水工建筑物水下結構檢測中的應用

,,,,,

(1.廣東省水利水電科學研究院， 廣州 510635；2.廣東省大壩安全技術管理中心， 廣州 510635；3.廣東省山洪災害防治工程技術研究中心， 廣州 510635)

水利工程結構的安全檢測按照位置分為水上結構和水下結構檢測，其中，水上結構檢測可以利用常規技術,如眼看、耳聽、手摸、腳踩等直觀檢測手段，尺儀、鉆探等常規量測，探地雷達、高密度電法、地震法等物探手段進行綜合檢測。

水利工程水下結構主要包含正常蓄水位水面以下的迎水坡護面結構、進水塔結構以及鋪蓋、底板、護坦、沉箱等結構。其常出現的隱患主要有建筑物整體沉降，混凝土結構表面的裂縫、分縫或止水破損，金屬結構銹蝕等。當前，水利工程水下結構檢測的主要方法包括目視檢測、水下機器檢測(ROV檢測)、激光掃描、扇掃聲納成像等。

目視檢測是指潛水員潛入水下利用手摸、腳踩、眼看及水下照相技術對水下結構進行檢測的方法，該方法技術要求不高，當前使用較廣泛，但是潛水員有一定的人身安全風險，且需要有較高的業務素質；ROV檢測以機器人技術為載體，結合了水下圖像技術、水下聲納及定位技術，具有操作靈活、圖像較為清晰直觀的優點；激光掃描是指利用激光對水下結構進行三維掃描，成像快速，但是由于激光在水中散射嚴重而存在成像質量差的缺點；扇掃聲納成像按照掃描方式分為單波束、多波束方法以及三維成像法，其中多波束具有效率高、分辨率高的特點。

1 我國水利工程水下結構的檢測應用

水利工程水下構筑物常年處于水下，水流環境復雜，其缺陷具有發現難、處理難、突發性強，引起的后果嚴重的特點，對其的檢測具有較大的難度。

李鵬飛[1]、王祥[2]等系統地總結了近年來水下探測技術在水利工程中的成果及技術優勢[3-8]。但是針對基于ROV的水下探查作業，尚未建立統一的水下探測技術標準。

李斌[9]等歸納總結了三維成像技術在富陽巖石嶺水庫和玉環坎門漁港防波堤修復工程中的應用情況和技術特點；饒光勇[10]等將其運用在北江堤圍險段水下地形變化監測中；楊志[11]等利用三維全景成像聲納系統對南京市紅山窯水利樞紐泵站、鎮江市諫壁河口碼頭、長江下游和暢洲汊道崩窩水下岸坡等進行了檢測應用；筆者利用雷達技術對水下水閘底板滲流隱患探測進行了相關研究[12]。以上研究均取得了較為理想的成果，積累了一整套的實踐經驗。

筆者通過水下機器人系統以及多波束成像聲納系統在水庫大壩、水閘等水利工程中的應用實例，總結了水下構筑物檢測的應用方法和技術成果，探討了相關關鍵技術、應用難題與適用范圍，為二者在水利工程水下安全隱患探查中的聯合應用積累了實踐經驗。

圖1 多波束(扇掃)系統測量示意

2 系統介紹及其特點

2.1 多波束成像聲納系統

NORBITWBMS多波束系統主要由聲納裝置、數據采集裝置、設備安裝支架及連接線組成，外業測量一般采用船舷固定布設方式(見圖1)。其中聲納裝置的理想覆蓋角度為140°，波束數為256，理想測量深度為100 m(見表 1)，系統能滿足水利工程大部分水下結構及河道測量需求。目前，該系統主要應用在水下結構檢測、河道地形測繪、水下考古、沉船搜救、輔助海底管線敷設等工程領域。

表1 多波束成像聲納系統參數

與采用光學成像技術和傳統測深系統不同的是，多波束成像聲納系統工作效率高、成像直觀準確，數據可三維化，且不受探測水域水質的影響，在水體渾濁、水質較差的環境下仍可保證成像的清晰度和精確度。

圖2 水下機器人系統結構示意

2.2 水下機器人系統

H300 MKII水下機器人系統由框架、水平及垂直推進器系統、水下電子倉、高靈敏度黑白攝像機、彩色攝像機、照明燈、云臺、羅經及高度計等組成(見圖2)，其最大耐壓深度為300 m，能覆蓋水利工程中絕大部分水下結構的檢測，具有三軸(水平、垂直、側向)以及繞自身旋轉的高抗流運動能力,其參數如表2所示。其關鍵技術包括水下機器器人的控制、導航、圖像數據通信等。該系統目前主要應用于水利、海洋、考古等領域的水下檢測、維修、打撈等。

