一種海上筑堤工程質量的快速跟蹤檢測方法

郭強

（上海海科工程咨詢有限公司，上海200231）

1 引言

我國是海洋大國，近年來海上工程項目的數量和單體規模逐年上升，項目的質量控制是工程中的重要環節。與陸地相比，海上工程的質量檢測面臨以下難題：

①受水下環境限制，常規的岸上外觀目視檢查和全站儀、水準儀等儀器測量方法不適用，且受水質本身能見度和施工擾動影響，攝像方法也不適用[1]；

②風浪流對檢測方法影響較大，檢測設備體積重量太大或者操作流程過于復雜可能導致現場實施困難或無法實施[2,3]；

③即時性要求高，海上施工一般連續作業，工期十分緊張，要求跟蹤檢測和提供質量結果，便于及時跟蹤質量情況并處理質量問題。

海上工程的質量檢測方法和設備較為豐富，以單（多）波束測深儀、側掃聲吶等基于超聲波探測原理的方法和設備為主[4,5]。近年來很多科研、院校和工程相關單位利用先進儀器設備相繼開展了海上或者水下工程的質量檢測工作，上海南匯促淤一期工程中，采用渾水聲吶成像方法得到了鋪排體影像，清晰反映了排間搭接情況[6]。廣東省北江大堤工程蘆苞長潭險段水下調查中，采用多波束測量系統得到了河床三維影像，結合歷年的測量結果得到了該段的沖蝕規律[7]。“長江南京以下12.5m 深水航道二期工程”福姜沙水道整治工程中，采用剛性固定的側掃聲吶代替傳統拖曳式側掃聲吶檢測軟體排搭接寬度，基本滿足了工程驗收要求[8,9]。

以上方法正在海洋建設工程中得到逐步推廣，但是其使用條件也相對嚴格，設備昂貴、體積相對較大、安裝復雜、對測量船的要求高、需要專業人員操作，適用于工程驗收或者專項檢測。而施工過程的質量跟蹤檢測要求靈活、快速、簡便、高效，基于以上原因，文中提出采用圖像聲吶抽查和潛水摸排相結合的辦法，首先描述了該方法原理、參數設置依據等，在此基礎上對其在工程中的應用進行了分析。

2 圖像聲吶和潛水探摸相結合的檢測方法和原理

2.1 聲吶成像探測原理

文中采用單波束聲吶掃描成像方法進行水下地形和建筑結構表面成像，該方法利用超聲波在介質界面間發生反射的原理對河床和水下結構進行探測。聲波反射率決定于界面兩側介質的聲阻抗差，差值越大，反射率越高，反之亦然。聲吶掃描設備的主要部件為水聲傳感器和水聽傳感器，水聲傳感器向水下發射超聲波，聲波在水底界面發生反射后被水聽傳感器接收，根據反射波列的首波走時及反射波強度即可計算推斷出掃描中心到反射點的距離和界面介質的大致情況，在此技術上結合其他測量參數可以計算出反射點的空間坐標。

2.2 潛水摸排

文中僅指常規空氣潛水，下潛深度在60m 以內。空氣潛水具有一定的危險性，在我國屬于特殊工種，國家制定了大量的行業標準、規范和技術規程，目的在于最大程度地保證潛水安全。

在潛水摸排檢測過程中，潛水員攜帶專門生命支持系統和水下通訊設備入水作業，按要求完成作業后重新返回地面（海上一般為工作母船）。生命支持系統是潛水員水下呼吸供氣系統，整體分水上、水下和中間連接3 部分，水上含壓力空氣儲氣罐、過濾裝置和其他儀表監測控制裝置；水下含隔水潛水服和呼吸頭盔；中間通過呼吸管連接。潛水員利用生命支持系統進行水下正常呼吸，并通過與呼吸管綁扎的通訊電纜與水上通話。

