孫超君，孫 猛，董兆華，韓 影，萬(wàn) 青

（1.江蘇省水利科教中心，江蘇南京 210029；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

1 概 述

1.1 工程概況

淮河入海水道大運(yùn)河立交地涵建成于2003 年10月，位于淮安市淮安區(qū)南郊，是淮河入海水道與京杭大運(yùn)河立交工程，滿足入海水道泄洪和京杭運(yùn)河航運(yùn)雙重需求。大運(yùn)河方向?yàn)槎刹?，槽?0.0 m，長(zhǎng)125.7 m；入海道方向?yàn)楹?，?5 孔，單條涵洞長(zhǎng)約108.6 m，涵洞寬6.8 m，高8.0 m，工作閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門［1］。上游進(jìn)口斜坡段長(zhǎng)12.0 m，中部平段長(zhǎng)88.0 m，下游斜坡段長(zhǎng)8.6 m。為方便涵洞里程定位，從上游閘門處設(shè)定起始樁號(hào)為0+000.00 m，下游出口處設(shè)定截止樁號(hào)為0+096.60 m。

1.2 涵洞檢查難點(diǎn)分析

涵洞工程常年在水下，對(duì)涵洞工程定期開(kāi)展安全診斷，及時(shí)掌握工程質(zhì)量，是確保工程安全運(yùn)行的重要依據(jù)。但涵洞洞頂為填土覆蓋時(shí)，洞身覆蓋填土的沉降較為明顯，不能真實(shí)體現(xiàn)洞身段的沉降，洞頂為過(guò)水通道時(shí)，洞身段無(wú)法開(kāi)展沉降觀測(cè)。入海水道大運(yùn)河立交地涵洞身段常年在水下，在工程日常管理維護(hù)中如何快速、準(zhǔn)確開(kāi)展洞身段檢查是一個(gè)難題。本文結(jié)合工程實(shí)際情況，研究提出了一套簡(jiǎn)便實(shí)用、經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確的涵洞工程洞身段安全診斷技術(shù)，為涵洞工程安全運(yùn)行和維護(hù)檢查管理提供參考。

2 洞身段安全診斷技術(shù)研究

傳統(tǒng)的涵洞工程水下檢查是由潛水員下水或劃小船檢查，該檢查方法效率低、費(fèi)力、危險(xiǎn)性較大且檢查結(jié)果不精確，不能滿足快捷、準(zhǔn)確和安全等諸多要求。水下無(wú)人潛航器（Remotely Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV），也叫水下機(jī)器人，是能夠在水下環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的高科技裝備，尤其是在潛水員無(wú)法承擔(dān)的高強(qiáng)度水下作業(yè)或潛水員不能到達(dá)的深度和危險(xiǎn)條件下更顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于水工建筑物水下檢測(cè)中。胡明罡等［2］采用ROV 對(duì)密云水庫(kù)白河泄空隧洞閘門井前有壓段洞壁混凝土、裂縫和洞內(nèi)淤積進(jìn)行水下探測(cè)；張凱等［3］在ROV 上搭載4K 高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)水下涵洞缺陷圖像智能檢測(cè)并應(yīng)用于六塘河地涵。這些工程應(yīng)用案例均表明水下機(jī)器人檢查技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此本文研究提出采用水下無(wú)人潛航器搭載水下光學(xué)攝像頭，結(jié)合水下圖像聲吶、全向成像聲吶等多參數(shù)傳感器等方法開(kāi)展洞身段水下檢查，查明涵洞內(nèi)部淤積情況及混凝土表觀是否存在缺陷，采用水下回彈檢測(cè)方法開(kāi)展涵洞混凝土強(qiáng)度檢查，判斷洞身現(xiàn)狀質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)或規(guī)范要求的整套涵洞工程洞身段安全診斷技術(shù)（圖1）。

