引水隧洞表觀缺陷智能檢測與規(guī)律分析

黃會寶，謝 輝，馬芳平，彭 濤，李佳龍，彭 望

（1. 國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041； 2. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川 成都 610071； 4. 中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

0 引 言

隨著我國水利水電技術(shù)的快速發(fā)展，高壩大庫、大型引調(diào)水工程總量穩(wěn)居世界第一，極大地支撐了區(qū)域防洪、發(fā)電、灌溉、供水等民生需求和社會經(jīng)濟發(fā)展。作為關(guān)鍵構(gòu)筑物的引水隧洞具有洞線長、洞徑大、圍巖地質(zhì)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形式多樣等特點，長期運行會出現(xiàn)磨蝕、裂縫、滲漏等缺陷，極大影響工程安全，縮短隧洞使用壽命［1，2］。如不及時發(fā)現(xiàn)，甚至?xí)鹚矶纯逅?，不僅對水利水電工程效益造成巨大損失，也會威脅居民生活生產(chǎn)安全。因此，引水隧洞缺陷定期檢測是保障水電工程安全運行的重要基礎(chǔ)。

目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用人工巡檢方式，對引水隧洞實施放空后檢查及維修，但存在檢查不及時、作業(yè)風(fēng)險高、人力需求大、檢測周期長、誤檢率高等問題。因而無法客觀、精準(zhǔn)和完整地檢測，難以對引水隧洞結(jié)構(gòu)的缺陷和隱患做出及時全面地發(fā)現(xiàn)和消除，嚴(yán)重制約了引水隧洞的運維和管控。同時，引水隧洞大坡度斜井段壁面光滑，人工巡檢通常難以覆蓋，因而斜井段也成為引水隧洞巡檢的盲區(qū)。伴隨著機器人搭載三維成像聲吶、光學(xué)攝像等智能無損檢測手段在水電行業(yè)的推廣應(yīng)用，采用先進(jìn)創(chuàng)新方法對引水隧洞進(jìn)行巡檢是解決盲區(qū)段檢測的有效途徑［3，4］。當(dāng)前學(xué)者分別從引水隧洞巡檢機器人、缺陷識別技術(shù)與方法、缺陷演變機理等方面進(jìn)行了研究［5-8］，相關(guān)成果總結(jié)了引水隧洞的特點及巡檢難點，攻克了機器人巡檢部分關(guān)鍵技術(shù)，也取得了初步的探索性創(chuàng)新成果。

然而對引水隧洞復(fù)雜結(jié)構(gòu)段的巡檢方法仍處于應(yīng)用的初級階段，針對巡檢數(shù)據(jù)的處理與分析還相對較少，不同結(jié)構(gòu)段的缺陷特征與規(guī)律依然是亟待探明的行業(yè)熱點，需要通過有效途徑解決隧洞全斷面巡檢與分析難題。為實現(xiàn)引水隧洞全斷面混凝土表觀缺陷檢測，本研究通過巡檢機器人搭載三維激光掃描儀在隧洞放空狀態(tài)下開展襯砌表觀缺陷檢測，采集缺陷數(shù)據(jù)與圖像，并對缺陷分布規(guī)律進(jìn)行綜合分析，解決引水隧洞人工檢測的難題，為引水隧洞后期結(jié)構(gòu)安全評價與施工處理提供依據(jù)。

1 引水隧洞缺陷檢測方法

1.1 應(yīng)用背景

某水電站引水隧洞洞徑9.5 m，全長約507 m，其中上平段長193.66 m，且設(shè)有8%的下降坡度，上彎段長26.4 m，斜井段長86.5 m，斜井段與水平線存在55°夾角，接著下彎段長28.8 m，下平段長171.36 m，下平度坡度為0。引水隧洞上平段底板高程765 m，下平段底板高程656.25 m。隧洞襯砌采用兩種形式，進(jìn)口漸變段至下平段為鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，下平段部分隧洞段為鋼板襯砌。引水隧洞各段示意圖如圖1所示。為檢測引水隧洞運行期出現(xiàn)的表觀缺陷，采用巡檢機器人搭載三維激光掃描儀在開展襯砌表觀巡檢。

圖1 引水隧洞分段示意圖Fig.1 Segmentation of the diversion tunnel

1.2 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀是由高速精確的激光測距儀與反射棱鏡組成。其工作原理是激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進(jìn)行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標(biāo)。如果測站的空間坐標(biāo)是已知的，則可以求得每一個掃描點的三維坐標(biāo)，三維激光掃描儀如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀Fig.2 3-dimensional laser scanner

