水下檢測技術在水工隧洞中的應用初探

顧紅鷹，劉力真，陸經緯

（1.山東省水利科學研究院，山東濟南 250014；2.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東濟南 250014）

水下檢測技術在水工隧洞中的應用初探

顧紅鷹1，劉力真1，陸經緯2

（1.山東省水利科學研究院，山東濟南 250014；2.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東濟南 250014）

闡述了現代水下遙控潛水器在復雜穿黃河水工隧洞中進行檢測的方法和現場試驗，對水工隧洞的水下檢測技術進行了探討，分析了測試存在的問題，為水下潛水器的改進、設計和建筑物檢測方式研究打下了基礎。

穿黃工程；水下檢測；水工隧洞；潛水器

1 工程概況

某穿黃河地下工程包括兩部分：水工隧洞工程和黃河灘地埋管工程。

水工隧洞：由南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進、出口埋管等部分組成，軸線總長585.38 m，其中進口埋管長31.42 m，豎井段長19.47 m，下直彎段31.46 m，過河平洞段長307.17 m，平洞低點高程-33.00 m；斜彎段10.56 m，北岸斜井段長155.47 m，北岸埋管段29.93 m。隧洞襯砌采用鋼筋混凝土結構，為圓形斷面，洞徑7.50 m。其后通過長60 m的連接段與穿引黃渠埋涵相接。穿黃隧洞進口高程27.3 m，出口高程27.3 m。

黃河灘地埋管：灘地埋管全長3 943 m，縱坡1/2 500，中間設有一個轉彎段，轉彎半徑500 m。埋管采用內圓外城門洞型現澆鋼筋混凝土結構，內徑7.5 m。灘地埋管進口高程28.88 m，末端高程27.3 m。埋管中間設上、下游2座檢修井，下游檢修井井口高程40.00 m。1#井距進口檢修閘1 750 m，內徑Φ1.0 m，深15 m；2#井距1#井2 230 m，內徑Φ1.0 m，深17 m。

2 水工隧洞工作特點及檢測存在的問題

水工隧洞作為地下結構，不但具有一般地下洞室結構的特點，還因輸水會產生內水或外水壓力，有可能引發某些次生問題。如人工地下結構是在巖（土）體中開挖形成的，應力重分布引起的圍巖變形；對于跨流域引水埋深大的隧洞，高地應力問題也相當突出，高地應力會引起隧洞圍巖發生過大的松弛區，或時效性變形破壞等；較大內水壓力的存在，要求圍巖具有足夠的厚度和進行必要的襯砌，否則一旦襯砌破壞，將危及巖坡穩定和附近建筑物的正常運行；較大的外水壓力也可使埋藏式壓力管道失衡；施工質量及老化等問題也會在運行中不斷顯現。

水工隧洞充水以后，水下部分的監測只能依靠預先埋設的固定監測儀器實施，儀器埋設的固定性決定了只能對有限的幾個部位進行監測，一旦儀器損壞或工程的其他部位出現問題，只能排空或潛水員入水檢查。排空檢查由于成本高，應力場變化大，可能對工程結構造成損害等特點，實施起來難度較大；潛水員潛水檢查由于專業限制往往對工程運行特點不夠了解，且長時間、大深度潛水存在安全風險。這些傳統的檢測方法，在工程的應用廣度和深度上受到極大制約，有些檢測項目，因保證不了工程的技術要求而被放棄，有些工程由于不適于潛水員入水條件而不能開展水下檢測工作。

3 水工隧洞的水下檢測試驗

3.1 水下檢測工程技術概述

目前水利工程水上部分的檢測技術已較成熟，大部分能以無損或半破損方式進行。

近年來，在大力開發海洋自然資源進程中，水下檢測技術得到了快速發展。水利工程的水下檢測技術也應運而生，相繼開發出了先進的、高效能的水下檢測設備，如水下攝像監視機、水下超聲測厚儀、水下磁粉探傷儀、水下電位測量儀、水下攝影器材、水下無人遙控潛水器、水下無損探傷儀、淺層部面儀、彩色圖像聲納、水下測量電視等新穎的技術設備。

目前水下檢測多采用潛水員攜帶水下檢測設備和水下無人遙控潛水器檢測技術。水下無人遙控潛水器又可稱為水下機器人，廣泛應用在民用和軍事領域，以及在海洋、內湖環境下的各類水下工程作業、打撈救生和海洋科學考察等各方面。

3.2 水下檢測試驗設備

本次試驗選用的水下無人遙控潛水器的尺寸為36 cm×36 cm×48 cm（長×寬×高），機器本身重量空氣中為16 kg，配有控制器、電源及其他可選設備等。

1）地面控制器內置處理器：基于INTEL處理器，提供多種設備的驅動，顯示器為10.4″陽光下可視，XGA TFT有效觸摸屏，并配有Windows XP及專業控制系統，內置DV記錄儀。

