顾红鹰，刘力真，陆经纬

（1.山东省水利科学研究院，山东济南 250014；2.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南 250014）

水下检测技术在水工隧洞中的应用初探

顾红鹰1，刘力真1，陆经纬2

（1.山东省水利科学研究院，山东济南 250014；2.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南 250014）

阐述了现代水下遥控潜水器在复杂穿黄河水工隧洞中进行检测的方法和现场试验，对水工隧洞的水下检测技术进行了探讨，分析了测试存在的问题，为水下潜水器的改进、设计和建筑物检测方式研究打下了基础。

穿黄工程；水下检测；水工隧洞；潜水器

1 工程概况

某穿黄河地下工程包括两部分：水工隧洞工程和黄河滩地埋管工程。

水工隧洞：由南岸竖井、过河平洞、北岸斜井及进、出口埋管等部分组成，轴线总长585.38 m，其中进口埋管长31.42 m，竖井段长19.47 m，下直弯段31.46 m，过河平洞段长307.17 m，平洞低点高程-33.00 m；斜弯段10.56 m，北岸斜井段长155.47 m，北岸埋管段29.93 m。隧洞衬砌采用钢筋混凝土结构，为圆形断面，洞径7.50 m。其后通过长60 m的连接段与穿引黄渠埋涵相接。穿黄隧洞进口高程27.3 m，出口高程27.3 m。

黄河滩地埋管：滩地埋管全长3 943 m，纵坡1/2 500，中间设有一个转弯段，转弯半径500 m。埋管采用内圆外城门洞型现浇钢筋混凝土结构，内径7.5 m。滩地埋管进口高程28.88 m，末端高程27.3 m。埋管中间设上、下游2座检修井，下游检修井井口高程40.00 m。1#井距进口检修闸1 750 m，内径Φ1.0 m，深15 m；2#井距1#井2 230 m，内径Φ1.0 m，深17 m。

2 水工隧洞工作特点及检测存在的问题

水工隧洞作为地下结构，不但具有一般地下洞室结构的特点，还因输水会产生内水或外水压力，有可能引发某些次生问题。如人工地下结构是在岩（土）体中开挖形成的，应力重分布引起的围岩变形；对于跨流域引水埋深大的隧洞，高地应力问题也相当突出，高地应力会引起隧洞围岩发生过大的松弛区，或时效性变形破坏等；较大内水压力的存在，要求围岩具有足够的厚度和进行必要的衬砌，否则一旦衬砌破坏，将危及岩坡稳定和附近建筑物的正常运行；较大的外水压力也可使埋藏式压力管道失衡；施工质量及老化等问题也会在运行中不断显现。

水工隧洞充水以后，水下部分的监测只能依靠预先埋设的固定监测仪器实施，仪器埋设的固定性决定了只能对有限的几个部位进行监测，一旦仪器损坏或工程的其他部位出现问题，只能排空或潜水员入水检查。排空检查由于成本高，应力场变化大，可能对工程结构造成损害等特点，实施起来难度较大；潜水员潜水检查由于专业限制往往对工程运行特点不够了解，且长时间、大深度潜水存在安全风险。这些传统的检测方法，在工程的应用广度和深度上受到极大制约，有些检测项目，因保证不了工程的技术要求而被放弃，有些工程由于不适于潜水员入水条件而不能开展水下检测工作。

3 水工隧洞的水下检测试验

3.1 水下检测工程技术概述

目前水利工程水上部分的检测技术已较成熟，大部分能以无损或半破损方式进行。

近年来，在大力开发海洋自然资源进程中，水下检测技术得到了快速发展。水利工程的水下检测技术也应运而生，相继开发出了先进的、高效能的水下检测设备，如水下摄像监视机、水下超声测厚仪、水下磁粉探伤仪、水下电位测量仪、水下摄影器材、水下无人遥控潜水器、水下无损探伤仪、浅层部面仪、彩色图像声纳、水下测量电视等新颖的技术设备。

目前水下检测多采用潜水员携带水下检测设备和水下无人遥控潜水器检测技术。水下无人遥控潜水器又可称为水下机器人，广泛应用在民用和军事领域，以及在海洋、内湖环境下的各类水下工程作业、打捞救生和海洋科学考察等各方面。

3.2 水下检测试验设备

本次试验选用的水下无人遥控潜水器的尺寸为36 cm×36 cm×48 cm（长×宽×高），机器本身重量空气中为16 kg，配有控制器、电源及其他可选设备等。

1）地面控制器内置处理器：基于INTEL处理器，提供多种设备的驱动，显示器为10.4″阳光下可视，XGA TFT有效触摸屏，并配有Windows XP及专业控制系统，内置DV记录仪。

