一種海上筑堤工程質(zhì)量的快速跟蹤檢測方法

郭強(qiáng)

【摘 要】近年來國家海洋開發(fā)力度持續(xù)增強(qiáng)，海上筑堤項(xiàng)目數(shù)量和規(guī)模呈逐年增長趨勢。論文針對常見砌石筑堤工程中的質(zhì)量檢測，提出了聲吶成像普查和重點(diǎn)部位潛水摸排詳查相結(jié)合的快速檢測方法。首先介紹了檢測方法、原理、設(shè)備、流程和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并與其他方法進(jìn)行了比較分析，然后以上海小洋山海域某碼頭砌石筑墻工程應(yīng)用為例分析了其優(yōu)越性和不足。結(jié)果表明，該方法具有快速、高效、準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢，技術(shù)指標(biāo)能夠滿足工程要求。

【Abstract】In recent years， the national marine development has been continuously strengthened， and the number and scale of offshore embankment projects are increasing year by year. In this paper， aiming at the quality inspection of common masonry embankment projects， a fast detection method combining sonar imaging survey and detailed investigation of diving in key parts is proposed. Firstly， the detection method， principle， equipment， process and key technical indicators are introduced， and it is compared with other methods. Then， the advantages and disadvantages of the method are analyzed by taking the engineering application of masonry wall of a wharf in Xiaoyangshan sea area in Shanghai as an example. The results show that the method has the advantages of fast， efficient and high accuracy， and the technical indicators can meet the engineering requirements.

【關(guān)鍵詞】海上工程質(zhì)量檢測;聲吶掃描;潛水摸排;小洋山海域

【Keywords】quality inspection of offshore engineering; sonar scanning; diving explore; Xiaoyangshan sea area

【中圖分類號】U656.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）06-0180-04

1 引言

我國是海洋大國，近年來海上工程項(xiàng)目的數(shù)量和單體規(guī)模逐年上升，項(xiàng)目的質(zhì)量控制是工程中的重要環(huán)節(jié)。與陸地相比，海上工程的質(zhì)量檢測面臨以下難題：

①受水下環(huán)境限制，常規(guī)的岸上外觀目視檢查和全站儀、水準(zhǔn)儀等儀器測量方法不適用，且受水質(zhì)本身能見度和施工擾動影響，攝像方法也不適用[1];

②風(fēng)浪流對檢測方法影響較大，檢測設(shè)備體積重量太大或者操作流程過于復(fù)雜可能導(dǎo)致現(xiàn)場實(shí)施困難或無法實(shí)施[2，3];

③即時性要求高，海上施工一般連續(xù)作業(yè)，工期十分緊張，要求跟蹤檢測和提供質(zhì)量結(jié)果，便于及時跟蹤質(zhì)量情況并處理質(zhì)量問題。

海上工程的質(zhì)量檢測方法和設(shè)備較為豐富，以單（多）波束測深儀、側(cè)掃聲吶等基于超聲波探測原理的方法和設(shè)備為主[4，5]。近年來很多科研、院校和工程相關(guān)單位利用先進(jìn)儀器設(shè)備相繼開展了海上或者水下工程的質(zhì)量檢測工作，上海南匯促淤一期工程中，采用渾水聲吶成像方法得到了鋪排體影像，清晰反映了排間搭接情況[6]。廣東省北江大堤工程蘆苞長潭險段水下調(diào)查中，采用多波束測量系統(tǒng)得到了河床三維影像，結(jié)合歷年的測量結(jié)果得到了該段的沖蝕規(guī)律[7]?！伴L江南京以下12.5m深水航道二期工程”福姜沙水道整治工程中，采用剛性固定的側(cè)掃聲吶代替?zhèn)鹘y(tǒng)拖曳式側(cè)掃聲吶檢測軟體排搭接寬度，基本滿足了工程驗(yàn)收要求[8，9]。

