有壓隧洞水下檢測(cè)技術(shù)研究

顧紅鷹，董延朋，顧霄鷺

（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）

1 工程概況

南水北調(diào)東線穿黃河工程是南水北調(diào)東線，自東平湖至黃河北岸位，接黃河以北輸水干渠渠首的一段輸水工程，線路總長(zhǎng)7871.0m。工程主要包括穿黃河隧洞和黃河灘地埋管。其中，穿黃隧洞由南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進(jìn)、出口埋管等部分組成，軸線總長(zhǎng)585.38m，其中，進(jìn)口埋管長(zhǎng)31.42m，豎井段長(zhǎng)19.47m，下直彎段31.46m，過河平洞段長(zhǎng)307.17m，埋深約70.0m。穿黃河隧洞進(jìn)口位于黃河南岸隱伏的解山頂部，地面高程40.0～43.0m；出口在黃河北大堤位山險(xiǎn)工段外坡腳處，高程40.0m。隧洞于兩山間河底隱伏山脊穿越，河寬為280.0m。隧洞上覆地層巖溶發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜。斜洞段有斷層5條，涌水裂隙近40余條，平洞有6條斷層，斷層間揭露多條較大裂隙段。巖溶沿上述構(gòu)造部位發(fā)育，形成賦水構(gòu)造。黃河灘地埋管全長(zhǎng)3943.0m，縱坡1/2500，中間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑500.00m。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7.50m。埋管中間設(shè)上、下游兩座檢修井。

2 有壓隧洞常規(guī)檢測(cè)存在的問題

水工隧洞充水以后，水下部分的監(jiān)測(cè)主要依賴預(yù)先埋設(shè)的固定監(jiān)測(cè)儀器實(shí)施，其固定性決定了僅對(duì)有限部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，儀器損壞或工程的其他部位出現(xiàn)變化，只能依靠潛水員入水檢查或采取隧洞排空檢測(cè)。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、大深度潛水存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。排空檢查存在諸多技術(shù)上問題：

1）排空導(dǎo)致工況發(fā)生驟變，隧洞周邊應(yīng)力場(chǎng)亦發(fā)生變化，加之上述地質(zhì)條件復(fù)雜，易對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成損害。

2）排空隧洞中的水需要大量的人力、物力和棄水費(fèi)用，技術(shù)難度大成本高，易引發(fā)工程安全問題。

因此，這些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，在工程應(yīng)用的廣度和深度上受到較大制約，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，有相當(dāng)多的工程由于不適于潛水員潛水條件而不能開展正常的水下檢測(cè)工作。

3 水工隧洞的水下檢測(cè)設(shè)備及試驗(yàn)

近年來，在大力開發(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，相繼開發(fā)出了先進(jìn)的、高效能的水下檢測(cè)設(shè)備。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)

由于有壓隧洞與其他的水工建筑物或是開敞水域環(huán)境上差異，設(shè)備不能是簡(jiǎn)單的引進(jìn)，為此，對(duì)引進(jìn)的多種形式的水下機(jī)器人進(jìn)行了試驗(yàn)性探索。

1）利用加拿大進(jìn)口的水下無人遙控潛水器Samor300F對(duì)穿黃河工程地下隧洞及灘地埋管進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)。

2）采用小型懸浮與履帶結(jié)合機(jī)，加配4組照明和200萬(wàn)高清像素水下攝像機(jī)的最新設(shè)計(jì)支架。

3）考慮水下復(fù)雜情況，非直線進(jìn)入隧洞等多種因素，選擇推進(jìn)器功率為200W，選擇4組光源為50W的LED照明燈，分別在前部，側(cè)翼各加裝1個(gè)1．0m長(zhǎng)的可轉(zhuǎn)動(dòng)攝像支架。

3.2 水下檢測(cè)設(shè)備

總結(jié)兩次試驗(yàn)，特別設(shè)計(jì)制作了滿足穿黃隧洞及灘地埋管檢測(cè)的現(xiàn)狀需要的檢測(cè)設(shè)備--水下機(jī)器人600-6T：前進(jìn)后退的控制由4個(gè)水平螺旋漿、升降控制則由2個(gè)豎向螺旋槳提供動(dòng)力；采用高壓配電技術(shù)；拖曳專門定制的1300m零浮力鎧甲光纖電纜。檢修井口直徑不足1.0m，且進(jìn)程大，設(shè)計(jì)增加配重一組，該組合設(shè)備在國(guó)內(nèi)為首次研發(fā)應(yīng)用。設(shè)備的組成和功能如下：

