大型蛋形消化池结构检测技术及成果研究

大型蛋形消化池结构检测技术及成果研究

高梦怡

1.同济大学；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司

摘要：蛋形消化池采用双向有粘结预应力结构，池壁为连续变厚度大型旋转壳体空间，具有减量化、无害化、稳定化、资源化的特点。本文结合上海白龙港污水处理厂污泥处理工程，对已运行八年的超大型蛋形消化池开展在不同荷载条件下的结构检测及成果研究，确保消化池检修施工的完整性和有效性，为其今后稳定运行及其他同类型项目提供了重要的数据积累和参考依据。

关键词：蛋形消化池；三维激光扫描；无人机检测

1引言

上海市白龙港城市污水处理厂消化池结构群，作为亚洲单体规模最大、数量最多的八座蛋形污泥消化池，自2010年建成以来，对白龙港污水厂约200万m3/d污水中产生的污泥进行浓缩、消化、脱水、干化处理，并对污泥中的有机物进行分解，实现污泥的无害化。该项目的建设使得上海中心城区污水厂50%的污泥得到有效处理。

蛋形消化池采用双向有粘结预应力结构，池壁为连续变厚度大型旋转壳体空间，具有减量化、无害化、稳定化、资源化的特点。目前国内外研究方向主要集中在蛋形消化池施工阶段的结构计算分析，而对其运行过程中结构检测技术及成果研究几乎没有先例。故此，本文结合上海白龙港污水处理厂污泥处理工程，对已运行八年的超大型蛋形消化池开展在不同荷载条件下的结构检测及成果研究，确保消化池检修施工的完整性和有效性，为其今后稳定运行及其他同类型项目提供了重要的数据积累和参考依据。

2结构检测技术

2.1工程概况

上海市白龙港城市污水处理厂，位于浦东合庆镇长江新围海堤内。该厂消化池污泥处理工程是上海城市环境项目APL二期城市污水管理子项目，也是世界银行贷款的上海城市环境重要建设项目。

白龙港污泥处理工程的核心构筑物为八座预应力蛋形消化池，每座蛋形消化池单体高44.5m，埋深12.5m，池壁厚度为400～800mm；最大内径25m，单池总容积约为12500m3，污泥处理容积约为12350m3。本次实施的3#消化池清淤施工为运行八年以来首次进行的检修项目，本文研究对象为3#消化池。

本工程施工周期为三个月，其中第一阶段为抽水施工，第二阶段为清淤及检修施工，第三阶段为灌水施工，每阶段施工时间均为一个月左右。

图1蛋形消化池全貌及3#消化池平面位置

2.2结构检测内容

为对蛋形消化池空间形态、内部结构及不同荷载状态下的变形情况做一个完整的评估，本次检测主要内容包括以下部分：

1）采用三维激光扫描仪检测蛋形消化池空间形态；

2）采用专用检测无人机对蛋形消化池内部主体结构的已有损伤情况进行全面检测，并以文字、照片、图示等方式记录；

3）对蛋形消化池在不同荷载状态下的沉降及倾斜进行测量。

2.3结构检测方案

2.3.1消化池空间形态检测技术

蛋形消化池空间体积大，传统测量手段不能很好体现蛋形消化池的空间形态及空、满状态下的变形情况。但随着测量技术的迅速发展，三维激光扫描仪受到越来越广泛的应用。与传统变形监测方法相比，将三维模型用于变形监测更加全面，自动化、智能化强度高，实时性好，且精度高。三维激光扫描仪的单点定位精度一般能达到亚厘米级，甚至其模型精度还要远高于这个精度。大量的试验，试验结果证明三维激光扫描仪完全可以代替传统测量方式来进行变形观测测量。与基于传统测量或GPS的变形监测技术相比，三维激光扫描仪能高效率、高精度地采集到目标表面的点云数据，有效地避免传统变形监测技术中，采用设置监测点方法（即以点代面的分析方法）所带有的局部性和片面性，与传统的测量技术相比，三维激光扫描仪还具体非接触性，数字化、可视化性，自动化，实时、动态性等优点，能快速准确地生成监测对象的三维数据模型。

1）三维激光扫描定位原理

地面三维激光扫描测量系统的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理过程。它通过具有一定分辨率的空间点所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果。

地面三维激光扫描测量系统对物体进行扫描后，采集到的物体表面各部分的空间位置信息是以扫描坐标系为基准的。扫描坐标系定义为:坐标原点位于激光束发射处，扫描仪的理论竖直轴（水平时的天顶方向）为Z轴，扫描仪水平转动轴的零方向为X轴，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。

2）三维激光扫描测量

由于用三维激光进行扫描时采用分测站测量，因此需要布设控制点，进行控制测量。控制点的作用有两个:一个是用于点云数据的拼接;另一个是用于将点云数据的坐标转换到绝对坐标系，控制精度。

