點(diǎn)和主要病害形式，涵管檢測系統(tǒng)應(yīng)具備滲漏檢查、缺陷檢測及測量、涵管形狀三維檢測、淤積測量等功能。

（1）滲漏檢查：在關(guān)閉上游進(jìn)水口的情況下，對涵管內(nèi)壁通過高清視頻檢測滲漏情況，并通過涵管檢測機(jī)器人行走距離確定滲漏部位，對典型滲漏部位可在視頻中截圖說明滲漏情況。

（2）缺陷檢測及測量：針對壩身涵管內(nèi)部缺陷，通過高清攝像檢查確定混凝土破損范圍，利用攝像頭攜帶兩個激光測寬儀對缺陷的尺寸進(jìn)行測量。

（3）涵管三維模型重建：基于高清攝像成果，利用攝影測量技術(shù)，將視頻中有重疊度的影像通過計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建三維點(diǎn)云圖形，根據(jù)三維點(diǎn)云重建涵管三維模型。該功能主要針對缺乏設(shè)計(jì)資料的涵管，用于查明涵管尺寸和形狀。

（4）淤積測量：利用生成的涵管三維模型，測量涵管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，將測量數(shù)據(jù)與涵管原設(shè)計(jì)尺寸數(shù)據(jù)對比，推算內(nèi)部淤積情況。

3 壩身涵管檢測系統(tǒng)研究

3.1 總體方案

根據(jù)壩身涵管檢測功能需求分析，確定檢測系統(tǒng)總體方案為：以輪式管道機(jī)器人為爬行載體，搭載高清視頻和照明系統(tǒng)、激光測寬系統(tǒng)組成檢測系統(tǒng)的硬件部分（見圖1和圖2），配備涵管檢測成果采集軟件和涵管三維模型重建軟件進(jìn)行成果后處理，為壩身涵管檢測提供豐富且直觀的檢測成果。

3.2 硬件組成

涵管檢測系統(tǒng)硬件設(shè)備由爬行模塊和功能模塊組成，其中爬行模塊主要包括控制器、線纜和爬行器；功能模塊主要包括高清攝像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和激光測寬儀。該系統(tǒng)各部件之間采用模塊化設(shè)計(jì)，便于后期更換和升級。

（1）爬行器：由驅(qū)動機(jī)械部件、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、載波傳輸模組、馬達(dá)驅(qū)動模組、離合器等構(gòu)成。爬行器采用4輪驅(qū)動，通過差速原理，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能，爬行器的驅(qū)動馬達(dá)具備電子離合功能，斷電時(shí)離合松開，便于手動操作。

圖1 壩身涵管檢測系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of dam culvert detection system

圖2 壩身涵管檢測系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware composition of dam culvert detection system

（2）控制系統(tǒng)：可采用筆記本電腦或平板電腦作為主控器，控制器和線纜盤之間可通過無線連接，也可通過網(wǎng)線進(jìn)行連接?？刂栖浖c采集軟件集成，通過控制系統(tǒng)控制爬行器的運(yùn)動和功能模塊的工作。

（3）線纜：線纜為兩芯的同軸電纜，連接爬行器和線纜盤，既為爬行器供電又傳輸控制信號和視頻信號。線纜盤將得到的電力載波信號解析為數(shù)字信號，然后通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給主控器，主控器發(fā)出的控制指令再由電力載波模塊傳送給爬行器。

（4）攝像及照明系統(tǒng)：高清攝像模塊包括前視數(shù)字?jǐn)z像頭、隨動光源、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、氣壓傳感器、限位電位器等。攝像頭采用200萬像素高清攝像頭，可水平360°無限旋轉(zhuǎn)、垂直2×135°旋轉(zhuǎn)。為確保成像效果、視頻無暗影，攝像模塊配備12顆10 W聚光LED和6顆3 W泛光LED作為照明系統(tǒng)，光源亮度可無極調(diào)節(jié)。

