孫超君，孫 猛，董兆華，韓 影，萬 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)槎刹郏蹖?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，洞頂為過水通道時(shí)，洞身段無法開展沉降觀測(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，被越來越多地應(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度在5 cm以內(nèi)，閘門開啟狀態(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)淤積及過流面阻塞情況，了解掌握洞內(nèi)基本環(huán)境情況。水下無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)比見圖3，涵洞淤積三維模型展示成果見圖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圖5，由圖5 可以看出，涵洞洞壁表觀混凝土未見明顯破損、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)攝像檢查成果見表2，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)縫未見明顯缺陷，閘門門槽表觀混凝土完好，洞壁表觀混凝土未見明顯缺陷。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

（1）采用水下無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損壞，涵洞淤積情況等。入海水道立交地涵工程通過采用水下無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。