在布设控制网时，首先应踏勘现场，选择测站点，然后采用全站仪法或GPS进行控制测量。由于测站点的精度直接影响到点云坐标的转换精度，因此用全站仪布设控制网应尽量布设成附合导线或闭合导线的形式，而用GPS布设控制网应对高程进行拟合或采用水准测量方法进行测量，保证高程方向的精度。三维激光扫描流程图如图2所示。

图2三维激光扫描流程图

3）点云拼接

在数据采集时，如果被量测物体较大，一般采用分测站的形式对物体进行扫描。获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的是一个点的集合，称之为点云。

点云的拼接方法可以分为两种方法:基于测站的拼接和基于目标或点云的拼接。第一种方法首先要进行控制测量，建立测站点，扫描相当于碎步测量，其点云的质量只与该测站的站点和扫描质量有关，与其他测站无关。但这种方法需要三维激光扫描仪具有整平、定向和对中的功能。

第二种方法首先要用至少三个连接点将相邻测站的点云进行拼接，连接点可以是专用标靶或提取的特征点。特征点的提取方法:一是可通过选取规则的几何图形（如三个平面）求交点选取出特征点，二是如选取的特征点所在位置较为明显，也可通过鼠标直接点击方式选取特征点，前一种方法获得的特征点的精度较高。通过连接点拼接可通过六参数转换模型将各测站的点云坐标转换到统一坐标系中。

4）坐标成果转换

通过三维激光扫描得到的是扫描目标在自身仪器坐标系下的三维坐标信息，通过在扫描区域布设控制网，通过控制点的两套坐标:仪器统一坐标系下的坐标和局部（绝对）坐标系下的坐标。仪器统一坐标系属于右手直角坐标系，设坐标为（xc，yx，zx），局部坐标系属于左手直角坐标系，设坐标为（x′，y′，h）i，则可通过四参数进行坐标转换。

2.3.2消化池混凝土外观病害检测技术

由于蛋形消化池内部无检测平台，所以本次检测采用专业病害调查无人机进行蛋形消化池内部混凝土外观结构病害调查。随着无人机技术的不断进步，无人机用于桥梁检测的报道时有出现。无人机可以直接到达检测部位，无需其它辅助措施；检测一些人员难以到达的危险场所，无需搭架或者吊篮配合人员检测，极大地提高了安全性；对于部分无法企及的桥腹、拉索等部位，无人机可以抵近观察了解更多细节。

鉴于无人机在桥梁检测中的成功应用，运用于污水处理厂蛋形消化池混凝土外观病害调查也势必可行。无人机沿消化池被检测面飞行，通过手机或遥控器等控制设备完成消化池结构面的拍摄取证，将采集到的数据回传，为专业人员分析混凝土裂缝状态提供依据，及时发现险情，提高检测效率。

2.3.3消化池沉降及倾斜测量技术

选用TrimbleDiNi03精密电子水准仪（标称精度均为：±0.3mm/km）及铟瓦水准标尺，按《建筑变形测量规范》中二等水准测量的要求实施观测；采用独立水准系，在远离施工影响范围以外布置3个稳固水准点，沉降变形监测基准网以上述水准基准点作为起算点，组成水准网进行联测。在污泥消化池正交位置布设4个沉降观测点，采用粘贴条码尺作为观测标。

污泥消化池上部为整体结构，与桩基相连接，采用差异沉降计算消化池倾斜。与沉降监观共点，共计2个倾斜断面。

3结构检测成果

3.1消化池空间形态检测成果

3.1.1消化池内部三维激光扫描

在数据采集时，由于蛋形消化池较大，采用分测站的形式对其进行扫描。为获取蛋形消化池内部完整点云数据，本次扫描共设两站。后期将三维激光扫描点云数据在CYCLONE软件中进行拼接，点云拼接完成后再对点云模型进行去噪、建模等一系列后续处理，处理成果如下图所示。

图3蛋形消化池内部三维激光扫描成果

3.1.2消化池外部三维激光扫描

外部扫描成果的平面坐标系采用上海城市坐标系，高程采用自定义坐标系。首先利用全站仪建立三维激光扫描控制网，然后在控制点设站进行三维激光扫描，由于现场存在一定的遮挡情况，外部扫描共架设六站，后期数据处理方法与内部扫描一致，处理成果如下图所示。

