水利工程坝身涵管检测系统研究及应用

田金章，查志成 ，王秘学，高大水

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉，430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010）

1 坝身涵管运行现状

我国现有小型水库9.3万多座，占水库总数的95%左右[1-2]，是我国防洪体系与水利基础设施的重要组成部分，在防洪、灌溉、供水、发电和改善环境等方面发挥了不可替代的作用。作为小型水库主要放水设施的坝身涵管，长期运行中，受材料耐久性、修筑质量、运行条件等因素影响，存在渗漏、结构破损、淤积等病害问题。据不完全统计，坝身涵管破坏造成的溃坝占我国总溃坝数量的4.9%[3]。

小型水库坝身涵管以预制管、浆砌体、现浇混凝土管较为常见。根据涵管材料和运行的特点，分析涵管破坏主要有以下形式：（1）筑管材料老化，造成坝身涵管出现裂缝、错抬、塌陷等病害；（2）涵管结构缝勾缝砂浆流失或结构破损，坝体渗水由结构缝流入涵管内，造成管身渗漏；（3）涵管长期过水，高速水流对管壁造成冲蚀破坏；（4）大坝填筑质量较差，由坝体沉降变形造成的涵管结构破坏等。因涵管多位于坝下，且管径较小，人工检测难度和风险较大，需研究无人、无损的坝身涵管检测技术和配套设备。

目前，坝身涵管主要依靠人工外部观察以及利用延长杆加装摄像头进行检查，探测距离有限，检测效果差、效率低。石油管道及市政管道检测中已有利用自动化设备进行无人检测的案例，经研究，提出以管道机器人为载体，搭载高清彩色摄像机、激光测距仪等设备组成坝身涵管检测系统，对坝身涵管进行无损检测，以提高检测效率和效果[4]。

2 坝身涵管检测系统功能需求分析

根据水利工程坝身涵管的特点和主要病害形式，涵管检测系统应具备渗漏检查、缺陷检测及测量、涵管形状三维检测、淤积测量等功能。

（1）渗漏检查：在关闭上游进水口的情况下，对涵管内壁通过高清视频检测渗漏情况，并通过涵管检测机器人行走距离确定渗漏部位，对典型渗漏部位可在视频中截图说明渗漏情况。

（2）缺陷检测及测量：针对坝身涵管内部缺陷，通过高清摄像检查确定混凝土破损范围，利用摄像头携带两个激光测宽仪对缺陷的尺寸进行测量。

（3）涵管三维模型重建：基于高清摄像成果，利用摄影测量技术，将视频中有重叠度的影像通过计算机软件构建三维点云图形，根据三维点云重建涵管三维模型。该功能主要针对缺乏设计资料的涵管，用于查明涵管尺寸和形状。

（4）淤积测量：利用生成的涵管三维模型，测量涵管内部结构尺寸，将测量数据与涵管原设计尺寸数据对比，推算内部淤积情况。

3 坝身涵管检测系统研究

3.1 总体方案

根据坝身涵管检测功能需求分析，确定检测系统总体方案为：以轮式管道机器人为爬行载体，搭载高清视频和照明系统、激光测宽系统组成检测系统的硬件部分（见图1和图2），配备涵管检测成果采集软件和涵管三维模型重建软件进行成果后处理，为坝身涵管检测提供丰富且直观的检测成果。

3.2 硬件组成

涵管检测系统硬件设备由爬行模块和功能模块组成，其中爬行模块主要包括控制器、线缆和爬行器；功能模块主要包括高清摄像系统、照明系统和激光测宽仪。该系统各部件之间采用模块化设计，便于后期更换和升级。

（1）爬行器：由驱动机械部件、网络传输模块、载波传输模组、马达驱动模组、离合器等构成。爬行器采用4轮驱动，通过差速原理，实现前进、后退、左转、右转等功能，爬行器的驱动马达具备电子离合功能，断电时离合松开，便于手动操作。

图1 坝身涵管检测系统总体方案Fig.1 Overall scheme of dam culvert detection system

图2 坝身涵管检测系统硬件组成Fig.2 Hardware composition of dam culvert detection system

（2）控制系统：可采用笔记本电脑或平板电脑作为主控器，控制器和线缆盘之间可通过无线连接，也可通过网线进行连接。控制软件与采集软件集成，通过控制系统控制爬行器的运动和功能模块的工作。

（3）线缆：线缆为两芯的同轴电缆，连接爬行器和线缆盘，既为爬行器供电又传输控制信号和视频信号。线缆盘将得到的电力载波信号解析为数字信号，然后通过无线传输的方式发送给主控器，主控器发出的控制指令再由电力载波模块传送给爬行器。

（4）摄像及照明系统：高清摄像模块包括前视数字摄像头、随动光源、旋转马达、气压传感器、限位电位器等。摄像头采用200万像素高清摄像头，可水平360°无限旋转、垂直2×135°旋转。为确保成像效果、视频无暗影，摄像模块配备12颗10 W聚光LED和6颗3 W泛光LED作为照明系统，光源亮度可无极调节。

（5）激光测宽仪：用于估测涵管内部破损范围和结构尺寸，激光测宽仪与摄像模块集成，激光光束固定间距为48 mm，能够满足涵管内部常规缺陷和结构尺寸的估测。

3.3 软件组成

在控制系统中配备两套软件：涵管检测成果采集软件和涵管三维模型重建软件。

3.3.1 涵管检测成果采集软件

涵管检测成果采集软件基于Windows平台开发，用于控制爬行器、实时观看视频、查看爬行器状态等，通过局域网络进行信号传输、发送和接收数据。采集软件可将检测成果以视频、照片形式导出，且现场检测时具备现场添加检测信息、视频实时录制、截取缺陷图像、现场判读等功能。

