一种海上筑堤工程质量的快速跟踪检测方法

2019-07-09郭强

中小企业管理与科技 2019年16期

关键词：潜水员声呐潜水

郭强

（上海海科工程咨询有限公司，上海200231）

1 引言

我国是海洋大国，近年来海上工程项目的数量和单体规模逐年上升，项目的质量控制是工程中的重要环节。与陆地相比，海上工程的质量检测面临以下难题：

①受水下环境限制，常规的岸上外观目视检查和全站仪、水准仪等仪器测量方法不适用，且受水质本身能见度和施工扰动影响，摄像方法也不适用[1]；

②风浪流对检测方法影响较大，检测设备体积重量太大或者操作流程过于复杂可能导致现场实施困难或无法实施[2,3]；

③即时性要求高，海上施工一般连续作业，工期十分紧张，要求跟踪检测和提供质量结果，便于及时跟踪质量情况并处理质量问题。

海上工程的质量检测方法和设备较为丰富，以单（多）波束测深仪、侧扫声呐等基于超声波探测原理的方法和设备为主[4,5]。近年来很多科研、院校和工程相关单位利用先进仪器设备相继开展了海上或者水下工程的质量检测工作，上海南汇促淤一期工程中，采用浑水声呐成像方法得到了铺排体影像，清晰反映了排间搭接情况[6]。广东省北江大堤工程芦苞长潭险段水下调查中，采用多波束测量系统得到了河床三维影像，结合历年的测量结果得到了该段的冲蚀规律[7]。“长江南京以下12.5m 深水航道二期工程”福姜沙水道整治工程中，采用刚性固定的侧扫声呐代替传统拖曳式侧扫声呐检测软体排搭接宽度，基本满足了工程验收要求[8,9]。

以上方法正在海洋建设工程中得到逐步推广，但是其使用条件也相对严格，设备昂贵、体积相对较大、安装复杂、对测量船的要求高、需要专业人员操作，适用于工程验收或者专项检测。而施工过程的质量跟踪检测要求灵活、快速、简便、高效，基于以上原因，文中提出采用图像声呐抽查和潜水摸排相结合的办法，首先描述了该方法原理、参数设置依据等，在此基础上对其在工程中的应用进行了分析。

2 图像声呐和潜水探摸相结合的检测方法和原理

2.1 声呐成像探测原理

文中采用单波束声呐扫描成像方法进行水下地形和建筑结构表面成像，该方法利用超声波在介质界面间发生反射的原理对河床和水下结构进行探测。声波反射率决定于界面两侧介质的声阻抗差，差值越大，反射率越高，反之亦然。声呐扫描设备的主要部件为水声传感器和水听传感器，水声传感器向水下发射超声波，声波在水底界面发生反射后被水听传感器接收，根据反射波列的首波走时及反射波强度即可计算推断出扫描中心到反射点的距离和界面介质的大致情况，在此技术上结合其他测量参数可以计算出反射点的空间坐标。

2.2 潜水摸排

文中仅指常规空气潜水，下潜深度在60m 以内。空气潜水具有一定的危险性，在我国属于特殊工种，国家制定了大量的行业标准、规范和技术规程，目的在于最大程度地保证潜水安全。

在潜水摸排检测过程中，潜水员携带专门生命支持系统和水下通讯设备入水作业，按要求完成作业后重新返回地面（海上一般为工作母船）。生命支持系统是潜水员水下呼吸供气系统，整体分水上、水下和中间连接3 部分，水上含压力空气储气罐、过滤装置和其他仪表监测控制装置；水下含隔水潜水服和呼吸头盔；中间通过呼吸管连接。潜水员利用生命支持系统进行水下正常呼吸，并通过与呼吸管绑扎的通讯电缆与水上通话。

采用该方法检测时，潜水员入水并到达指定部位后，根据水上指令对目标进行探摸检查，并将检测结果即时报告至水上指挥和记录人员。

潜水员完成检测作业后不得快速浮出水面，否则血液中溶解的氮氧因压力减小而迅速分离出来在血液、肌肉中形成气泡，造成局部栓塞，对人体神经、循环、呼吸、脏器等造成损害，严重时常会带来生命危险。空气潜水中，一般通过逐次减压方式，出水过程中按照《60 米以内空气潜水减压表》中的规定在不同水深停留一段时间进行减压，直到最后浮出水面。

2.3 水下定位

声呐图像扫描结果具备一定的量测功能，结合声呐自带的角度测量结果和外置的空间坐标、方位、姿态数据即可分析计算出反射点的坐标值[10-12]。具体步骤如下：

①在声呐扫描图像上提取目标反射点距离声呐中心的长度L、对应的扫描角γ、声呐三轴姿态，即方位角ω、横倾φ、纵倾φ，根据图1模型图可得，该点在扫描坐标系中的坐标为（L cos（γ）ctg（α），L cos（γ）ctg（β），L cos（γ））。