圖5 某大壩的水上實景圖與水下機器人系統探測結果

表2 水下機器人系統參數

水下機器人具有檢測高效、直觀的特點，能夠按照既定指令快速前往指定部位進行檢測，工作效率高，但是其靈活性還有待提高，且在水質渾濁水體中的探測效果不理想。

3 工程應用

3.1 護坦檢測

某水利樞紐工程處于深厚的高壓縮性的流塑淤泥基礎上，因此樞紐水閘前后護坦采用了水下吊裝空箱式預制件方案進行建造，先對水閘前后護坦進行水下疏浚并找平，空箱預制件在自浮運到預定的沉放地點后，定位充水下沉，其平面結構示意如圖3所示。

圖3 樞紐工程平面結構示意

多波束系統對其的探測結果表明，水閘內外江護坦結構均能比較完整、清晰地呈現出，沉箱結構基本完整，輪廓清晰且無破損情況，但是大部分沉箱在長期水流作用下散亂沉陷，部分已被淤泥覆蓋(見圖4)，淤泥深厚的河床中普遍出現了“沙跑石沉”的現象。由此可見，多波束系統可以對水下地形、工程結構等實現較為完整的探測。

圖4 多波束成像聲納系統的檢測成果

3.2 水下混凝土面板裂縫與止水檢測

水下機器人系統的核心檢測系統為攝錄照明系統，包括高分辨率攝像機(高清彩色變焦攝像頭和黑白低照度攝像頭)和高亮度照明燈，另外系統上可搭載二維聲納成像系統，以實現對水下結構形狀及周邊地貌的簡單測量。

某水庫大壩的水上實景圖如圖5(a)所示，水下機器人對其上游面板水下分縫止水和面板的檢測及其二維聲納成像結果，如圖5(b),(c)所示。

檢測結果表明：各面板表面無明顯的貫穿性裂縫和大面積明顯的混凝土缺失等隱患；各條橡膠止水基本完整，局部表面皸裂，部分固定螺母缺失；在1.2 m水深處發現一條裂縫，經核實此條裂縫為混凝土澆筑時絲帶、竹條或鋼筋等條狀物落入混凝土表面后，由施工人員清除后留下的痕跡，非貫穿性裂縫。

4 結論與展望

(1) 多波束成像聲納系統能夠在能見度較低的水域進行探測，檢測效率高，檢測結果直觀，具有良好的適用性，但是只能探測工程表面結構和隱患。

(2) 水下機器人適用于水下大面積、大范圍檢測，結果直觀可靠，但是只能探查水利工程的表面情況，在水體渾濁、水工結構和水流流態復雜的條件下無法進行細致檢查，難以對缺陷實現精確定位。

下一步的研究方向可以采用三維多波束系統、雷達系統裝載到水下機器人上進行三者聯合探測，實現在渾濁水體情況下既能探測工程表面情況，又能檢測工程內部缺陷。

參考文獻:

[1] 李鵬飛,吉同元,湯子璇,等. 涉水工程水下結構檢測現狀分析及展望[J]. 中國水運,2017,17(5):301-302.

[2] 王祥,宋子龍. ROV水下探測系統在水利工程中的應用初探[J]. 人民長江,2016,47(2):101-105.

[3] 托爾斯滕 P,徐耀,張垚,等. 基于無人水下機器人的水電站和大壩檢測技術[J]. 水利水電快報,2015,36(7):26-29.

[4] 李璐. 水下機器人在病險水利工程檢測中的應用[J]. 湖南水利水電,2015(5):46-49.

[5] 楊勝梅,趙秋云. 水下機器人的應用現狀[J]. 水利水電快報,2015,36(11):29-31.

[6] 李鐘群,孫從炎,蔣曉旺,等. 水下機器人在浙江省水庫大壩檢測中的初步應用[J]. 浙江水利科技,2010(3):57-59.

[7] 呂驥,張洪星,陳浩. 水下機器人(ROV)在水庫大壩檢測作業的安全分析[J]. 水利規劃與設計,2017(10):112-114.

[8] 張晏方,鄧勇,畢文煥,等.水下隱蔽工程檢測技術在長江航道整治工程中的應用[J].水運工程,2010(10):64-69.

[9] 李斌,金利軍,洪佳,等. 三維成像聲納技術在水下結構探測中的應用[J]. 水資源與水工程學報,2015,26(3):184-188，192.

[10] 饒光勇,陳俊彪. 多波束測深系統和側掃聲吶系統在堤圍險段水下地形變化監測中的應用[J]. 廣東水利水電,2014(6):69-72.

[11] 楊志,王建中,范紅霞,等. 三維全景成像聲吶系統在水下細部結構檢測中的應用[J]. 水電能源科學,2015,33(6):59-62，47.

[12] 徐云乾,楊文濱,袁明道,等. 水閘底板滲流隱患的探地雷達檢測[J]. 無損檢測,2017,39(9):83-86.