（5）激光測寬儀：用于估測涵管內(nèi)部破損范圍和結(jié)構(gòu)尺寸，激光測寬儀與攝像模塊集成，激光光束固定間距為48 mm，能夠滿足涵管內(nèi)部常規(guī)缺陷和結(jié)構(gòu)尺寸的估測。

3.3 軟件組成

在控制系統(tǒng)中配備兩套軟件：涵管檢測成果采集軟件和涵管三維模型重建軟件。

3.3.1 涵管檢測成果采集軟件

涵管檢測成果采集軟件基于Windows平臺開發(fā)，用于控制爬行器、實(shí)時(shí)觀看視頻、查看爬行器狀態(tài)等，通過局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。采集軟件可將檢測成果以視頻、照片形式導(dǎo)出，且現(xiàn)場檢測時(shí)具備現(xiàn)場添加檢測信息、視頻實(shí)時(shí)錄制、截取缺陷圖像、現(xiàn)場判讀等功能。

圖3 涵管檢測成果采集軟件及圖像Fig.3 Culvert detection results gathering software and image

3.3.2 涵管三維模型重建軟件

涵管三維模型重建軟件利用爬行器專門采集的管壁影像資料及姿態(tài)信息，基于有重疊度的影像處理技術(shù)進(jìn)行涵管內(nèi)壁三維模型構(gòu)建。該過程包括了自動提取點(diǎn)云、根據(jù)點(diǎn)云生成曲面、在曲面上進(jìn)行網(wǎng)格化處理、對網(wǎng)格化的區(qū)域進(jìn)行紋理化處理等操作。生成的三維模型可在軟件內(nèi)部對其進(jìn)行點(diǎn)、線、面的測量，還可在任意選擇區(qū)域進(jìn)行體積、投影體積、中空體積、以及實(shí)際角度的測量。模型可導(dǎo)出為常見的三維格式，還可以通過自定義顯示該視角的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，生成三維動畫。

圖4 涵管三維模型重建圖像及長度測量Fig.4 3D model reconstruction image and length measure?ment of the culvert

4 工程應(yīng)用

4.1 工程簡介

重慶市永川區(qū)青峰水庫是一座以灌溉為主、兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的?。?）型水庫工程。水庫工程等別為Ⅳ等，永久性主要水工建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級，臨時(shí)建筑物級別為5級。洪水標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期30年，校核洪水重現(xiàn)期300年，溢洪道消能防沖重現(xiàn)期30年。

青峰水庫放水設(shè)施為石質(zhì)涵臥管，大壩左岸兩處，右岸一處，其中右岸一處為主渠放水設(shè)施，涵管凈斷面尺寸0.8 m×0.9 m，取水口底板高程349.80 m，取水流量0.4 m3/s；左岸一涵臥管型式為臥管連接隧洞放水，隧洞斷面尺寸1.0 m×1.5 m，取水口底板高程353.58 m，取水流量0.6 m3/s；左岸二涵臥管為單排放水孔，孔徑0.2 m，涵管斷面尺寸0.6 m×0.6 m，取水口底板高程353.03 m，取水流量0.4 m3/s。2007年青峰水庫除險(xiǎn)加固時(shí)，對臥管進(jìn)行了拆除，采用M7.5漿砌條石重新砌筑，但涵管未進(jìn)行處理。

圖5 青峰水庫涵管平面布置圖Fig.5 Layout of culvert of Qingfeng reservoir

4.2 檢測實(shí)施方案

因右岸放水涵管為主放水設(shè)施，且多年來從未進(jìn)行過檢測，而左岸放水設(shè)施在檢測期間因淤積和塌坑不具備檢測條件，故本次對右岸放水涵管進(jìn)行檢測，實(shí)施方案如下。

（1）確定檢測內(nèi)容：青峰水庫右岸涵管為矩形漿砌條石涵管，檢測時(shí)關(guān)閉上游臥管進(jìn)口，爬行器從涵管下游出口處進(jìn)入管道內(nèi)部，自下游向上游檢測，檢測內(nèi)容包括涵管四周狀態(tài)、管內(nèi)淤積情況以及生成涵管三維模型。

