微创可视探测技术在新金清闸水下探测中的应用

毛小魏，陈超燕，王再荣，臧振涛，许 沿

（1.温岭市水利局，浙江 温岭 317500；2.浙江水利水电学院勘测设计研究有限公司，浙江 杭州 310018）

1 问题的提出

水利工程、港口与海岸工程等涉水建筑物，在隐患排查、安全鉴定时，往往需要进行水下探测[1-2]。目前，国内外常用的水下探测技术主要分2类：①潜水员探测，即潜水员直接下水探摸或带水下摄像机等仪器进行探查；②水下机器人探测[3-4]，即岸上人工遥控带摄像头的水下机器人进行探测。上述2种方法能够大范围地进行水下探测作业，但其一般只能探测水下结构物的表面情况，无法对结构内部、结构背侧或结构底侧等隐蔽部位的隐患情况进行探测，如混凝土、圬工结构裂缝内部宽度、是否上下贯穿，内部是否存在孔洞，底部是否脱空，也无法探测结构隐蔽部位尺寸。

“深细钻芯微创可视探测技术”简称“微创可视探测技术”，是近年来发展起来的隐患探测技术。该技术利用经过改进的小孔径取芯钻机（孔径20 ～ 42 mm）等设备，对由石料、混凝土等材料砌筑或浇筑而成的结构物，搭设特制钻架后在任意方向进行钻孔取芯（取芯深度可达8.00 m），借助特制探杆、探钩、卷尺等工具或潜孔微型摄像机，探明结构内部或隐蔽部分的隐患情况、轮廓尺寸[5]。微创可视探测技术具有对结构损伤与外观影响轻微、探测结果直观性强、综合费用低等优点。目前已在混凝土、浆砌石、混凝土灌砌石结构的堤坝、溢洪道、防洪墙、堰坝、挡墙等干地作业的隐患探测、质量检测中得到成功应用，但尚未见应用于水下结构探测的文献报道。本文将“微创可视探测技术”在水深5.20 ～ 7.00 m工作条件下，成功应用于温岭新金清闸的闸底板隐患探测进行总结。探测成果为水闸安全鉴定、后续除险加固的方案设计提供依据，也可为其它类似工程借鉴。

2 工程概况

温岭市新金清闸工程始建于1932年10月，1934年8月竣工。水闸共设22孔，结构形式为胸墙式平底闸，每孔孔口尺寸为2.50 m×5.30 m（净宽×高），总净宽55.00 m，设计流量707 m3/s，时为浙东地区最大出海水闸。自1998年在闸下游10.22 km新建金清新闸排涝工程后，该闸仍作为温黄平原金清水系的主要节制闸，发挥着举足轻重的作用。

2003年对新金清闸进行安全鉴定，在潜水员水下探摸时发现部分闸底板表面存在裂缝。2015年，又采用水下机器人对闸底板表面的裂缝分布全面探测。探测成果：1#（自左岸编排）、2#、3#、4#、5#、9#、10#、14#、19#、22#闸孔的闸底板表面均存在宽度1 ～ 10 cm的裂缝，其中1#、2#、3#、4#、9#、14#、19#疑是规则的设计预留纵向缝，13#闸孔上游为弧状裂缝、10#闸孔上游为横向裂缝，部分裂缝在平面上与上下游护坦、左右闸墩未贯通[6]。

由于潜水员水下探摸与水下机器人探测自身的局限性，未能查明闸底板裂缝是否上下贯通、闸底板下部是否脱空、弧状等裂缝的确切分布等情况，且裂缝平面上未贯通的成因很难解释，为此，拟引入“微创可视探测技术”继续开展水下补充探测工作。

3 水下微创探测实施过程

由于水下机器人已对所有闸孔进行了探测，本次仅进行抽查，对于裂缝较宽且与原设计沉降缝不一致的1#、2#、3#、22#闸孔，抽查了2#、3#闸孔，重点抽查有代表性的3#闸孔；与原设计沉降缝一致的4#、9#、14#、19#闸孔，重点抽查有代表性的4#、19#闸孔；另外抽查裂缝平面布置反常的10#、11#、13#闸孔。累计完成闸底板表面水下微型摄像机探查10个闸孔，水下竖向取芯孔15个，总外业工作量见表1。探测范围以及探测点分布见图1。

表1 外业工作量表

图1 探测范围以及探测点分布示意图

探测过程为：利用带探钩、手控操作的水下微型摄像机探测疑似裂缝的平面位置，确定取芯孔位并进行水下微孔取芯及测量、记录芯样情况，在孔内放入水下潜孔摄像头进行实时摄录以查看孔内与孔底的隐患情况，配合特制的探杆、探钩探测闸底板脱空程度，进行水下混凝土封孔。

闸底板现场微孔取芯及孔内探测照片见图2。限于现场条件，闸门两侧的上下游胸墙内的闸底板未进行探测。

图2 水下微孔取芯和水下摄像施工照片图

4 探测结果分析

4.1 闸底板表面水下摄像探测成果

利用水下摄像机、探杆等仪器设备对探测区域进行探测，典型闸孔的闸底板表面探测成果如下：

（1）3号闸孔下游闸底板中间有1条宽约8.0 cm、深度约5.0 cm的凹槽，其两侧高差不明显，并延伸至闸底板与下游护坦交界处；闸底板与下游护坦存在高差，护坦略高于闸底板2.0 cm；上游侧闸底板有1条斜向裂缝（表面缝宽 1.0 ～ 3.0 cm）。

（2）4号闸孔闸底板中间有1条宽约3.0 cm的裂缝，经钻孔取芯分析及对照原竣工图纸，可以确认该缝为原设计预留的沉降缝。沉降缝两侧高差不明显，且延伸至闸底板与上下游护坦交界处；闸底板与上游护坦高差不明显，下游护坦比闸底板高2.5 cm。