通過高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。其設(shè)備能夠水平和垂直360°掃描，其測距范圍為0.6～330 m，測距在25 m 內(nèi)點云密度小于1.5 mm，且測距在25 m 內(nèi)精度優(yōu)于±2 mm，通過高分辯率大屏幕液晶顯示屏，直接操作進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無需外置電腦。該儀器是集光、電和計算機于一體的高新技術(shù)，主要對物體的空間外形進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，就是將實體的立體信息轉(zhuǎn)換為可直接處理的數(shù)字信號，是對傳統(tǒng)測量方法的革命性創(chuàng)新，極大提高了生產(chǎn)效率。目前已廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、工業(yè)應(yīng)用、工程變形的監(jiān)測等領(lǐng)域，尤其是隧道工程的三維模型、橫縱斷面分析、超欠挖分析、完工質(zhì)量檢查等［9］。

1.3 缺陷檢測方法

采用巡檢機器人對引水隧洞水平段、斜井段缺陷的檢測，現(xiàn)場檢測作業(yè)如圖3所示。該機器人系統(tǒng)單元為各種檢測傳感器等集成的運動平臺，地面控制單元通過臍帶纜將動力和控制命令下傳到爬行器單元，將獲取的傳感器數(shù)據(jù)上傳到地面控制單元。利用人工控制巡檢機器人對引水隧洞上平段和下平段實施檢測。三維激光掃描以10 m間距布設(shè)測站，巡檢機器人行至測站位置后停頓，三維激光掃描儀開始掃描，掃描時間控制在10 min/站以內(nèi)，以此形式逐一完成各測站的掃描工作，直至掃描結(jié)束。

圖3 引水隧洞現(xiàn)場檢測作業(yè)Fig.3 On site detection work in the diversion tunnel

對于引水隧洞的斜井段檢測需要在靠近斜井段的上平段安裝機器人牽引的固定錨點，將安全繩通過錨點進(jìn)行臨時固定，確保機器人進(jìn)入斜井段時能夠保持相對靜止。三維激光掃描測站間距以10 m 為原則，掃描時間為8 min/站。每往下行進(jìn)10 m，固定錨點將安全繩固定好，隨即啟動掃描儀，完成掃描后，依次向下推進(jìn)，直至完成斜井段掃描工作，現(xiàn)場檢測流程示意圖如圖4所示。

圖4 引水隧洞巡檢流程示意圖Fig.4 Flow diagram of diversion tunnel patrol inspection

2 檢測成果處理

2.1 數(shù)據(jù)處理

為避免人為數(shù)據(jù)處理的誤差，采用基于圖像特征的三維重建方法，利用特定算法對圖像序列進(jìn)行特征提取與匹配，并結(jié)合圖像特征實現(xiàn)稠密重建，最終利用點云網(wǎng)格化與紋理映射得到所需的三維模型。針對三維激光數(shù)據(jù)的處理流程為建立工程文件、導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)定位、點云數(shù)據(jù)拼接、點云飛點去噪、成果圖像處理和檢測缺陷標(biāo)識，數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程與拼接成果Fig.5 Data processing flow and splicing results

數(shù)據(jù)處理的核心是根據(jù)特征點云進(jìn)行圖像拼接，將相鄰兩站數(shù)據(jù)通過一定數(shù)量的相同特征點云進(jìn)行拼接，以第一站作為基準(zhǔn)站，依次完成各測站的數(shù)據(jù)拼接，將各測站數(shù)據(jù)拼成一個整體，再對數(shù)據(jù)逐站進(jìn)行精度檢查，從而客觀反映真實的巡檢成果。將已經(jīng)拼接完成的三維點云模型導(dǎo)入處理軟件中，沿隧洞三維點云中軸線展開，再根據(jù)激光反射率信號強弱和三維坐標(biāo)進(jìn)行隧洞缺陷檢測和定位，將帶有缺陷信息的激光影像圖輸出到AutoDesk Navisworks 中進(jìn)行人工校核，最后編輯整理成果。

2.2 缺陷解析與標(biāo)定

以實測點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合出隧洞實測的中軸線，通過與往期最新的實測數(shù)據(jù)對比，可以分析隧洞體型的變化情況，如圖6 所示。圖6 中黑色斷面為前次實測斷面，紅線為最新的實測斷面，向內(nèi)變化為負(fù)值，向外變化為正值，通過多次檢測對比可以分析隧洞的變形趨勢。然而本次為初次檢測，沒有形成對比數(shù)據(jù)，后期可通過該方法開展分析。

