涵洞工程洞身段安全診斷技術探究

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河立交工程，滿足入海水道泄洪和京杭運河航運雙重需求。大運河方向為渡槽，槽寬80.0 m，長125.7 m；入海道方向為涵洞，共15 孔，單條涵洞長約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］。上游進口斜坡段長12.0 m，中部平段長88.0 m，下游斜坡段長8.6 m。為方便涵洞里程定位，從上游閘門處設定起始樁號為0+000.00 m，下游出口處設定截止樁號為0+096.60 m。

1.2 涵洞檢查難點分析

涵洞工程常年在水下，對涵洞工程定期開展安全診斷，及時掌握工程質量，是確保工程安全運行的重要依據。但涵洞洞頂為填土覆蓋時，洞身覆蓋填土的沉降較為明顯，不能真實體現(xiàn)洞身段的沉降，洞頂為過水通道時，洞身段無法開展沉降觀測。入海水道大運河立交地涵洞身段常年在水下，在工程日常管理維護中如何快速、準確開展洞身段檢查是一個難題。本文結合工程實際情況，研究提出了一套簡便實用、經濟準確的涵洞工程洞身段安全診斷技術，為涵洞工程安全運行和維護檢查管理提供參考。

2 洞身段安全診斷技術研究

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、費力、危險性較大且檢查結果不精確，不能滿足快捷、準確和安全等諸多要求。水下無人潛航器（Remotely Operated Vehicle，簡稱ROV），也叫水下機器人，是能夠在水下環(huán)境中長時間作業(yè)的高科技裝備，尤其是在潛水員無法承擔的高強度水下作業(yè)或潛水員不能到達的深度和危險條件下更顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，近年來，被越來越多地應用于水工建筑物水下檢測中。胡明罡等［2］采用ROV 對密云水庫白河泄空隧洞閘門井前有壓段洞壁混凝土、裂縫和洞內淤積進行水下探測；張凱等［3］在ROV 上搭載4K 高清攝像頭，實現(xiàn)水下涵洞缺陷圖像智能檢測并應用于六塘河地涵。這些工程應用案例均表明水下機器人檢查技術具有明顯優(yōu)勢，因此本文研究提出采用水下無人潛航器搭載水下光學攝像頭，結合水下圖像聲吶、全向成像聲吶等多參數傳感器等方法開展洞身段水下檢查，查明涵洞內部淤積情況及混凝土表觀是否存在缺陷，采用水下回彈檢測方法開展涵洞混凝土強度檢查，判斷洞身現(xiàn)狀質量是否滿足設計或規(guī)范要求的整套涵洞工程洞身段安全診斷技術（圖1）。

2.1 涵洞淤積情況診斷方法

ROV由控制主機、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、結果直觀、數據可靠等優(yōu)點［4］，但無法有效應用于水流流速快或存在大量垃圾雜物等復雜水體，且當水質渾濁時，水下高清攝像頭不能有效拍攝，只能通過聲吶圖像進行粗略判斷。入海水道大運河立交地涵水體能見度在5 cm以內，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。結合工程特點，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入，沿涵洞中軸線往上游方向行進，采用二維圖像聲吶掃描普查洞內淤積及過流面阻塞情況，了解掌握洞內基本環(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據，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攝像設備對涵洞內表觀混凝土進行掃描，剪輯提取出清晰的影像資料，對其進行解譯分析，并進行結構等特征部位及其他相關信息的標注（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，采用水下光學攝像設備，對聲吶掃描顯示異常部位（如混凝土剝落、裂縫、露筋等）、重點關注部位（如結構縫、閘門門槽等）抵近觀察。影像記錄包含的信息有：影像資料、潛器單元的前進方位角、前傾/側傾角度、攝像頭姿態(tài)、下潛深度、拍攝時間（與聲學定位成果相對應）、潛器單元工作時長等參數，結合現(xiàn)場水下檢查記錄日志，生成典型缺陷攝像成果圖，對洞壁混凝土表觀進行局部抽查，驗證、復核圖像聲吶檢查的準確性。