图3 涵管检测成果采集软件及图像Fig.3 Culvert detection results gathering software and image

3.3.2 涵管三维模型重建软件

涵管三维模型重建软件利用爬行器专门采集的管壁影像资料及姿态信息，基于有重叠度的影像处理技术进行涵管内壁三维模型构建。该过程包括了自动提取点云、根据点云生成曲面、在曲面上进行网格化处理、对网格化的区域进行纹理化处理等操作。生成的三维模型可在软件内部对其进行点、线、面的测量，还可在任意选择区域进行体积、投影体积、中空体积、以及实际角度的测量。模型可导出为常见的三维格式，还可以通过自定义显示该视角的时间节点，生成三维动画。

图4 涵管三维模型重建图像及长度测量Fig.4 3D model reconstruction image and length measure⁃ment of the culvert

4 工程应用

4.1 工程简介

重庆市永川区青峰水库是一座以灌溉为主、兼顾防洪、养殖等综合利用的小（1）型水库工程。水库工程等别为Ⅳ等，永久性主要水工建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级，临时建筑物级别为5级。洪水标准为：设计洪水重现期30年，校核洪水重现期300年，溢洪道消能防冲重现期30年。

青峰水库放水设施为石质涵卧管，大坝左岸两处，右岸一处，其中右岸一处为主渠放水设施，涵管净断面尺寸0.8 m×0.9 m，取水口底板高程349.80 m，取水流量0.4 m3/s；左岸一涵卧管型式为卧管连接隧洞放水，隧洞断面尺寸1.0 m×1.5 m，取水口底板高程353.58 m，取水流量0.6 m3/s；左岸二涵卧管为单排放水孔，孔径0.2 m，涵管断面尺寸0.6 m×0.6 m，取水口底板高程353.03 m，取水流量0.4 m3/s。2007年青峰水库除险加固时，对卧管进行了拆除，采用M7.5浆砌条石重新砌筑，但涵管未进行处理。

图5 青峰水库涵管平面布置图Fig.5 Layout of culvert of Qingfeng reservoir

4.2 检测实施方案

因右岸放水涵管为主放水设施，且多年来从未进行过检测，而左岸放水设施在检测期间因淤积和塌坑不具备检测条件，故本次对右岸放水涵管进行检测，实施方案如下。

（1）确定检测内容：青峰水库右岸涵管为矩形浆砌条石涵管，检测时关闭上游卧管进口，爬行器从涵管下游出口处进入管道内部，自下游向上游检测，检测内容包括涵管四周状态、管内淤积情况以及生成涵管三维模型。

（2）设备组装调试：涵管检测系统运送至检测现场后，对系统进行组装和调试，主要工作包括爬行器与电缆盘通过高强度脐带缆相连，供电系统与电缆盘相连，系统开机后通过局域网将控制系统与爬行器连接，实现对爬行器及电缆盘收/放线的控制等。系统组装完成后，测试基本操作是否正常，包括爬行器的行进、灯光亮度、摄像头旋转、激光测宽仪等。

（3）涵管检测：爬行器进入检测区域后，根据管内明暗、温度、水汽等条件调整灯光亮度，利用搭载的高清摄像机对涵管内部的情况进行摄像，通过脐带缆将拍摄的画面实时传输至控制平台上，由操作人员对管道内部情况进行判读，并记录研读内容，便于后期成果整理。对于检测出的异常区域，通过调整爬行器姿态和摄像机焦距，对异常区域进行详查，利用激光测宽仪对该部分进行测量，确定异常区域的范围、大小，通过电缆盘收放线缆的长度可判断异常区域位置。

（4）成果处理：及时处理涵管检测的成果，整理出清晰的视频图像，并利用三维重建软件生成涵管三维模型，通过对模型的测量得到涵管结构尺寸，与原设计尺寸分析对比后，推算淤积程度。

4.3 检测成果

4.3.1 渗漏及缺陷检测

涵管检测系统在青峰水库涵管检测中得到成功应用。视频和截图查明：（1）涵管内部边墙钙化严重，有白色析出物；（2）涵管内淤积情况良好，但洞内块石堆积较多，通过激光测宽仪测量，涵管内部块石直径在20 cm左右；（3）涵管顶板有渗漏现象，主要沿浆砌石缝隙流入管内。本次检测范围内未发现明显破损区域，部分检测成果见图6。

4.3.2 三维模型重建及测量

对涵管进行三维模型重建，在重建后的涵管模型上进行了长度测量、涵管内部结构尺寸测量等，见图7。长度测量的结果与线缆盘放线距离、涵管内部结构测量结果与原设计尺寸对比见表1。测量结果数据显示，重建后的三维模型实际尺度与原设计尺寸基本一致。

图6 青峰水库涵管检测高清摄像及激光测宽Fig.6 High definition camera and laser width measurement in culvert detection of Qingfeng reservoir

图7 青峰水库涵管三维模型长度及宽度测量Fig.7 Length and width measurement of culvert pipe of Qing⁃feng reservoir

表1 检测成果与实际对比表Table 1 Comparison between test and actual results

5 结语

随着涵管常年运行，结构老化、缺陷和涵管渗漏问题越来越普遍。对坝身涵管的无损、自动化检测系统进行了研究，提出以爬行器为运载体，搭载高清摄像、照明系统、激光测宽仪进行涵管检测，并通过软件对涵管形状进行三维模型重建，为涵管结构缺陷和尺寸测量提供了简单、快捷的办法。通过工程实际应用，本系统使用方便、操作简单、成果丰富，是一种高效、无损的涵管检测方法，为坝身涵管检测提供了新的解决方案。