1）陸地控制設(shè)備采用19＂液晶顯示屏，存儲(chǔ)1TB，配兩高壓電源，以完成1000m水下行程的供電需求，組合為一體主控器。

2）兩檢修井間距離為2230m，檢測(cè)最大行程為1130m，特訂制1306m水下專用零浮力鎧甲光纖電纜，以滿足供電、信息傳輸及設(shè)備拖曳。因光纖超長(zhǎng)，收放線難度大，特別設(shè)計(jì)了手動(dòng)計(jì)數(shù)線架。

3）選用的聲納主要應(yīng)用于管道的破損、變形、淤積等檢測(cè)。聲納頭通過發(fā)射聲納波，經(jīng)反射后由接收系統(tǒng)接收其反射波，形成一個(gè)管道內(nèi)的聲納掃描圖，可以判斷管道內(nèi)的積泥、破損等情況。

4）水下攝像系統(tǒng)是由一組高清防水?dāng)z像鏡頭及LED照明系統(tǒng)組成，可在清水或混水中拍攝較為清晰的視頻及圖像。

3.3 檢測(cè)內(nèi)容及方法

對(duì)水下工程進(jìn)行全面觀察，重點(diǎn)觀察伸縮縫的變化、淤積情況及特殊斷面的對(duì)比觀察，判斷工程運(yùn)行狀況。檢測(cè)過程中全程開啟錄像設(shè)備，聲納設(shè)備基本與錄像同步進(jìn)行。整個(gè)檢測(cè)過程中，高清攝像機(jī)對(duì)經(jīng)過的管道進(jìn)行全程錄像，聲納系統(tǒng)同步進(jìn)行掃描。

水下檢測(cè)設(shè)備在水下先后完成了穿黃河隧洞585.38m及灘地埋管3943.0m的觀測(cè)工作，環(huán)形伸縮縫進(jìn)行選擇性檢測(cè)，并提取了典型斷面的圖像資料。重點(diǎn)對(duì)原工程地質(zhì)中易出現(xiàn)問題的如斷層、破碎帶等部位和灘地埋管監(jiān)測(cè)斷面部位進(jìn)行了觀測(cè)。對(duì)伸縮縫運(yùn)行狀態(tài)、隧洞淤積情況、沉積物及其他外來物體情況、洞壁情況、洞體完整性情況、特殊斷面尺寸進(jìn)行了檢測(cè)，從而分析了穿黃河隧洞工程和灘地埋管工程的水下工程運(yùn)行狀況。

3.4 檢測(cè)成果

通過對(duì)所有視頻及聲納影像資料的詳細(xì)分析，穿黃河隧洞及灘地埋管工程的水下工程運(yùn)行情況如下：

1）整個(gè)穿黃隧洞及灘地埋管在運(yùn)行多年后未見有結(jié)構(gòu)性、功能性的缺陷；特殊斷面未見異常。

2）隧洞和灘地埋管無淤積，但存在一定的沉積物，輸水運(yùn)行時(shí)，此類沉積可被水流沖出管道，但應(yīng)進(jìn)行定期觀測(cè)。

3）據(jù)上述可推定地基與基礎(chǔ)部分未出現(xiàn)異常情況，地基基礎(chǔ)滿足工程安全運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

水下工程檢測(cè)技術(shù)，因環(huán)境、深度、壓力、透視狀況等不同，檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備需在不同環(huán)境下進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)工作。通過水下機(jī)器人在工程中的運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸、探照、掃描、拍攝、等工作，初步對(duì)水下洞室水的清潔度、淤積、附著物、伸縮縫狀況及隧洞（埋管）整體情況等運(yùn)行狀態(tài)有了直觀了解；取得了檢測(cè)設(shè)備下潛深度、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)行了歸納分析，為水下檢測(cè)設(shè)備的改進(jìn)和建筑物檢測(cè)方式研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 水下檢測(cè)技術(shù)在水工隧洞中的應(yīng)用初探.《山東水利》2014.12.