图4蛋形消化池外部三维激光扫描成果

3.2消化池混凝土外观病害检测成果

本次检测采用专业无人机进行病害检测。经检测，蛋形消化池内部主要存在以下病害：

1）内部钢管、钢架锈蚀，见图5；

2）内部环向距底部约3.8m～4.5m范围内存在多条竖向裂缝及渗漏，见图6。

部分内部病害情况附图如下所示。

图5消化池内钢管、钢架锈蚀图6距底部约3.8m处裂缝、渗漏

混凝土裂缝、渗漏分布位置正视图及俯视图如下所示。

图7混凝土裂缝、渗漏分布位置正视图、俯视图

3.3消化池沉降及倾斜测量成果

将不同工况下消化池的沉降及倾斜增量情况汇总如下表。

表1不同工况下消化池沉降及倾斜增量情况汇总表

注：表中沉降量为最大累计沉降量，其中“+”表示上抬，“-”表示下沉。

图8各阶段沉降量和倾斜增量图

4检测成果分析

4.1三维激光扫描成果分析

考虑到扫描过程中三维激光扫描仪是严格整平状态，所以扫描获取点云也是严格水平状态。为了分析蛋型消化池的整体倾斜情况，只需要获取蛋型消化池的轴线并分析其倾斜情况即可。蛋型消化池形状较规则，但是想要直接获取其轴线并不容易，考虑沿着Z轴任意截面理论上为圆，因此这里对扫描蛋型消化池点云数据沿着Z轴做切片，从而获取切面点云数据，然后利用程序对切片点云进行三维圆拟合，从而获取圆的圆心。

通过截取内外部点云获取切片圆的圆心，求取蛋形消化池顶部与底部圆心的若干方向向量，然后计算出投影至XOY平面内首尾端点的距离。

表2方向向量首尾端点在XOY平面内投影的距离

对拟合圆心做LS直线拟合获取直线方程并计算离散圆心点到拟合直线的距离残差如下。

表3由内测点云提取轴心点偏差

通过截取内外部点云获取切片圆的圆心，对拟合圆心拟合直线然后求取该直线与Z轴夹角。

表4截取内外部点云获取的圆心拟合直线与Z轴夹角

由蛋形消化池内部扫描结果可知，白龙港污水处理厂3#蛋形消化池内部空间形态正常，倾斜率为0.4‰，无明显形状异常部位；由外部扫描结果可知，白龙港污水处理厂3#蛋形消化池外部轮廓形态正常，倾斜率为0.6‰，无明显形状异常部位。

4.2消化池混凝土外观病害分析

在结构施工中为保证混凝土结构的抗裂性，蛋形消化池采用环向、径向、环梁及其下部椎体预应力配筋，以抵抗荷载作用在其池壁上产生的拉应力。根据设计计算资料显示，环向应力峰值位于下部壳体距环梁向下6m～7m位置。主要由于此处平面直径与压力乘积较大，且混凝土截面尺寸变化明显，存在一定程度的应力集中，在池壁引起了较大拉应力。且在蛋形消化池运行过程中，内外温差和季节温差对环梁附近内壁也产生了较大拉应力。因此针对本次清淤施工期间蛋形消化池内部混凝土裂缝及渗漏情况，基本符合消化池结构在荷载作用下的应力分布规律，建议对其进行维修加固，防止裂缝扩展进而影响消化池结构正常使用。

4.3消化池沉降及倾斜测量分析

根据以上图表可以看出，各沉降测点的变化与蛋形消化池的荷载成反比。在消化池抽水清淤检修阶段，荷载逐步减少呈现数据上抬趋势；而在灌水阶段，荷载逐步增加呈现数据下沉趋势。抽水、检修及灌水三个阶段的变形速率分别为+0.30mm/d、+0.26mm/d和-0.30mm/d，各阶段变形速率基本一致，说明荷载变化对沉降变化的影响呈线性。

倾斜增量在三个阶段的变化幅值为0.08‰～0.20‰，说明蛋形消化池在不同荷载状态下基本保持均匀变形，未发生明显差异沉降情况。

5结论及建议

通过对蛋形消化池的空间形态检测、内部混凝土病害情况检测及在不同荷载条件下的变形测量，可以完整的对其结构状态做出定性和定量评估，并结合评估情况提出相关建议。

1）根据三维激光扫描成果判断，3#蛋形消化池内部空间形态、外部轮廓形态正常，结构倾斜率在0.4‰～0.6‰范围内，参考建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）中5.3.4条文规定，本工程蛋形消化池变形允许值为3‰，可以判定3#消化池结构满足使用要求。

2）根据无人机病害检测成果判断，消化池环梁下部混凝土内壁受拉应力影响，产生多条竖向裂缝并形成渗漏，长期来看会影响消化池抵抗内部水压、气压荷载的性能，建议对裂缝进行维修加固，防止裂缝扩展影响消化池结构正常使用。

3）根据不同荷载状态下消化池沉降及倾斜测量成果判断，沉降变化与消化池内部荷载成反比，且与荷载的变化呈线性关系，符合其结构受力规律。倾斜增量在不同荷载状态下基本保持均匀变形，未发生明显差异沉降情况。

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