采用該方法檢測時，潛水員入水并到達指定部位后，根據水上指令對目標進行探摸檢查，并將檢測結果即時報告至水上指揮和記錄人員。

潛水員完成檢測作業后不得快速浮出水面，否則血液中溶解的氮氧因壓力減小而迅速分離出來在血液、肌肉中形成氣泡，造成局部栓塞，對人體神經、循環、呼吸、臟器等造成損害，嚴重時常會帶來生命危險。空氣潛水中，一般通過逐次減壓方式，出水過程中按照《60 米以內空氣潛水減壓表》中的規定在不同水深停留一段時間進行減壓，直到最后浮出水面。

2.3 水下定位

聲吶圖像掃描結果具備一定的量測功能，結合聲吶自帶的角度測量結果和外置的空間坐標、方位、姿態數據即可分析計算出反射點的坐標值[10-12]。具體步驟如下：

①在聲吶掃描圖像上提取目標反射點距離聲吶中心的長度L、對應的掃描角γ、聲吶三軸姿態，即方位角ω、橫傾φ、縱傾φ，根據圖1模型圖可得，該點在掃描坐標系中的坐標為（L cos（γ）ctg（α），L cos（γ）ctg（β），L cos（γ））。

②海上工程，特別是近岸工程中一般采用所在地城建坐標系，也有采用自建工程坐標系，均為直角坐標系。文中以城建坐標系為例對聲吶掃描坐標進行轉換，采用齊次坐標系方法，根據聲吶探頭的三軸姿態計算旋轉轉換矩陣Tx，Ty，Tz，根據中心GPS 測量坐標計算平移轉換矩陣ΔT。

③坐標轉換，如圖2坐標轉換模型，根據計算得出的掃描坐標和轉換矩陣，轉換至新坐標系中的齊次坐標為：。

圖1 聲吶測點坐標計算模型圖

圖2 聲吶掃描坐標系與其它坐標系轉換模型圖

2.4 聲吶檢測影響因素及措施

檢測結果受多種因素的影響，主要有以下幾個方面：

①設備性能和參數設置的影響，參數主要指增益、聲速和水深顯示范圍值。增益太小導致探測深度不足或反射界面不清晰；增益太大導致噪聲干擾大，檢測圖像呈現大片椒鹽狀或大面積白化。聲速設置偏差過大會造成距離量測錯誤。水深顯示范圍應略大于實際最大水深，過小會導致探測深度不足，漏掉檢測目標界面，過大則會增加檢測圖像中有效反射界面所占的比例，影響對河床、建筑結構反射界面細節信息的判斷。

②水中浮游物和泥沙影響，浮游物對超聲波有衰減和屏蔽作用，在檢測圖像上形成假反射信號。而泥沙對超聲波具有反射和散射作用，縮短了聲吶探測深度，在檢測圖像上形成椒鹽噪聲，干擾對海床和建筑物反射界面的判斷。工程中一般會避開影響區域重新選擇檢測斷面的方式。

③海水波速變化較大的影響，與內河相比，海水中聲波波速變化較大，不宜采用經驗值（1500m/s），否則在探測深度較深的情況下換算得出的坐標和高程值與實際值會出現較大偏差，工程中一般采用波速儀實測波速曲線。

2.5 潛水摸排影響因素

海上檢測工程中，檢測結果除過受技術人員水平和裝備性能影響外，還受到以下幾個主要環境因素的影響：

①水深

水深直接影響到潛水作業效率和安全，水越深則相應的下潛深度難度越大，出水減壓步驟越復雜，減壓時間越長，相應的作業效率也越低。

②海況

海水溫度、海流、水下障礙物均會對潛水檢測帶來影響，溫度過低引起潛水員身體寒冷不適，極冷情況下發生過出氣嘴被凍結而導致潛水員窒息死亡的案例；潛水員在水中處于微負浮力狀態，海流過大（一般不得大于1m/s）時，潛水員隨流漂移無法靠近檢測目標或者在水下難以穩定作業；水下漁網、海草、建筑垃圾經常會威脅到潛水員安全，呼吸管被纏繞、勾卡導致供氣不暢甚至潛水員無法脫身。

③工程結構復雜程度

潛水作業效率和安全與工程結構情況直接相關，一般情況下，水下能見度較差，潛水員相當于在一個隱蔽環境中盲操作，這種情況下，對環境和結構的預判和把控能力很差，環境和結構越復雜，效率越低且安全性也越差。因此，潛水項目中，對技術交底和安全交底的要求尤其嚴格，潛水員應當在入水前明確作業環境和結構。