圖6 斷面對比分析圖Fig.6 Cross section comparison analysis diagram

根據(jù)隧洞的設(shè)計資料構(gòu)建出隧洞三維模型，把實測點云和設(shè)計模型通過軸線重合的方式，放置在同一個位置，將隧洞的三維點云數(shù)據(jù)正攝投影到設(shè)計模型上，同時附著上每個點云的激光反射率信息，最終生成帶有激光反射率信息的正攝影像圖，如圖7所示。

圖7 引水隧洞不同洞段缺陷分布影像圖Fig.7 Orthophoto map of defect distribution in different sections

通過數(shù)據(jù)整理后發(fā)現(xiàn)有引水隧洞缺陷113 處，缺陷類型主要是裂縫、滲水，其中滲水裂縫有97條，長度在0.362～16.281 m之間。滲漏點有16 處，其中下平段靠后位置，由于隧洞采用鋼板襯砌，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)缺陷。典型缺陷三維激光灰度影像圖與拍攝照片對比，如圖8 所示，圖8 中“2FYSD-SPD-F6 5.407 m”是指第2 條引水隧洞，上平段的第6 條裂縫，長5.407 m。對檢測到的每一處缺陷進(jìn)行編號?？梢钥吹剑矶椿炷帘砻嬷饕跃€狀輕微滲水裂縫為主，裂縫表面局部伴有鈣質(zhì)析出現(xiàn)象，三維激光成果數(shù)據(jù)與拍攝成果數(shù)據(jù)一致。

圖8 三維激光灰度影像和高清相機拍攝照片比對圖Fig.8 Contrast image of 3-dimensional laser grey scale map and picture taken with high-definition camera

3 缺陷規(guī)律分析

3.1 缺陷分布規(guī)律

根據(jù)不同洞段缺陷分布整理出的數(shù)據(jù)對比。上平段共有缺陷47處，斜井段缺陷共有24處，下平段共有缺陷42處。其中下平段靠后位置，由于隧洞采用鋼板襯砌，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)缺陷?？梢?，引水隧洞缺陷主要分布在水平段，斜井段缺陷較少。

根據(jù)隧洞缺陷分布情況，按隧洞軸線方向整理出裂縫沿程分布特征如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，相對于斜井段，裂縫在上平段和下平段分布較為密集，尤其是在下平段350～400 m區(qū)間范圍，裂縫分布最密集，這也說明該段范圍是引水隧洞風(fēng)險較高的位置。

圖9 裂縫沿隧洞軸線方向分布特征Fig.9 Distribution characteristics of cracks along the tunnel axis

同時，整理不同洞段缺陷在斷面分布如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隧洞上平段、斜井段、下平段缺陷均主要分布于洞頂位置，洞底缺陷數(shù)量較少，這與隧洞斷面受力情況由密切關(guān)系，一般情況洞頂受較大拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生更多的裂縫等缺陷。

圖10 缺陷在隧洞斷面分布位置統(tǒng)計圖Fig.10 Statistical graph of the location of defects in the tunnel

不同洞段缺陷類型由圖11 所示，可見，上平段裂縫有43處，其中10 處為環(huán)向結(jié)構(gòu)縫局部滲水，斜井段裂縫共有17 處，下平段裂縫共有37 處，其中4 處為環(huán)向結(jié)構(gòu)縫局部滲水。因此，無論是上、下平段還是斜井段，裂縫均是引水隧洞結(jié)構(gòu)缺陷的主要類型。這與隧洞襯砌施工過程有一定的關(guān)聯(lián)，由于施工順序一般為先洞頂接著洞腰之后洞底，混凝土收縮會在洞頂與洞腰之間形成“反縫”。在兩者之間形成的施工縫只能通過下部“塞入”形式進(jìn)行，因而產(chǎn)生混凝土的振搗不徹底、填料不密實的現(xiàn)象，導(dǎo)致容易形成透水通道。這種“反縫”現(xiàn)象是產(chǎn)生裂縫與滲水的重要原因。

圖11 不同洞段缺陷類型對比圖Fig.11 Contrast chart of the type of defects in different sections

3.2 裂縫特征

針對引水隧洞不同洞段的裂縫長度進(jìn)行分析，將裂縫分為小于2 m，2～5 m，大于5 m 三種類型，不同裂縫長度在隧洞的分布統(tǒng)計如圖12所示。可見，上平段和下平段主要以中長裂縫為主，沒有小于2 m 的裂縫，其中上平段大于5 m 的長裂縫明顯更多，而斜井段裂縫數(shù)量相對較少，且各種不同長度的裂縫數(shù)量相近。

