荆江河段水下沉排工程质量检测技术方案

荆江河段水下沉排工程质量检测技术方案摘要：针对航道整治工程中水下沉排效果难以检测的问题，在部分荆江航道整治工程区域开展检测试验，比较分析了水下电视人工检测技术、侧扫声呐技术和机械扫描声呐技术三种技术的优缺点。

并通过理论推导，建立技术比选指标，开展了三种技术的适用性分析。

结果表明：采用机械扫描声呐检测技术并配合水下电视检测技术作为验证手段，能较好的适应荆江河段水下沉排工程质量检测技术要求。

关键词：航道整治工程水下沉排水下电视人工检测侧扫声呐检测机械扫描声呐检测为改善荆江河段航道条件，适应长江沿线经济社会快速发展，2012年国家批复实施荆江河段航道整治工程。

在航道整治工程中，软体排的铺设不仅是航道整治工程其它工程能正常铺设的基础，而且其铺设机械化程度较高，施工速度快，精度高，使得其在长江航道整治中运用较为广泛，是航道整治工程极为关键的一种结构型式，其施工质量的好坏决定了工程的成败。

随着航道工程的发展，软体排的铺设水平逐步提高，但由于铺设后的排体处于水下，对其铺设后的效果判断及检测也成了水下沉排工程质量控制的难点。

对沉排工程质量检测技术进行研究，提高检测能力，有效改进施工质量，从而提高长江航道整治水下沉排工程整体施工质量，保证航道工程的效益具有极为重要的意义。

本文依托长江中游荆江河段航道整治工程，针对水下沉排质量控制和检测技术开展对比研究，并提出了适合荆江航道整治工程水下铺排质量检测的技术方法，对于进一步提高内河和沿海航道治理水下沉排工程整体施工质量具有借鉴和指导意义。

水下检测试验及评价方法优化针对荆江航道整治工程，开展铺排区域水下检测现场试验。

1、水下电视检测试验1.1 试验设备及工况选取的水下电视设备分别为SXD―IIIBFKR型水下电视和UWS-3310型水下电视。

试验工况见表1。

表1 水下电视检测试验工况表1.2 试验结果采用UWS-3310型水下电视在水上时，发现摄像头的可视距离超过了50cm的范围。

但是在下水5米左右水深时，可视距离明显大幅度下降。

从以上实验结果分析可知，从技术参数、技术指标方面，以及实际应用情况，其结果差别并不大，可视距离基本上都在15cm左右。

2、侧扫声呐检测试验2.1 试验设备及工况侧扫声呐检测设备选取的是美国Benthos公司的sis-1624型双频声呐。

试验工况见表2。

表2 水下电视检测试验工况表2.2 检测结果分析第1组试验结果分析可知，图1中分布多块不均匀的阴影区域，阴影区域里有多条排列规则的条状阴影，推测应该是排体上系结的砼块，推测铺排区域淤沙严重，大部分排体已被淤沙掩埋。

图2中右边位置可以看到一片整齐的阴影区域，有部分整齐的条状阴影，推测是排体上系结的砼块。

可以看到阴影区域边界整齐，可以区分出铺排区域，但是无法判断排体搭接。

在试验中，我们发现减小检测距离，获得声图的图案要相对清晰；高频扫测时，无法获得回波信号，主要原因一是江水含沙量太大，二是检测距离太大，高频信号损失严重。

第2组试验结果分析可知，由于碾子湾沉排已经完成6年，沉排区域完全无法分辨，侧扫声呐难以分辨砼块等相对较小的物体，但对于较大范围的目标有一定可视性，并且可以获取目标的区域范围和坐标方位。