4.2 闸底板水下微孔取芯探测成果

在水深5.20 m的条件下，通过对闸底板进行水下微孔取芯探测，典型闸孔的芯样、底板内部及底部脱空情况为：

3#闸孔上游侧的S3 - 3号孔（位于靠近上游斜向裂缝的位置），钻孔深度为110.0 cm，获取到的芯样总长为104.0 cm，芯样上部3.0 cm为灰黄色纤维状不明物（疑是烂木板），8.0 ～ 20.0 cm和30.0 ～ 40.0 cm处出现宽0.1 ～0.2 cm的不规则裂缝。对照S3 - 1号孔、S3 - 2号孔成果可以判定，该不规则的裂缝即为闸底板上下贯穿的裂缝，43.0 ～ 55.0 cm段芯样破碎，芯样侧壁有较多孔洞，芯样下部为碎石（与原竣工图一致），闸底板下部脱空3.0 cm。

4#闸孔上游侧的S4 - 1号孔，钻孔深度为113.0 cm，获取到的芯样总长112.0 cm，0 ～ 40.0 cm段芯样破碎，中间沉降缝内嵌油毛毡，上部缝宽约2.0 cm，缝内油毛毡厚度约1.5 cm，表层的油毛毡芯样取出后呈碎块状，下部的油毛毡较完整，从孔内摄像成果来看，孔内油毛毡完整且与混凝土紧贴；40.0 ～ 100.0 cm芯样完整，侧壁光滑，少见孔洞，100.0 ～ 112.0 cm段为碎石，闸底板脱空2.0 cm，下部为碎石。

典型芯样见图3 ～ 4，典型闸底板孔内、底部摄像情况见图5。

图3 S3-3号闸底板微孔取芯芯样图

图4 X4-1号闸底板微孔取芯芯样图

图5 孔内、孔底典型摄像截图

4.3 闸底板水下探测综合成果

综合闸底板表面、内部、底部的相关隐患探测结果，可知：

（1）闸底板下部普遍存在脱空现象，上游侧脱空小、下游侧脱空大，其中4号闸孔下游侧闸底板，闸底板与下部淤泥之间存在40.0 cm的间隙，考虑到下部淤泥在水流平缓期可能会回淤，实际脱空值可能更大。

（2）1#、2#、3#闸孔下游侧的闸底板表面存在1条纵向的凹槽，纵向贯穿至下游护坦，缝两侧高差不明显，凹槽宽5.0 ～ 8.0 cm、深约5.0 cm；其中3#闸孔，结合取芯成果，凹槽下部为宽约0.2 cm的贯穿底板的斜向不规则裂缝。

（3）4#、19#闸孔的闸底板中间的纵向缝可以确定为原设计沉降缝。沉降缝贯通至上下游护坦，与上下游护坦存在高差，约在3.0 cm以内；裂缝两侧高差不明显；沉降缝内的油毛毡除上表面外基本还在发挥作用，缝内大部分油毛毡与混凝土紧贴、不存在沿闸底板沉降缝的渗透通道，但19#闸孔沉降缝内上部40.0 cm范围内的油毛毡老化严重。

（4）原设计闸底板下部的“闸基下铺夯30.0 cm块石”结构已不完整，且该结构的下部是松软的淤泥质土。本次通过钻取闸底板芯样结合原竣工图纸分析，该结构的一部分可能在原混凝土施工过程中与闸基混凝土胶结在一起（这也是部分孔位获取到的芯样总厚度大于闸底板设计厚度的原因），未胶结在一起的部分可能在渗流作用下流失或陷入下部淤质土中。

5 水下微创探测与水下机器人探测成果对比

水下微创探测成果与水下机器人探测成果比较见表2。与水下机器人探测结果相比，水下微创探测结果不仅可以精确地探明闸底板表面裂缝的宽度及分布情况，而且还能探明裂缝的竖向分布情况、上下贯穿情况与闸底板底部的脱空情况。

表2 水下微创探测与水下机器人探测比较表

6 结 语

微创探测技术应用于新金清闸闸底板的水下隐患探测的结果为：借助特制的钻架平台、探杆、探钩，可以在水深5.20 ～ 7.00 m工作条件下获取水下的直径不大于36 mm的芯样。通过测量与分析芯样的相关指标、对照孔内水下录像，能够直观、确切地查明闸底板表面裂缝是否上下贯通、上下游贯通，闸底板下部是否脱空，查明裂缝宽度与确切的平面分布，弥补了潜水员探摸、水下机器人探测成果的不足。探测成果为水闸的安全鉴定、后续除险加固提供了依据，也可为其它类似工程借鉴。

参考文献：

[1] 李勇.电沉积法修复海工结构混凝土水下裂缝的研究[D].南京：南京水利科学研究院，2007.

[2] 郑圣义，原玉琴.水工金属结构安全检测与评估方法综述[J].水利水电科技进展，1997，17(2)：26 - 29.

[3] 张国光.21世纪初我国水下工程技术亟待开展的若干课题[J].海洋工程，2000，18(4)：69 - 73.

[4] 徐玉如，李彭超.水下机器人发展趋势[J].自然杂志，2011，33(3)：125 - 132.

[5] 陈振华.深细孔径钻机探查砌体隐蔽部分结构情况与轮廓尺寸的方法[P].中国专利：ZL2013105795570，2013 - 11 - 18.

[6] 浙江钱江科技发展有限公司.金清老闸闸底板安全检测报告[R].杭州：浙江钱江科技发展有限公司，2015.