圖12 不同長度裂縫在隧洞的分布統(tǒng)計圖Fig.12 Distribution graph of crevices of different

不同長度裂縫在隧洞斷面位置統(tǒng)計圖如圖13 所示。大于5 m 的長裂縫主要分布于洞頂，洞腰的裂縫以2～5 m 的長度為主，洞底的裂縫較少且較短。

圖13 不同長度裂縫在隧洞斷面位置統(tǒng)計圖Fig.13 Statistical graph of the location of crevices length of different length

3.3 缺陷原理分析

引水隧洞位于地層空間內(nèi)，受隧洞上覆巖層的影響，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)主要作用荷載為垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力。當(dāng)隧洞埋深較淺時，通常不考慮地層構(gòu)造作用，圍巖應(yīng)力十分接近于彈性理論所確定的應(yīng)力狀態(tài)。那么，隧洞襯砌所受垂直應(yīng)力為：

式中：σx、σy為兩個水平方向的主應(yīng)力；σz垂直方向的主應(yīng)力；K0為巖石的靜止側(cè)壓力系數(shù)；μ為泊松比，一般在實驗條件下測試的泊松比為0.2～0.3，此時的側(cè)壓力系數(shù)為0.25～0.4［10］。可見，在自重應(yīng)力影響下，圍巖水平方向主應(yīng)力一般小于垂直方向主應(yīng)力。

對于引水隧洞水平段而言，襯砌結(jié)構(gòu)頂部受到的垂直壓力荷載則大于兩側(cè)洞腰的水平荷載，且在洞頂襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)形成較大拉應(yīng)力，容易在頂部位置出現(xiàn)較大的受拉裂縫，因而洞頂出現(xiàn)較大裂縫的數(shù)量要高于其他位置。

然而，對于引水隧洞斜井段，由于隧洞在巖體內(nèi)部是傾斜布置，襯砌結(jié)構(gòu)的垂直應(yīng)力與地層豎向應(yīng)力存在夾角，其受力示意圖如圖14所示。

圖14 隧洞斜井段受力示意圖Fig.14 Stress Diagram of Tunnel Inclined Shaft Section

由于斜井段洞頂、洞底、洞腰均有水平方向的作用力，襯砌結(jié)構(gòu)四周受力協(xié)調(diào)性較好，而圍巖豎向應(yīng)力作用于斜井段頂部為垂直于洞身的應(yīng)力分量，可表示為：

式中：σz′為豎向應(yīng)力作用于斜井段的分量。

那么，當(dāng)傾角為90°時，斜井段為一隧洞豎井，其洞壁受力僅有圍巖水平方向作用力，這與實際情況相符。可見，斜井段洞頂壓力受圍巖自重應(yīng)力影響明顯小于水平段，在檢測過程中，缺陷數(shù)量也呈現(xiàn)出水平段多于斜井段的現(xiàn)象。

為深入分析不同結(jié)構(gòu)形式的隧洞缺陷的產(chǎn)生原理，下一步將結(jié)合數(shù)值分析的方法，模擬地層中隧洞變形特征，本文的檢測成果將對隧洞變形分析提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

本文針對引水隧洞常規(guī)檢修的迫切需求，采用機器人搭載三維激光掃描儀對隧洞進(jìn)行了全范圍巡檢作業(yè)，是智能檢測技術(shù)在水電領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，具備重要的實踐意義和推廣價值。主要結(jié)論包括：

（1）采用巡檢機器人搭載三維激光掃描儀在隧洞放空狀態(tài)下進(jìn)行襯砌表觀缺陷檢測，可解決了斜井段壁面光滑的人工檢測難題，有效實現(xiàn)隧洞水平段、斜井段缺陷信息的高效準(zhǔn)確檢測。

（2）根據(jù)智能檢測圖像的點云拼接與數(shù)據(jù)處理得到的缺陷影像分布圖，可以發(fā)現(xiàn)裂縫是隧洞襯砌存在的主要缺陷類型，工程檢修時應(yīng)重點關(guān)注隧洞頂部裂縫的擴展情況。

（3）受圍巖豎向作用力與水平作用力的差異影響，隧洞斜井段洞頂所受壓力小于水平段，因此引水隧洞襯砌表觀缺陷主要分布于上、下平段，斜井段的缺陷相對較少。