2）脐带电缆为内置视频光纤，外置凯夫拉，最小断裂载荷500 kg，中性浮力，直径为9 mm；潜水器携带水平推进器2个，竖、横向1/4马力推进器2个；2个50W石英灯；高分辨率、40倍变焦，彩色480TV线2路线摄像技术，俯仰角度180°；屏幕显示含深度、方向、主题、日期、时间、标题；前置即插即用插头，可测最大深度300 m。

3）可选项：扫测声纳、单（双）功能机械臂、声学定位系统、激光测量单元、外部/后部照相机、漏水报警和自动关机等内部安全系统，摄像机和电器桶温度显示和报警等。

本次试验采用设备为基础配置：潜水器（可下潜300 m）本身配置的460线分辨率、40倍放大水下彩色摄像技术，50 W石英灯泡光源。摄像机和光源同轴上下扫描180°系统、控制系统及160 m重量16 kg水下零浮力电缆，无其他可选项配置。

3.3 测试结果分析

选择测试目标为2处：隧洞北岸出口和涵洞通气检修1#井处。

3.3.1 水工隧洞测试

隧洞出口处通气孔呈长方形，尺寸2 m×4 m，水位在孔口下3 m。沿隧洞向上游方向进行实验性检测。地面遥控潜水器前行，水质良好。检测长度160 m，最大潜深23.30 m；检测内容包括伸缩缝情况、洞壁现状和淤积情况。

综合检测记录，得出以下结论：

1）行进60m，水下8.73m处：伸缩缝未见异常。

2）行进70 m，水下17.23 m近距离洞壁：附着一层褐色物质，约5 mm厚松散物，判定为水中颗粒附着，从表面平整度分析，管壁未有异常。

3）行进120 m，水下19.84 m处近距离观察顶部洞壁：附着一层黄色物质，约有2 mm厚松散物，判定为水中颗粒附着，表面观察有少量突出部分，分析为原施工中管壁未能清理的表层物质，不会影响隧洞正常运行。

4）淤积情况：淤积较轻，基本在底部，为松散状，机器行进基本能扰动，约3～5 mm。

3.3.2 滩地埋管检修1#井处测试

滩地埋管检修孔地面孔口直径为1.0 m。水位在地面下4 m。向上游方向进行实验性检测。根据设计资料，洞口处3 m左右为埋管洞室。洞室直径7 m。潜水器水下行进150 m，在不同距离不同高度进行了多次检测。

综合检测，得出以下结论：

1）入水后水下2.98 m处观察为竖井与水平洞室的连接处，可清晰观察洞顶的圆弧及壁厚。

2）如图1、图2，潜水器携带变焦摄像机，在行进100 m水下5.32 m处观察伸缩缝，并放大5倍变焦进行观察。此处伸缩缝高于管壁，上有白色附着物，放大5倍观察，白色附着物为飘浮状态，目前对工程没有不良影响，今后应注意观察。

3）转入水平洞室后水下6.95 m处观察到的洞室内缆线套管，洞壁未见异常。

4）行进60 m，水下8.05 m处观察到的伸缩缝情况，伸缩缝未见异常。

5）淤积情况：淤积较轻，基本在底部，为松散状，机器行进基本能搅动，约2～5 mm。

4 测试效果

水下工程无人检测技术，由于环境深度、压力、透视状况等不同，检测环境复杂，设备要在不同的环境下进行细致的检测工作。由于工程的地下工作环境较为复杂，本次水下工程检测避开了复杂段，选择了工况相对简单、潜水器进出方便的竖井及水下隧洞情况简单的地段。通过水下遥控潜水器在水下工程中的潜水、驱动、数据传输、探照、扫描、拍摄、水下操作及检测等主要工作，初步对水下洞室的水的清洁度、淤积、附着物、伸缩缝状况等运行状态有了直观了解，取得了潜水器下潜深度、速度、水温、距离及水工建筑物表观质量等照片和视频资料，并进行了简单的测量操作，为水下潜水器的改进、设计和建筑物检测方式研究打下了基础。

由于工况复杂，仪器的水下操控力有待提高，应根据现场特点设计新的配置，以提高工作效率；因洞内无任何光源，补光距离有待改善；由于水下工程无法定位，行进距离为估测，不能精确定位。

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1009-6159（2014）-12-0019-02

2014-09-18

顾红鹰（1965—），女，高级工程师