（2）設(shè)備組裝調(diào)試：涵管檢測系統(tǒng)運(yùn)送至檢測現(xiàn)場后，對系統(tǒng)進(jìn)行組裝和調(diào)試，主要工作包括爬行器與電纜盤通過高強(qiáng)度臍帶纜相連，供電系統(tǒng)與電纜盤相連，系統(tǒng)開機(jī)后通過局域網(wǎng)將控制系統(tǒng)與爬行器連接，實(shí)現(xiàn)對爬行器及電纜盤收/放線的控制等。系統(tǒng)組裝完成后，測試基本操作是否正常，包括爬行器的行進(jìn)、燈光亮度、攝像頭旋轉(zhuǎn)、激光測寬儀等。

（3）涵管檢測：爬行器進(jìn)入檢測區(qū)域后，根據(jù)管內(nèi)明暗、溫度、水汽等條件調(diào)整燈光亮度，利用搭載的高清攝像機(jī)對涵管內(nèi)部的情況進(jìn)行攝像，通過臍帶纜將拍攝的畫面實(shí)時(shí)傳輸至控制平臺上，由操作人員對管道內(nèi)部情況進(jìn)行判讀，并記錄研讀內(nèi)容，便于后期成果整理。對于檢測出的異常區(qū)域，通過調(diào)整爬行器姿態(tài)和攝像機(jī)焦距，對異常區(qū)域進(jìn)行詳查，利用激光測寬儀對該部分進(jìn)行測量，確定異常區(qū)域的范圍、大小，通過電纜盤收放線纜的長度可判斷異常區(qū)域位置。

（4）成果處理：及時(shí)處理涵管檢測的成果，整理出清晰的視頻圖像，并利用三維重建軟件生成涵管三維模型，通過對模型的測量得到涵管結(jié)構(gòu)尺寸，與原設(shè)計(jì)尺寸分析對比后，推算淤積程度。

4.3 檢測成果

4.3.1 滲漏及缺陷檢測

涵管檢測系統(tǒng)在青峰水庫涵管檢測中得到成功應(yīng)用。視頻和截圖查明：（1）涵管內(nèi)部邊墻鈣化嚴(yán)重，有白色析出物；（2）涵管內(nèi)淤積情況良好，但洞內(nèi)塊石堆積較多，通過激光測寬儀測量，涵管內(nèi)部塊石直徑在20 cm左右；（3）涵管頂板有滲漏現(xiàn)象，主要沿漿砌石縫隙流入管內(nèi)。本次檢測范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯破損區(qū)域，部分檢測成果見圖6。

4.3.2 三維模型重建及測量

對涵管進(jìn)行三維模型重建，在重建后的涵管模型上進(jìn)行了長度測量、涵管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸測量等，見圖7。長度測量的結(jié)果與線纜盤放線距離、涵管內(nèi)部結(jié)構(gòu)測量結(jié)果與原設(shè)計(jì)尺寸對比見表1。測量結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，重建后的三維模型實(shí)際尺度與原設(shè)計(jì)尺寸基本一致。

圖6 青峰水庫涵管檢測高清攝像及激光測寬Fig.6 High definition camera and laser width measurement in culvert detection of Qingfeng reservoir

圖7 青峰水庫涵管三維模型長度及寬度測量Fig.7 Length and width measurement of culvert pipe of Qing?feng reservoir

表1 檢測成果與實(shí)際對比表Table 1 Comparison between test and actual results

5 結(jié)語

隨著涵管常年運(yùn)行，結(jié)構(gòu)老化、缺陷和涵管滲漏問題越來越普遍。對壩身涵管的無損、自動化檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出以爬行器為運(yùn)載體，搭載高清攝像、照明系統(tǒng)、激光測寬儀進(jìn)行涵管檢測，并通過軟件對涵管形狀進(jìn)行三維模型重建，為涵管結(jié)構(gòu)缺陷和尺寸測量提供了簡單、快捷的辦法。通過工程實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)使用方便、操作簡單、成果豐富，是一種高效、無損的涵管檢測方法，為壩身涵管檢測提供了新的解決方案。