2.1 涵洞淤積情況診斷方法

ROV由控制主機(jī)、臍帶連接線纜、水下潛器、輔助成像聲吶及其他附件組成，具有作業(yè)靈活、工作高效、結(jié)果直觀、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)［4］，但無(wú)法有效應(yīng)用于水流流速快或存在大量垃圾雜物等復(fù)雜水體，且當(dāng)水質(zhì)渾濁時(shí)，水下高清攝像頭不能有效拍攝，只能通過(guò)聲吶圖像進(jìn)行粗略判斷。入海水道大運(yùn)河立交地涵水體能見(jiàn)度在5 cm以內(nèi)，閘門開(kāi)啟狀態(tài)下水流速約0.4 m/s，上游洞口附近水面漂浮有大量水草、雜草、生活垃圾等。結(jié)合工程特點(diǎn)，提出涵洞淤積情況診斷方法如下：水下無(wú)人潛航器需從地涵下游洞口進(jìn)入，沿涵洞中軸線往上游方向行進(jìn)，采用二維圖像聲吶掃描普查洞內(nèi)淤積及過(guò)流面阻塞情況，了解掌握洞內(nèi)基本環(huán)境情況。水下無(wú)人潛航器沿洞軸線返回期間，采用全向成像聲吶采集涵洞淤積斷面數(shù)據(jù)，直至整條涵洞淤積情況檢查完成。

2.2 涵洞混凝土表觀情況診斷方法

采用水下無(wú)人潛航器搭載二維圖像聲吶及水下光學(xué)攝像設(shè)備對(duì)涵洞內(nèi)表觀混凝土進(jìn)行掃描，剪輯提取出清晰的影像資料，對(duì)其進(jìn)行解譯分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)等特征部位及其他相關(guān)信息的標(biāo)注（圖2），檢查表觀混凝土是否存在明顯破損、剝落等缺陷。

圖2 混凝土二維圖像聲吶檢查影像成果

視水體能見(jiàn)度情況，采用水下光學(xué)攝像設(shè)備，對(duì)聲吶掃描顯示異常部位（如混凝土剝落、裂縫、露筋等）、重點(diǎn)關(guān)注部位（如結(jié)構(gòu)縫、閘門門槽等）抵近觀察。影像記錄包含的信息有：影像資料、潛器單元的前進(jìn)方位角、前傾/側(cè)傾角度、攝像頭姿態(tài)、下潛深度、拍攝時(shí)間（與聲學(xué)定位成果相對(duì)應(yīng)）、潛器單元工作時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水下檢查記錄日志，生成典型缺陷攝像成果圖，對(duì)洞壁混凝土表觀進(jìn)行局部抽查，驗(yàn)證、復(fù)核圖像聲吶檢查的準(zhǔn)確性。

2.3 涵洞混凝土強(qiáng)度診斷方法

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和《水利工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，在不破壞原混凝土結(jié)構(gòu)的前提下，采用回彈法檢測(cè)涵洞混凝土現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度［5］。以2#涵洞為例，水下回彈沿涵洞走向按照間距10 m 布置斷面測(cè)線，每個(gè)斷面測(cè)線彈擊16 個(gè)點(diǎn)?；貜棞y(cè)試時(shí)，始終保持回彈儀的軸線垂直于混凝土測(cè)試面。

測(cè)區(qū)回彈代表值從該測(cè)區(qū)的16 個(gè)回彈值中剔除3 個(gè)較大值和3 個(gè)較小值，其余10 個(gè)有效回彈值的計(jì)算式為式中：Rm為測(cè)區(qū)平均回彈值；Ri為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的有效回彈值。

選取有代表性的芯樣進(jìn)行碳化值測(cè)試，由測(cè)區(qū)平均回彈值及碳化深度值，根據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》，查表得出相應(yīng)測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算值，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行修正。

構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值計(jì)算式為

式中：fcu,e為構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值；mfcu,e為測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算值的平均值；Sfcu,e為構(gòu)件混凝土強(qiáng)度換算值的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 檢查成果分析

3.1 涵洞淤積檢查成果分析

以2#涵洞為例，將實(shí)測(cè)涵洞斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，按間距5 m提取涵洞典型橫斷面數(shù)據(jù)，將實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)資料對(duì)比分析，獲取淤積厚度數(shù)據(jù)，并標(biāo)注結(jié)構(gòu)部位、尺寸大小等信息，制作生成涵洞淤積斷面成果圖。樁號(hào)0+002至樁號(hào)0+015涵洞淤積斷面成果對(duì)比見(jiàn)圖3，涵洞淤積三維模型展示成果見(jiàn)圖4。

