朱鵬瑞，劉紅彪，尹紀(jì)龍，薛潤(rùn)澤

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

結(jié)構(gòu)檢測(cè)及評(píng)估，即結(jié)構(gòu)故障診斷，其目的是確定結(jié)構(gòu)是否存在故障，進(jìn)而判別故障的程度和方位、結(jié)構(gòu)目前的狀況、使用功能以及結(jié)構(gòu)故障的變化趨勢(shì)等[1]。港工建筑物結(jié)構(gòu)檢測(cè)目前仍然以常規(guī)檢測(cè)為主，巡檢方式效率較低且結(jié)果粗放，巡檢過(guò)程中存在一定的安全隱患和盲區(qū)。隨著科技發(fā)展，近年來(lái)各種先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)如無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人、多波束測(cè)深系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)等逐步應(yīng)用于水運(yùn)結(jié)構(gòu)檢測(cè)，大大提高檢測(cè)的效率與精度[2-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究，特別是在無(wú)人機(jī)低空影像的獲取方法、影像處理、三維建模等方面都展開了大量的研究。一些工程應(yīng)用了無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量用于碼頭和防波堤的水上外觀檢測(cè)，取得了良好的效果。部分港口實(shí)現(xiàn)了“水上無(wú)人機(jī)+水下多波束”初級(jí)智能巡檢，由于不同空間數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、空間基準(zhǔn)、尺度和格式方面的不一致，檢測(cè)成果割裂，無(wú)法形成完整的水工建筑物立體信息模型，缺乏直觀性，距離真正的智能巡檢尚有不小的差距。

1 工程背景

某防波堤位于中國(guó)東部沿海，是一座典型的斜坡式防波堤，胸墻原為漿砌塊石結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度2350m，前沿水深在5m～10m 之間，竣工于1990年，其間多次遭受風(fēng)暴潮的襲擊，每次風(fēng)暴潮過(guò)后，都針對(duì)受損的防波堤進(jìn)行了搶險(xiǎn)維修加固，加固的措施主要是在海堤外坡補(bǔ)充拋石、增加扭工字塊體與扭王字塊體防護(hù)。如2019年臺(tái)風(fēng)利奇馬過(guò)后，防波堤與堤頭相連的500m 胸墻、外坡及部分面層破壞，如圖1所示。為了深入查找防波堤破壞原因，還原破壞過(guò)程，需要對(duì)該防波堤進(jìn)行一次全面深入的檢測(cè)與評(píng)估。

圖1 防波堤面層碎裂

2 防波堤三維可視化模型構(gòu)建

針對(duì)防波堤各組成部分所處位置及環(huán)境特點(diǎn)，需選取相應(yīng)的巡檢手段，智能巡檢必然涉及多設(shè)備多技術(shù)的協(xié)同配合。水上可見工程利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，水下隱蔽工程利用智能無(wú)人艇搭載3DSS-iDX 三維側(cè)掃多波束測(cè)深聲吶掃測(cè)與水下機(jī)器人光學(xué)成像檢測(cè)。

2.1 無(wú)人機(jī)航拍掃描

無(wú)人機(jī)航拍掃描是實(shí)現(xiàn)防波堤水上部分可視化的主要技術(shù)手段，包括激光雷達(dá)掃測(cè)模型與傾斜攝影模型兩部分。將雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)復(fù)合到傾斜攝影模型上，能夠增加航拍模型的屬性信息，水平精度2cm，垂直精度5cm，在代表部位的拐角部位或護(hù)面塊體布置監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)航拍測(cè)量的精確性與連續(xù)性。在低潮位時(shí)采用飛馬D2000RTK 旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，航線規(guī)劃依據(jù)激光頭掃描距離和掃描速率確定飛行速度、航帶寬度和飛行高度。防波堤航拍點(diǎn)云見圖2。

圖2 防波堤航拍點(diǎn)云三維模型

2.2 智能無(wú)人艇測(cè)水深

在高潮位時(shí)采用智能無(wú)人艇搭載3DSS-iDX 三維側(cè)掃多波束測(cè)深聲吶進(jìn)行水下地形掃測(cè)，將掃海測(cè)量數(shù)據(jù)輸入CARIS HIPS and SIPS 7.0 專業(yè)后處理軟件，整理后點(diǎn)云模型見圖3。

圖3 防波堤水深點(diǎn)云模型

2.3 水上與水下點(diǎn)云三維模型構(gòu)建

作為空間三維數(shù)據(jù)的展示，點(diǎn)云成果的展示是一種常見的數(shù)據(jù)成果展現(xiàn)形式，點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有曲面模型所不具有的特征展示等優(yōu)勢(shì)，將智能巡檢獲得的水上與水下構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合處理，去除上方的管廊架等噪聲點(diǎn)，渲染后建立防波堤的三維可視模型，從而形成一整套完整的智能巡檢技術(shù)。