2.3 涵洞混凝土強度診斷方法

依據《水工混凝土試驗規(guī)程》和《水利工程施工質量檢驗與評定標準》，在不破壞原混凝土結構的前提下，采用回彈法檢測涵洞混凝土現(xiàn)齡期抗壓強度［5］。以2#涵洞為例，水下回彈沿涵洞走向按照間距10 m 布置斷面測線，每個斷面測線彈擊16 個點?；貜棞y試時，始終保持回彈儀的軸線垂直于混凝土測試面。

測區(qū)回彈代表值從該測區(qū)的16 個回彈值中剔除3 個較大值和3 個較小值，其余10 個有效回彈值的計算式為式中：Rm為測區(qū)平均回彈值；Ri為第i個測點的有效回彈值。

選取有代表性的芯樣進行碳化值測試，由測區(qū)平均回彈值及碳化深度值，根據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》，查表得出相應測區(qū)混凝土強度換算值，對混凝土強度進行修正。

構件混凝土強度推定值計算式為

式中：fcu,e為構件混凝土強度推定值；mfcu,e為測區(qū)混凝土強度換算值的平均值；Sfcu,e為構件混凝土強度換算值的標準差。

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，將實測涵洞斷面數據進行整理，按間距5 m提取涵洞典型橫斷面數據，將實測斷面數據與設計資料對比分析，獲取淤積厚度數據，并標注結構部位、尺寸大小等信息，制作生成涵洞淤積斷面成果圖。樁號0+002至樁號0+015涵洞淤積斷面成果對比見圖3，涵洞淤積三維模型展示成果見圖4。

圖3 涵洞實測與設計橫斷面對比

圖4 涵洞淤積與三維模型融合展示成果

入海水道大運河立交地涵2#涵洞底部淤積厚度情況見表1，檢查結果表明，2#涵洞內部總淤積量約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。上游閘門后樁號0+000～0+020 m 范圍，淤積相對較少，平均淤積厚度約0.31 m；樁號0+020～0+096 m 范圍，淤積相對較厚，淤積厚度介于0.50～2.93 m 之間，在下游樁號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，采用水下光學攝像的方法只對涵洞結構縫、閘門門槽等重點關注部位抵近觀察。入海水道大運河立交2#涵洞水下光學攝像檢查成果見表2，結果顯示結構縫未見明顯缺陷，閘門門槽表觀混凝土完好，洞壁表觀混凝土未見明顯缺陷。水下光學攝像驗證結果與二維圖像聲吶檢查結果一致。

表2 涵洞水下光學攝像檢查成果

3.3 涵洞混凝土強度檢查成果分析

選取有代表性的芯樣進行碳化值測試，經測試平均碳化深度值統(tǒng)一取0.5 mm。用芯樣抗壓強度標準值對相應取芯孔周圍水下回彈儀測取換算得到的混凝土強度換算值進行修正，得到最終修正后混凝土強度值如表3 所示。結果表明，涵洞混凝土整體現(xiàn)齡期抗壓強度為26.5～29.2 MPa，滿足工程設計強度等級C25要求。

表3 混凝土抗壓強度

4 結 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淤積及過流面阻塞情況，得到涵洞淤積斷面數據，了解掌握洞內基本環(huán)境情況，具有快速、簡便、無損、精確等優(yōu)點，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涵洞混凝土表觀進行普查，采用水下光學攝像設備可對聲吶掃描顯示異常部位及重點關注部位進行詳查，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、準確等優(yōu)點，滿足涵洞洞身段混凝土結構表觀檢查的要求。

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

（4）涵洞工程洞身段日常檢查應著重檢查洞壁、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攝像頭，結合水下圖像聲吶、全向成像聲吶等多參數傳感器等無損檢測技術對涵洞進行檢測，對涵洞工作狀況有了全面的了解，為工程安全運行提供可靠依據和技術支撐。