第3组试验结果分析可知，1#潜坝护岸未出现任何变形，可以判断出1#潜坝护坡在经历此轮洪峰后，枯水平台，护坡和马道保持稳固，未出现崩岸和损坏情况。

3、机械扫描声呐检测试验3.1 检测设备及工况本试验使用的是MS1000扫描声呐，试验工况见表3。

三组工况分别对排体的铺设以及砼块绑系情况、砼块移动情况和大范围区域情况进行试验。

表3 水下电视检测试验工况表3.2 检测结果由声图（图3，图4）分析表明，圆心处即是声呐位置，周围黑色区域为盲区，半径为1.8米左右。

对比排布未搭接图和排布搭接图，整张排布上面砼块清晰可见，大部分排列整齐。

在图3中，我们发现声呐扫测盲区左方区域即为未搭接区域，在声呐软件上测量未搭接的宽度大概为1.1米。

随后，我们派遣潜水员下水进行探摸，验证了下方搭接缝确实没有搭接上，用标尺测量，两张排布边缘相距1m左右，与声呐图像上测量的距离相近。

左方排布边缘有卷排现象，搭接缝下方有大量淤砂，而在声呐右下方则可以看到排布隆起，可能是叠排或者此区域为突起地形。

图4中，我们可以看到搭接良好的排布，搭接缝顺直，排布整体铺设平顺整齐，砼块绑系稳固，排体上有部分淤砂，但仍然无法得到排体搭接宽度。

试验结果表明，从MS1000机械扫描声呐的声图中，我们可以得到整张排体的铺设情况、砼块绑系情况的质量信息，但是无法得到排体搭接宽度。

水下检测技术的适用性分析1、适用性分析指标本文主要利用水力学指标体系对所选检测方案的适用性进行分析。

具体则选择宽矩形明槽断面切应力的分布、宽矩形明槽的层流运动和恒定总流的动量方程作为指标检验各水下检测技术的适用性。

1.1宽矩形明槽断面切应力分布对于宽矩形明槽均匀流，过水断面上时均流速u是水深y的函数。

由于槽宽对于水深而言是很大的，所以我们取单位宽度明槽来进行分析，如图5所示。

取单宽B=1m来分析，切应力只作用在bd和ef的界面上，在两侧面ab和cd上不出现切应力。

所以取aecf水体分析，得出摩阻流速公式见式（1），式中R是水力半径，J水力坡度。

图5 平均切应力分析图■（1）1.2宽矩形明槽的层流运动宽矩形明槽层流的纵剖面图中，切应力τ的分布可用式（2）计算，根据牛顿内摩擦定律，切应力与横向流速梯度du/dy的关系如下：■（2）将上两式联立，进行积分将实际无滑动边界条件（当y=0，u=0）代入得：■（3）在自由表面上，y=h，流速达到最大值umax，由此得：■（4）由（3）与（4）两式得：■（5）式中：y为水底到计算面的垂直距离；u为y对应水深处的流速；h为水深；umax 为自由面（即水面）最大流速。

1.3恒定总流的动量方程以m表示物体的质量，v为速度，ΣF表示作用于物体上所有外力的合力，则动量定理的数学表达式为■（6）针对液体总流，利用式（6）来推导适用于液体运动的动量方程。

在一恒定的总流中取1-2流段来分析。

经过■时段后，该流段运动到1`-2`位置其动量变化为（M3-1`-M1-1`）。

为了计算1-1`段得动量M1-1`，在1-1`段上任取一元流，其上流速为u1，则1-1`段得长度为u1■，质量为ρu1■dA1，动量为ρu1■dA1u1。

对面积A1积分，并采用断面平均流速v代替实际流速u，产生的误差用动量修正系数α`来改正，则动量M1-1以及修正系数α`可以表达成：■（7）由于所取断面在渐变流上，流速u几乎平行且和断面平均流速v的方向基本一致，故■（8）在一般渐变流中■，为简单起见，一般可取■。

则动量差■将上式代入式（6）得：■（9）2、技术适用性分析通过分析在整治工程中最恶劣的工况条件（h≥20m，3m/s≥v≥1.5m/s）下，检测设备的受力状态来验证设备是否能够适应大水深工况条件下的水下工程检测。

2.1 水下电视检测适用性分析根据《长江航道水运工程检测技术规程》（试行）规定，潜水探摸摄像检测水域最大流速不超过1.5m/s。

因此在荆江河段航道整治项目中只要流速在此范围，水下电视检测方案是适用的。

2.2 侧扫声呐检测适用性分析侧扫声呐是随船在水中拖曳式行进的，假设工况条件为流速3m/s，水深30米（已知中下游长江的水力坡降为0.00003）。

检测船舶逆流以1m/s船速拖曳拖鱼在水深25米处进行扫侧作业，对拖鱼进行受力分析（如图6）得：水平方向上：■，垂直方向上：■，则：■。

而拖曳拖鱼的绳索能够承受的最大拉力■。

所以采用拖曳式侧扫声呐满足在流速3m/s，和水深30m的作业工况。

2.3 机械扫描声呐检测适用性分析机械扫描声呐采用声呐搭载平台将声呐设备放置于水底进行扫描检测的方式。

由于我们无法测量声呐放置于水下土工布上的摩擦系数，因此我们通过实验获得经验值的方式得到设备稳定时对应的摩擦系数。

流速为1.5/s的工况下，将声呐搭载平台四角分别加载两块6KG铅块，用简易起吊设备放入水底，可达到受力稳定。

设备受力分析如图7所示：在水平方向上：■，在垂直方向上：■。

根据实际工况计算可得：在h=20m，表面流速达到3.0m/s时，需在搭载平台上增加两块6KG的铅块稳定平台。

在h=25m时，所有流速下都满足稳定要求。

在h=30m时，在h=30m时，所有流速下都满足稳定要求。

由以上计算表格可知，通过调整搭载平台配重的方式可以满足声呐设备在大水深条件下的作业。

结论从检测允许最大流速方面来看，侧扫声呐检测及机械扫描声呐检测可以在3m/s的流速下工作，水下电视检测只能在1.5m/s流速内工作，又因荆江河段航道整治工程区域流速一般在3m/s流速以下，因此声呐设备满足荆江航道整治工程水下沉排施工质量检测；但水下电视在流速不大于1.5m/s条件内检测精度最高，可以作为机械扫描声呐检测结果的验证手段。

从检测精度方面来看，水下电视及机械扫描声呐精度能够满足沉排施工质量检测，而侧扫声呐精度则达不到要求，无法满足荆江河段航道整治工程水下沉排施工质量检测的要求。

从检测效果方面来看，水下电视只能对沉排效果进行定点检测，无法覆盖整张排体进行全面检测。

机械扫描声呐检测效果较好，能够检测整张排体的沉排效果，且机械扫描声呐检测技术在施工过程中可以实时反馈沉排质量信息，当发现问题时可以及时采取解决方案。

从检测时间上来看，水下电视检测周期较长，并且只能在沉排结束沉排船移位以后进行检测，无法进行过程检测。

机械扫描声呐检测时间周期较短，可以在沉排过程中绑系砼块期间进行检测，且减少了潜水员下水作业频率和作业时间，大大减小了潜水作业存在的安全隐患。

因此，综合来看，采用机械扫描声呐检测技术配合水下电视检测技术作为验证手段，较为适用于荆江河段航道整治工程水下沉排施工质量检测。

（作者单位：长江航道局荆江航道整治工程建设指挥部）。