有压隧洞水下检测技术研究

顾红鹰，董延朋，顾霄鹭

（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）

1 工程概况

南水北调东线穿黄河工程是南水北调东线，自东平湖至黄河北岸位，接黄河以北输水干渠渠首的一段输水工程，线路总长7871.0m。工程主要包括穿黄河隧洞和黄河滩地埋管。其中，穿黄隧洞由南岸竖井、过河平洞、北岸斜井及进、出口埋管等部分组成，轴线总长585.38m，其中，进口埋管长31.42m，竖井段长19.47m，下直弯段31.46m，过河平洞段长307.17m，埋深约70.0m。穿黄河隧洞进口位于黄河南岸隐伏的解山顶部，地面高程40.0～43.0m；出口在黄河北大堤位山险工段外坡脚处，高程40.0m。隧洞于两山间河底隐伏山脊穿越，河宽为280.0m。隧洞上覆地层岩溶发育，地质条件复杂。斜洞段有断层5条，涌水裂隙近40余条，平洞有6条断层，断层间揭露多条较大裂隙段。岩溶沿上述构造部位发育，形成赋水构造。黄河滩地埋管全长3943.0m，纵坡1/2500，中间设有一个转弯段，转弯半径500.00m。埋管采用内圆外城门洞型现浇钢筋混凝土结构，内径7.50m。埋管中间设上、下游两座检修井。

2 有压隧洞常规检测存在的问题

水工隧洞充水以后，水下部分的监测主要依赖预先埋设的固定监测仪器实施，其固定性决定了仅对有限部位进行监测，仪器损坏或工程的其他部位出现变化，只能依靠潜水员入水检查或采取隧洞排空检测。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、大深度潜水存在较大的安全风险。排空检查存在诸多技术上问题：

1）排空导致工况发生骤变，隧洞周边应力场亦发生变化，加之上述地质条件复杂，易对工程结构造成损害。

2）排空隧洞中的水需要大量的人力、物力和弃水费用，技术难度大成本高，易引发工程安全问题。

因此，这些传统的检测方法，在工程应用的广度和深度上受到较大制约，有些检测项目，因保证不了工程的技术要求而被放弃，有相当多的工程由于不适于潜水员潜水条件而不能开展正常的水下检测工作。

3 水工隧洞的水下检测设备及试验

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。

3.1 现场检测试验

由于有压隧洞与其他的水工建筑物或是开敞水域环境上差异，设备不能是简单的引进，为此，对引进的多种形式的水下机器人进行了试验性探索。

1）利用加拿大进口的水下无人遥控潜水器Samor300F对穿黄河工程地下隧洞及滩地埋管进行了实地检测。

2）采用小型悬浮与履带结合机，加配4组照明和200万高清像素水下摄像机的最新设计支架。

3）考虑水下复杂情况，非直线进入隧洞等多种因素，选择推进器功率为200W，选择4组光源为50W的LED照明灯，分别在前部，侧翼各加装1个1．0m长的可转动摄像支架。

3.2 水下检测设备

总结两次试验，特别设计制作了满足穿黄隧洞及滩地埋管检测的现状需要的检测设备--水下机器人600-6T：前进后退的控制由4个水平螺旋浆、升降控制则由2个竖向螺旋桨提供动力；采用高压配电技术；拖曳专门定制的1300m零浮力铠甲光纤电缆。检修井口直径不足1.0m，且进程大，设计增加配重一组，该组合设备在国内为首次研发应用。设备的组成和功能如下：

1）陆地控制设备采用19＂液晶显示屏，存储1TB，配两高压电源，以完成1000m水下行程的供电需求，组合为一体主控器。

2）两检修井间距离为2230m，检测最大行程为1130m，特订制1306m水下专用零浮力铠甲光纤电缆，以满足供电、信息传输及设备拖曳。因光纤超长，收放线难度大，特别设计了手动计数线架。

3）选用的声纳主要应用于管道的破损、变形、淤积等检测。声纳头通过发射声纳波，经反射后由接收系统接收其反射波，形成一个管道内的声纳扫描图，可以判断管道内的积泥、破损等情况。

4）水下摄像系统是由一组高清防水摄像镜头及LED照明系统组成，可在清水或混水中拍摄较为清晰的视频及图像。

3.3 检测内容及方法

对水下工程进行全面观察，重点观察伸缩缝的变化、淤积情况及特殊断面的对比观察，判断工程运行状况。检测过程中全程开启录像设备，声纳设备基本与录像同步进行。整个检测过程中，高清摄像机对经过的管道进行全程录像，声纳系统同步进行扫描。

水下检测设备在水下先后完成了穿黄河隧洞585.38m及滩地埋管3943.0m的观测工作，环形伸缩缝进行选择性检测，并提取了典型断面的图像资料。重点对原工程地质中易出现问题的如断层、破碎带等部位和滩地埋管监测断面部位进行了观测。对伸缩缝运行状态、隧洞淤积情况、沉积物及其他外来物体情况、洞壁情况、洞体完整性情况、特殊断面尺寸进行了检测，从而分析了穿黄河隧洞工程和滩地埋管工程的水下工程运行状况。

3.4 检测成果

通过对所有视频及声纳影像资料的详细分析，穿黄河隧洞及滩地埋管工程的水下工程运行情况如下：

1）整个穿黄隧洞及滩地埋管在运行多年后未见有结构性、功能性的缺陷；特殊断面未见异常。

2）隧洞和滩地埋管无淤积，但存在一定的沉积物，输水运行时，此类沉积可被水流冲出管道，但应进行定期观测。

3）据上述可推定地基与基础部分未出现异常情况，地基基础满足工程安全运行要求。

4 结论

水下工程检测技术，因环境、深度、压力、透视状况等不同，检测环境复杂，设备需在不同环境下进行细致的检测工作。通过水下机器人在工程中的运行、数据传输、探照、扫描、拍摄、等工作，初步对水下洞室水的清洁度、淤积、附着物、伸缩缝状况及隧洞（埋管）整体情况等运行状态有了直观了解；取得了检测设备下潜深度、速度、水温、距离及水工建筑物表观质量等照片和视频资料，并进行了归纳分析，为水下检测设备的改进和建筑物检测方式研究奠定了基础。

[1] 水下检测技术在水工隧洞中的应用初探.《山东水利》2014.12.