圖3 涵洞實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)橫斷面對(duì)比

圖4 涵洞淤積與三維模型融合展示成果

入海水道大運(yùn)河立交地涵2#涵洞底部淤積厚度情況見(jiàn)表1，檢查結(jié)果表明，2#涵洞內(nèi)部總淤積量約1 088.68 m3，占比涵洞體積約20.72%，淤積厚度介于0.05～2.93 m 之間，上游至下游淤積厚度基本呈遞增趨勢(shì)。上游閘門后樁號(hào)0+000～0+020 m 范圍，淤積相對(duì)較少，平均淤積厚度約0.31 m；樁號(hào)0+020～0+096 m 范圍，淤積相對(duì)較厚，淤積厚度介于0.50～2.93 m 之間，在下游樁號(hào)0+085 m 附近淤積厚度最大。

表1 涵洞底部淤積厚度情況

3.2 涵洞混凝土表觀檢查成果分析

2#涵洞混凝土二維圖像聲吶檢查影像成果見(jiàn)圖5，由圖5 可以看出，涵洞洞壁表觀混凝土未見(jiàn)明顯破損、剝落等缺陷。

圖5 涵洞混凝土二維圖像聲吶檢查影像成果

2#涵洞聲吶掃描表觀混凝土未見(jiàn)明顯破損、剝落等，采用水下光學(xué)攝像的方法只對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)縫、閘門門槽等重點(diǎn)關(guān)注部位抵近觀察。入海水道大運(yùn)河立交2#涵洞水下光學(xué)攝像檢查成果見(jiàn)表2，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)縫未見(jiàn)明顯缺陷，閘門門槽表觀混凝土完好，洞壁表觀混凝土未見(jiàn)明顯缺陷。水下光學(xué)攝像驗(yàn)證結(jié)果與二維圖像聲吶檢查結(jié)果一致。

表2 涵洞水下光學(xué)攝像檢查成果

3.3 涵洞混凝土強(qiáng)度檢查成果分析

選取有代表性的芯樣進(jìn)行碳化值測(cè)試，經(jīng)測(cè)試平均碳化深度值統(tǒng)一取0.5 mm。用芯樣抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)相應(yīng)取芯孔周圍水下回彈儀測(cè)取換算得到的混凝土強(qiáng)度換算值進(jìn)行修正，得到最終修正后混凝土強(qiáng)度值如表3 所示。結(jié)果表明，涵洞混凝土整體現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度為26.5～29.2 MPa，滿足工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C25要求。

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用水下無(wú)人潛航器搭載全向成像聲吶和二維圖像聲吶掃描方法可以普查洞內(nèi)淤積及過(guò)流面阻塞情況，得到涵洞淤積斷面數(shù)據(jù)，了解掌握洞內(nèi)基本環(huán)境情況，具有快速、簡(jiǎn)便、無(wú)損、精確等優(yōu)點(diǎn)，滿足涵洞身段淤積情況的檢查要求。

（2）采用水下無(wú)人潛航器搭載二維圖像聲吶可以對(duì)涵洞混凝土表觀進(jìn)行普查，采用水下光學(xué)攝像設(shè)備可對(duì)聲吶掃描顯示異常部位及重點(diǎn)關(guān)注部位進(jìn)行詳查，能有效直觀地檢查表觀混凝土是否存在明顯破損、剝落等缺陷，具有快速、直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，滿足涵洞洞身段混凝土結(jié)構(gòu)表觀檢查的要求。

（3）采用回彈法檢測(cè)涵洞混凝土現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度，選取有代表性的芯樣進(jìn)行碳化值測(cè)試，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行修正，得到最終修正后混凝土強(qiáng)度值，可以確定工程涵洞混凝土現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度。

（4）涵洞工程洞身段日常檢查應(yīng)著重檢查洞壁、底板、伸縮縫等部位混凝土是否有損壞，水平止水和垂直止水有無(wú)損壞，涵洞淤積情況等。入海水道立交地涵工程通過(guò)采用水下無(wú)人潛航器搭載水下光學(xué)攝像頭，結(jié)合水下圖像聲吶、全向成像聲吶等多參數(shù)傳感器等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)涵洞進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)涵洞工作狀況有了全面的了解，為工程安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)和技術(shù)支撐。