以上方法正在海洋建設(shè)工程中得到逐步推廣，但是其使用條件也相對嚴(yán)格，設(shè)備昂貴、體積相對較大、安裝復(fù)雜、對測量船的要求高、需要專業(yè)人員操作，適用于工程驗(yàn)收或者專項(xiàng)檢測。而施工過程的質(zhì)量跟蹤檢測要求靈活、快速、簡便、高效，基于以上原因，文中提出采用圖像聲吶抽查和潛水摸排相結(jié)合的辦法，首先描述了該方法原理、參數(shù)設(shè)置依據(jù)等，在此基礎(chǔ)上對其在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

2 圖像聲吶和潛水探摸相結(jié)合的檢測方法和原理

2.1 聲吶成像探測原理

文中采用單波束聲吶掃描成像方法進(jìn)行水下地形和建筑結(jié)構(gòu)表面成像，該方法利用超聲波在介質(zhì)界面間發(fā)生反射的原理對河床和水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。聲波反射率決定于界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗差，差值越大，反射率越高，反之亦然。聲吶掃描設(shè)備的主要部件為水聲傳感器和水聽傳感器，水聲傳感器向水下發(fā)射超聲波，聲波在水底界面發(fā)生反射后被水聽傳感器接收，根據(jù)反射波列的首波走時及反射波強(qiáng)度即可計算推斷出掃描中心到反射點(diǎn)的距離和界面介質(zhì)的大致情況，在此技術(shù)上結(jié)合其他測量參數(shù)可以計算出反射點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

2.2 潛水摸排

文中僅指常規(guī)空氣潛水，下潛深度在60m以內(nèi)。空氣潛水具有一定的危險性，在我國屬于特殊工種，國家制定了大量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)規(guī)程，目的在于最大程度地保證潛水安全。

在潛水摸排檢測過程中，潛水員攜帶專門生命支持系統(tǒng)和水下通訊設(shè)備入水作業(yè)，按要求完成作業(yè)后重新返回地面（海上一般為工作母船）。生命支持系統(tǒng)是潛水員水下呼吸供氣系統(tǒng)，整體分水上、水下和中間連接3部分，水上含壓力空氣儲氣罐、過濾裝置和其他儀表監(jiān)測控制裝置;水下含隔水潛水服和呼吸頭盔;中間通過呼吸管連接。潛水員利用生命支持系統(tǒng)進(jìn)行水下正常呼吸，并通過與呼吸管綁扎的通訊電纜與水上通話。

采用該方法檢測時，潛水員入水并到達(dá)指定部位后，根據(jù)水上指令對目標(biāo)進(jìn)行探摸檢查，并將檢測結(jié)果即時報告至水上指揮和記錄人員。

潛水員完成檢測作業(yè)后不得快速浮出水面，否則血液中溶解的氮氧因壓力減小而迅速分離出來在血液、肌肉中形成氣泡，造成局部栓塞，對人體神經(jīng)、循環(huán)、呼吸、臟器等造成損害，嚴(yán)重時常會帶來生命危險?？諝鉂撍?，一般通過逐次減壓方式，出水過程中按照《60米以內(nèi)空氣潛水減壓表》中的規(guī)定在不同水深停留一段時間進(jìn)行減壓，直到最后浮出水面。

2.3 水下定位

聲吶圖像掃描結(jié)果具備一定的量測功能，結(jié)合聲吶自帶的角度測量結(jié)果和外置的空間坐標(biāo)、方位、姿態(tài)數(shù)據(jù)即可分析計算出反射點(diǎn)的坐標(biāo)值[10-12]。具體步驟如下：

①在聲吶掃描圖像上提取目標(biāo)反射點(diǎn)距離聲吶中心的長度L、對應(yīng)的掃描角γ、聲吶三軸姿態(tài)，即方位角ω、橫傾？準(zhǔn)、縱傾？準(zhǔn)，根據(jù)圖1模型圖可得，該點(diǎn)在掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（Lcos（γ）ctg（α），Lcos（γ）ctg（β），Lcos（γ））。

②海上工程，特別是近岸工程中一般采用所在地城建坐標(biāo)系，也有采用自建工程坐標(biāo)系，均為直角坐標(biāo)系。文中以城建坐標(biāo)系為例對聲吶掃描坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用齊次坐標(biāo)系方法，根據(jù)聲吶探頭的三軸姿態(tài)計算旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣Tx，Ty，Tz，根據(jù)中心GPS測量坐標(biāo)計算平移轉(zhuǎn)換矩陣ΔT。

③坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如圖2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，根據(jù)計算得出的掃描坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換矩陣，轉(zhuǎn)換至新坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)為：。

2.4 聲吶檢測影響因素及措施

檢測結(jié)果受多種因素的影響，主要有以下幾個方面：

①設(shè)備性能和參數(shù)設(shè)置的影響，參數(shù)主要指增益、聲速和水深顯示范圍值。增益太小導(dǎo)致探測深度不足或反射界面不清晰;增益太大導(dǎo)致噪聲干擾大，檢測圖像呈現(xiàn)大片椒鹽狀或大面積白化。聲速設(shè)置偏差過大會造成距離量測錯誤。水深顯示范圍應(yīng)略大于實(shí)際最大水深，過小會導(dǎo)致探測深度不足，漏掉檢測目標(biāo)界面，過大則會增加檢測圖像中有效反射界面所占的比例，影響對河床、建筑結(jié)構(gòu)反射界面細(xì)節(jié)信息的判斷。

②水中浮游物和泥沙影響，浮游物對超聲波有衰減和屏蔽作用，在檢測圖像上形成假反射信號。而泥沙對超聲波具有反射和散射作用，縮短了聲吶探測深度，在檢測圖像上形成椒鹽噪聲，干擾對海床和建筑物反射界面的判斷。工程中一般會避開影響區(qū)域重新選擇檢測斷面的方式。

③海水波速變化較大的影響，與內(nèi)河相比，海水中聲波波速變化較大，不宜采用經(jīng)驗(yàn)值（1500m/s），否則在探測深度較深的情況下?lián)Q算得出的坐標(biāo)和高程值與實(shí)際值會出現(xiàn)較大偏差，工程中一般采用波速儀實(shí)測波速曲線。

2.5 潛水摸排影響因素

海上檢測工程中，檢測結(jié)果除過受技術(shù)人員水平和裝備性能影響外，還受到以下幾個主要環(huán)境因素的影響：

①水深

水深直接影響到潛水作業(yè)效率和安全，水越深則相應(yīng)的下潛深度難度越大，出水減壓步驟越復(fù)雜，減壓時間越長，相應(yīng)的作業(yè)效率也越低。

②海況

海水溫度、海流、水下障礙物均會對潛水檢測帶來影響，溫度過低引起潛水員身體寒冷不適，極冷情況下發(fā)生過出氣嘴被凍結(jié)而導(dǎo)致潛水員窒息死亡的案例;潛水員在水中處于微負(fù)浮力狀態(tài)，海流過大（一般不得大于1m/s）時，潛水員隨流漂移無法靠近檢測目標(biāo)或者在水下難以穩(wěn)定作業(yè);水下漁網(wǎng)、海草、建筑垃圾經(jīng)常會威脅到潛水員安全，呼吸管被纏繞、勾卡導(dǎo)致供氣不暢甚至潛水員無法脫身。

③工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度

潛水作業(yè)效率和安全與工程結(jié)構(gòu)情況直接相關(guān)，一般情況下，水下能見度較差，潛水員相當(dāng)于在一個隱蔽環(huán)境中盲操作，這種情況下，對環(huán)境和結(jié)構(gòu)的預(yù)判和把控能力很差，環(huán)境和結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，效率越低且安全性也越差。因此，潛水項(xiàng)目中，對技術(shù)交底和安全交底的要求尤其嚴(yán)格，潛水員應(yīng)當(dāng)在入水前明確作業(yè)環(huán)境和結(jié)構(gòu)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

洋山深水港區(qū)位于長江口與杭州灣交界處崎嶇列島海區(qū)，距上海的南匯咀約33km。洋山四期工作船碼頭采用重力式碼頭設(shè)計，施工采用前沿條石筑堤，堤后拋擲塊石的工藝，整個施工過程大部分在水下進(jìn)行。根據(jù)設(shè)計要求，碼頭不平整度不得超過±20cm，前沿海床不得殘留施工廢料，施工過程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行質(zhì)量跟蹤檢測。