圖4 防波堤水上與水下結(jié)構(gòu)點(diǎn)云融合渲染細(xì)節(jié)

3 防波堤斷面變化精細(xì)化分析與驗(yàn)證

3.1 模型斷面提取與對(duì)比

將無(wú)人機(jī)與無(wú)人艇協(xié)同掃描的多源數(shù)據(jù)融合起來(lái)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)防波堤整體面貌的三維精細(xì)模型，還能將實(shí)測(cè)狀態(tài)與設(shè)計(jì)或之前狀態(tài)斷面對(duì)比，研判當(dāng)下防波堤現(xiàn)狀，分析防波堤破壞程度與破壞原因。

從點(diǎn)云復(fù)合模型中提取出現(xiàn)有斷面輪廓線，將斷面現(xiàn)狀與修復(fù)設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對(duì)比分析。總體上現(xiàn)狀斷面輪廓與設(shè)計(jì)斷面輪廓吻合度一般，內(nèi)側(cè)面層發(fā)生了明顯的沉降，外坡坡肩坡面線低于修復(fù)設(shè)計(jì)，坡腳坡面線低于修復(fù)設(shè)計(jì)，典型斷面對(duì)比見圖5。

圖5 斷面現(xiàn)狀與原設(shè)計(jì)斷面對(duì)比

3.2 水下機(jī)器人光學(xué)成像

采用加拿大Shark Marine seawolf5 水下機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行水下構(gòu)件質(zhì)量檢查。重點(diǎn)分析防波堤胸墻與面層嚴(yán)重破損段K0+140m～K0+320m 區(qū)段，其水下10%的扭王字塊與扭工字塊體斷肢，斷肢形式主要為中間連桿斷肢或者端部斷肢，如圖6所示。

圖6 K0+140m～K0+320m 扭工字塊大量斷肢

綜合斷面分析成果與水下機(jī)器人檢測(cè)成果，防波堤胸墻整體破壞段對(duì)應(yīng)的水下坡面形態(tài)與設(shè)計(jì)斷面存在一定差異，水下扭工字塊斷肢、扭王字塊滑落現(xiàn)象較多，滑落的斷肢塊體、塊石堆積在缺口前方水下區(qū)域并覆蓋在正常的護(hù)面塊體上，形成突出于外坡面的鼓包，此處明顯處于動(dòng)態(tài)變化的不穩(wěn)定狀態(tài)，是安全隱患最大的區(qū)段。

4 防波堤破損原因簡(jiǎn)析

該防波堤面層荷載較小，波浪是其主要荷載，因此推斷發(fā)生損壞的原因主要為對(duì)堤前波浪水動(dòng)力特性認(rèn)識(shí)不足[8]。該防波堤胸墻高度僅1m，風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)，大量的海浪越過(guò)堤頂，會(huì)對(duì)堤頂和面層形成較大的沖擊力，胸墻坍塌，面層沖擊碎裂，加速了面層下方回填料的流失，造成了面層下方的脫空現(xiàn)象。同時(shí)風(fēng)暴潮造成護(hù)面塊體振動(dòng)、碰撞，甚至沿著坡面上下滾動(dòng)，出現(xiàn)塊體磨圓、斷肢等情況，形成薄弱區(qū)域。該防波堤在每一次修復(fù)時(shí)，為加強(qiáng)護(hù)面塊體穩(wěn)定性，在薄弱區(qū)域補(bǔ)拋了較大質(zhì)量的護(hù)面塊體，然后大護(hù)面塊體需要更大的接觸面積與更好地勾連咬合才能保持穩(wěn)定性，工程上“以大覆小”反而沒(méi)達(dá)到預(yù)期加固的效果。

5 結(jié)論

（1）防波堤智能巡檢獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是面測(cè)量方式，可對(duì)防波堤的斷面變化進(jìn)行精細(xì)分析。如何將航拍點(diǎn)云、多波束點(diǎn)云、聲吶側(cè)掃數(shù)據(jù)與光學(xué)成像等數(shù)據(jù)融合并集成下一個(gè)統(tǒng)一的智能巡檢系統(tǒng)中，提供三維實(shí)景、多角度、全方位的展示，能夠觀測(cè)結(jié)構(gòu)體的連續(xù)變化，將是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）該斜坡堤破損成因：超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的自然災(zāi)害是造成防波堤胸墻坍塌、面層碎裂脫空、護(hù)面塊體滑落與水下扭工字塊護(hù)面塊體斷肢的主要原因。