2）臍帶電纜為內置視頻光纖，外置凱夫拉，最小斷裂載荷500 kg，中性浮力，直徑為9 mm；潛水器攜帶水平推進器2個，豎、橫向1/4馬力推進器2個；2個50W石英燈；高分辨率、40倍變焦，彩色480TV線2路線攝像技術，俯仰角度180°；屏幕顯示含深度、方向、主題、日期、時間、標題；前置即插即用插頭，可測最大深度300 m。

3）可選項：掃測聲納、單（雙）功能機械臂、聲學定位系統、激光測量單元、外部/后部照相機、漏水報警和自動關機等內部安全系統，攝像機和電器桶溫度顯示和報警等。

本次試驗采用設備為基礎配置：潛水器（可下潛300 m）本身配置的460線分辨率、40倍放大水下彩色攝像技術，50 W石英燈泡光源。攝像機和光源同軸上下掃描180°系統、控制系統及160 m重量16 kg水下零浮力電纜，無其他可選項配置。

3.3 測試結果分析

選擇測試目標為2處：隧洞北岸出口和涵洞通氣檢修1#井處。

3.3.1 水工隧洞測試

隧洞出口處通氣孔呈長方形，尺寸2 m×4 m，水位在孔口下3 m。沿隧洞向上游方向進行實驗性檢測。地面遙控潛水器前行，水質良好。檢測長度160 m，最大潛深23.30 m；檢測內容包括伸縮縫情況、洞壁現狀和淤積情況。

綜合檢測記錄，得出以下結論：

1）行進60m，水下8.73m處：伸縮縫未見異常。

2）行進70 m，水下17.23 m近距離洞壁：附著一層褐色物質，約5 mm厚松散物，判定為水中顆粒附著，從表面平整度分析，管壁未有異常。

3）行進120 m，水下19.84 m處近距離觀察頂部洞壁：附著一層黃色物質，約有2 mm厚松散物，判定為水中顆粒附著，表面觀察有少量突出部分，分析為原施工中管壁未能清理的表層物質，不會影響隧洞正常運行。

4）淤積情況：淤積較輕，基本在底部，為松散狀，機器行進基本能擾動，約3～5 mm。

3.3.2 灘地埋管檢修1#井處測試

灘地埋管檢修孔地面孔口直徑為1.0 m。水位在地面下4 m。向上游方向進行實驗性檢測。根據設計資料，洞口處3 m左右為埋管洞室。洞室直徑7 m。潛水器水下行進150 m，在不同距離不同高度進行了多次檢測。

綜合檢測，得出以下結論：

1）入水后水下2.98 m處觀察為豎井與水平洞室的連接處，可清晰觀察洞頂的圓弧及壁厚。

2）如圖1、圖2，潛水器攜帶變焦攝像機，在行進100 m水下5.32 m處觀察伸縮縫，并放大5倍變焦進行觀察。此處伸縮縫高于管壁，上有白色附著物，放大5倍觀察，白色附著物為飄浮狀態，目前對工程沒有不良影響，今后應注意觀察。

3）轉入水平洞室后水下6.95 m處觀察到的洞室內纜線套管，洞壁未見異常。

4）行進60 m，水下8.05 m處觀察到的伸縮縫情況，伸縮縫未見異常。

5）淤積情況：淤積較輕，基本在底部，為松散狀，機器行進基本能攪動，約2～5 mm。

4 測試效果

水下工程無人檢測技術，由于環境深度、壓力、透視狀況等不同，檢測環境復雜，設備要在不同的環境下進行細致的檢測工作。由于工程的地下工作環境較為復雜，本次水下工程檢測避開了復雜段，選擇了工況相對簡單、潛水器進出方便的豎井及水下隧洞情況簡單的地段。通過水下遙控潛水器在水下工程中的潛水、驅動、數據傳輸、探照、掃描、拍攝、水下操作及檢測等主要工作，初步對水下洞室的水的清潔度、淤積、附著物、伸縮縫狀況等運行狀態有了直觀了解，取得了潛水器下潛深度、速度、水溫、距離及水工建筑物表觀質量等照片和視頻資料，并進行了簡單的測量操作，為水下潛水器的改進、設計和建筑物檢測方式研究打下了基礎。

由于工況復雜，儀器的水下操控力有待提高，應根據現場特點設計新的配置，以提高工作效率；因洞內無任何光源，補光距離有待改善；由于水下工程無法定位，行進距離為估測，不能精確定位。

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1009-6159（2014）-12-0019-02

2014-09-18

顧紅鷹（1965—），女，高級工程師