為了保證施工質(zhì)量和進(jìn)度，經(jīng)過對多種方法的綜合比較分析后，采用了文中所述的聲吶水下檢測與潛水員水下摸排相結(jié)合的檢測方法。通過聲吶檢測對筑堤質(zhì)量和碼頭前沿海床狀況進(jìn)行普查，在此基礎(chǔ)上就過程中排查出的可以部位進(jìn)行潛水摸排檢查，最終達(dá)到對筑堤工程質(zhì)量全面準(zhǔn)確檢測的目的。

3.2 檢測設(shè)備與流程

根據(jù)質(zhì)量控制內(nèi)容和要求，采用聲吶掃描和潛水探摸兩種方法相結(jié)合的方式對碼頭施工過程進(jìn)行跟蹤檢測，同時配備了定位、定姿設(shè)備進(jìn)行水下坐標(biāo)測量。工程中采用的主要儀器設(shè)備見表1。

3.3 檢測結(jié)果分析

采用抽檢的方式進(jìn)行質(zhì)量檢測，垂直于碼頭前沿每隔10m布置1條聲吶掃描測線。該段施工完成后，下放聲吶探頭至水面以下20～50cm后啟動掃描并獲得斷面回波圖像。聲吶回波圖像以“雷達(dá)圖”方式顯示，能夠清晰表達(dá)水下地形和建筑結(jié)構(gòu)的表觀幾何形狀，同時從回波強(qiáng)度對比也能夠間接預(yù)判底質(zhì)硬度、組成成分等情況。

聲吶掃描圖像有兩種情況，如圖3所示為質(zhì)量合格的圖像，碼頭前沿結(jié)構(gòu)與海床面成像清晰，表面清晰可辨，碼頭表面條石反射曲線整齊，無較大凹進(jìn)或凸出，前沿?zé)o較大塊石垃圾殘留。如圖4所示，碼頭前沿結(jié)構(gòu)表面反射曲線基本整齊（圖像顯示結(jié)構(gòu)有一定傾斜，為探頭傾斜所致），但前沿海床有疑似建筑垃圾堆積，采用潛水探摸方式對該區(qū)域進(jìn)行了水下探摸確認(rèn)。

整個檢測過程與施工工程交替同步進(jìn)行，既保證了施工進(jìn)度，同時施工單位隨時對質(zhì)量進(jìn)行自檢，并及時隨船位處理質(zhì)量問題，提高了工作效率。結(jié)果表明，聲吶掃描和潛水摸排相結(jié)合的檢測方法具有快速、機(jī)動靈活和結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢，是海上施工質(zhì)量跟蹤檢測的一種有效方法，對于應(yīng)對海上復(fù)雜條件下的施工質(zhì)量控制具有重要的作用。

4 結(jié)論

文中針對海上筑堤工程中要求快速檢查評估施工質(zhì)量的問題，提出采用圖像聲吶和潛水探摸相結(jié)合的檢測方法，文中詳細(xì)分析了該方法的原理、設(shè)備和實(shí)施步驟，并以實(shí)際工程案例進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得到了以下成果或結(jié)論：

①圖像聲吶方法具有設(shè)備輕便、操作簡單、效率高、結(jié)果直觀形象、可量測、準(zhǔn)確性好和現(xiàn)場即時判別的優(yōu)勢，適用于快速水下筑堤項(xiàng)目的質(zhì)量普查。

②潛水摸排方法具有結(jié)果直接、直觀和可信的優(yōu)勢，但是效率較低，適用于海上筑堤項(xiàng)目的局部質(zhì)量抽檢。

③圖像聲吶和潛水摸排相結(jié)合檢測海上筑堤質(zhì)量的方法能充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢，保證了檢測質(zhì)量和效率。

文中研究了該方法的原理、步驟及技術(shù)指標(biāo)，并以實(shí)際工程為例進(jìn)行了應(yīng)用分析，結(jié)果證明了該方法在海上筑堤工程中具備較好的可行性、實(shí)用性和優(yōu)越性。由于該方法測量方面的精度有限，特別是檢測過程中船只隨波搖擺漂移，姿態(tài)儀和GPS動態(tài)測量精度有限，因此對測量精度要求優(yōu)于±10cm的項(xiàng)目中適用性較差。

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