②海上工程，特别是近岸工程中一般采用所在地城建坐标系，也有采用自建工程坐标系，均为直角坐标系。文中以城建坐标系为例对声呐扫描坐标进行转换，采用齐次坐标系方法，根据声呐探头的三轴姿态计算旋转转换矩阵Tx，Ty，Tz，根据中心GPS 测量坐标计算平移转换矩阵ΔT。

③坐标转换，如图2坐标转换模型，根据计算得出的扫描坐标和转换矩阵，转换至新坐标系中的齐次坐标为：。

图1 声呐测点坐标计算模型图

图2 声呐扫描坐标系与其它坐标系转换模型图

2.4 声呐检测影响因素及措施

检测结果受多种因素的影响，主要有以下几个方面：

①设备性能和参数设置的影响，参数主要指增益、声速和水深显示范围值。增益太小导致探测深度不足或反射界面不清晰；增益太大导致噪声干扰大，检测图像呈现大片椒盐状或大面积白化。声速设置偏差过大会造成距离量测错误。水深显示范围应略大于实际最大水深，过小会导致探测深度不足，漏掉检测目标界面，过大则会增加检测图像中有效反射界面所占的比例，影响对河床、建筑结构反射界面细节信息的判断。

②水中浮游物和泥沙影响，浮游物对超声波有衰减和屏蔽作用，在检测图像上形成假反射信号。而泥沙对超声波具有反射和散射作用，缩短了声呐探测深度，在检测图像上形成椒盐噪声，干扰对海床和建筑物反射界面的判断。工程中一般会避开影响区域重新选择检测断面的方式。

③海水波速变化较大的影响，与内河相比，海水中声波波速变化较大，不宜采用经验值（1500m/s），否则在探测深度较深的情况下换算得出的坐标和高程值与实际值会出现较大偏差，工程中一般采用波速仪实测波速曲线。

2.5 潜水摸排影响因素

海上检测工程中，检测结果除过受技术人员水平和装备性能影响外，还受到以下几个主要环境因素的影响：

①水深

水深直接影响到潜水作业效率和安全，水越深则相应的下潜深度难度越大，出水减压步骤越复杂，减压时间越长，相应的作业效率也越低。

②海况

海水温度、海流、水下障碍物均会对潜水检测带来影响，温度过低引起潜水员身体寒冷不适，极冷情况下发生过出气嘴被冻结而导致潜水员窒息死亡的案例；潜水员在水中处于微负浮力状态，海流过大（一般不得大于1m/s）时，潜水员随流漂移无法靠近检测目标或者在水下难以稳定作业；水下渔网、海草、建筑垃圾经常会威胁到潜水员安全，呼吸管被缠绕、勾卡导致供气不畅甚至潜水员无法脱身。

③工程结构复杂程度

潜水作业效率和安全与工程结构情况直接相关，一般情况下，水下能见度较差，潜水员相当于在一个隐蔽环境中盲操作，这种情况下，对环境和结构的预判和把控能力很差，环境和结构越复杂，效率越低且安全性也越差。因此，潜水项目中，对技术交底和安全交底的要求尤其严格，潜水员应当在入水前明确作业环境和结构。

3 工程应用

3.1 工程概况

洋山深水港区位于长江口与杭州湾交界处崎岖列岛海区，距上海的南汇咀约33km。洋山四期工作船码头采用重力式码头设计，施工采用前沿条石筑堤，堤后抛掷块石的工艺，整个施工过程大部分在水下进行。根据设计要求，码头不平整度不得超过±20cm，前沿海床不得残留施工废料，施工过程中应当进行质量跟踪检测。

为了保证施工质量和进度，经过对多种方法的综合比较分析后，采用了文中所述的声呐水下检测与潜水员水下摸排相结合的检测方法。通过声呐检测对筑堤质量和码头前沿海床状况进行普查，在此基础上就过程中排查出的可以部位进行潜水摸排检查，最终达到对筑堤工程质量全面准确检测的目的。

3.2 检测设备与流程

根据质量控制内容和要求，采用声呐扫描和潜水探摸两种方法相结合的方式对码头施工过程进行跟踪检测，同时配备了定位、定姿设备进行水下坐标测量。工程中采用的主要仪器设备见表1。

表1 主要检测仪器设备

3.3 检测结果分析

采用抽检的方式进行质量检测，垂直于码头前沿每隔10m 布置1 条声呐扫描测线。该段施工完成后，下放声呐探头至水面以下20～50cm 后启动扫描并获得断面回波图像。声呐回波图像以“雷达图”方式显示，能够清晰表达水下地形和建筑结构的表观几何形状，同时从回波强度对比也能够间接预判底质硬度、组成成分等情况。

声呐扫描图像有两种情况，如图3所示为质量合格的图像，码头前沿结构与海床面成像清晰，表面清晰可辨，码头表面条石反射曲线整齐，无较大凹进或凸出，前沿无较大块石垃圾残留。如图4所示，码头前沿结构表面反射曲线基本整齐（图像显示结构有一定倾斜，为探头倾斜所致），但前沿海床有疑似建筑垃圾堆积，采用潜水探摸方式对该区域进行了水下探摸确认。