3 工程應用

3.1 工程概況

洋山深水港區位于長江口與杭州灣交界處崎嶇列島海區，距上海的南匯咀約33km。洋山四期工作船碼頭采用重力式碼頭設計，施工采用前沿條石筑堤，堤后拋擲塊石的工藝，整個施工過程大部分在水下進行。根據設計要求，碼頭不平整度不得超過±20cm，前沿海床不得殘留施工廢料，施工過程中應當進行質量跟蹤檢測。

為了保證施工質量和進度，經過對多種方法的綜合比較分析后，采用了文中所述的聲吶水下檢測與潛水員水下摸排相結合的檢測方法。通過聲吶檢測對筑堤質量和碼頭前沿海床狀況進行普查，在此基礎上就過程中排查出的可以部位進行潛水摸排檢查，最終達到對筑堤工程質量全面準確檢測的目的。

3.2 檢測設備與流程

根據質量控制內容和要求，采用聲吶掃描和潛水探摸兩種方法相結合的方式對碼頭施工過程進行跟蹤檢測，同時配備了定位、定姿設備進行水下坐標測量。工程中采用的主要儀器設備見表1。

表1 主要檢測儀器設備

3.3 檢測結果分析

采用抽檢的方式進行質量檢測，垂直于碼頭前沿每隔10m 布置1 條聲吶掃描測線。該段施工完成后，下放聲吶探頭至水面以下20～50cm 后啟動掃描并獲得斷面回波圖像。聲吶回波圖像以“雷達圖”方式顯示，能夠清晰表達水下地形和建筑結構的表觀幾何形狀，同時從回波強度對比也能夠間接預判底質硬度、組成成分等情況。

聲吶掃描圖像有兩種情況，如圖3所示為質量合格的圖像，碼頭前沿結構與海床面成像清晰，表面清晰可辨，碼頭表面條石反射曲線整齊，無較大凹進或凸出，前沿無較大塊石垃圾殘留。如圖4所示，碼頭前沿結構表面反射曲線基本整齊（圖像顯示結構有一定傾斜，為探頭傾斜所致），但前沿海床有疑似建筑垃圾堆積，采用潛水探摸方式對該區域進行了水下探摸確認。

圖3 質量合格段的聲吶掃描圖像

圖4 疑似存在質量問題段的聲吶掃描圖像

整個檢測過程與施工工程交替同步進行，既保證了施工進度，同時施工單位隨時對質量進行自檢，并及時隨船位處理質量問題，提高了工作效率。結果表明，聲吶掃描和潛水摸排相結合的檢測方法具有快速、機動靈活和結果準確的優勢，是海上施工質量跟蹤檢測的一種有效方法，對于應對海上復雜條件下的施工質量控制具有重要的作用。

4 結論

文中針對海上筑堤工程中要求快速檢查評估施工質量的問題，提出采用圖像聲吶和潛水探摸相結合的檢測方法，文中詳細分析了該方法的原理、設備和實施步驟，并以實際工程案例進行了驗證分析，得到了以下成果或結論：

①圖像聲吶方法具有設備輕便、操作簡單、效率高、結果直觀形象、可量測、準確性好和現場即時判別的優勢，適用于快速水下筑堤項目的質量普查。

②潛水摸排方法具有結果直接、直觀和可信的優勢，但是效率較低，適用于海上筑堤項目的局部質量抽檢。

③圖像聲吶和潛水摸排相結合檢測海上筑堤質量的方法能充分發揮兩種方法的優勢，保證了檢測質量和效率。

文中研究了該方法的原理、步驟及技術指標，并以實際工程為例進行了應用分析，結果證明了該方法在海上筑堤工程中具備較好的可行性、實用性和優越性。由于該方法測量方面的精度有限，特別是檢測過程中船只隨波搖擺漂移，姿態儀和GPS 動態測量精度有限，因此對測量精度要求優于±10cm 的項目中適用性較差。