李 璐

（湖南省水利水電科學(xué)研究所 長(zhǎng)沙市 410007；長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 長(zhǎng)沙市 410004）

前 言

作為我國(guó)水利大省的湖南，目前共有水庫(kù)14 121座，總庫(kù)容530.72億m3；共有水電站4 467座，裝機(jī)容量1 534.81萬kW；共有過閘流量1m3/s及以上的水閘34 825座；共有堤防總長(zhǎng)度為18 684.87 km。這些為數(shù)眾多的水利工程不僅在防洪抗旱方面起著極為重要的作用，同時(shí)也在一定程度上促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。但是，這些水利工程大部分都修建于20世紀(jì)50~70年代，受制于當(dāng)時(shí)的條件，質(zhì)量難以保證，加之年久失修，老化嚴(yán)重，病險(xiǎn)日益突顯，直接威脅到水利工程的安全運(yùn)行。因此，對(duì)水利工程定期開展檢測(cè)是非常有必要的。那么，如何有效地開展檢測(cè)工作，獲得準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)結(jié)果，是我們面臨的一個(gè)重要課題。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，特別是電子技術(shù)的日新月異，水下機(jī)器人作為一種新技術(shù)和新方法，在我國(guó)水利工程水下檢測(cè)工作中已逐漸得到應(yīng)用。湖南省水利水電科學(xué)研究所于2013年引進(jìn)了國(guó)際先進(jìn)的水下機(jī)器人綜合探測(cè)系統(tǒng)（ROV），當(dāng)時(shí)在我國(guó)國(guó)內(nèi)僅有兩套。該套設(shè)備為加拿大水下機(jī)器人廠商Shark Marine生產(chǎn)的Stealth 3 ROV（圖1），屬于該公司最新的第三代產(chǎn)品，它具有體積小、操作方便靈活、圖像清晰、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。從2014年開始，水科所利用該套設(shè)備先后在寧鄉(xiāng)縣黃材水庫(kù)、瀏陽(yáng)市關(guān)山水庫(kù)、城步縣白云電站、新寧縣田心壩水閘等處開展了水下檢測(cè)工作，取得良好的技術(shù)效果，同時(shí)使檢測(cè)技術(shù)人員對(duì)水利工程的水下結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況和病險(xiǎn)隱患所在部位及嚴(yán)重程度有了非常直觀的了解，有利于技術(shù)人員對(duì)工程現(xiàn)狀獲得準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 Stealth 3 ROV

1 水下機(jī)器人（ROV）系統(tǒng)簡(jiǎn)介

ROV（Remote Operated Vehicle），無人遙控潛水器，即我們通常所說的水下機(jī)器人。它的工作基本方式是：由水面船只或者岸邊上的工作人員，通過連接潛水器的臍帶提供動(dòng)力，操縱或控制潛水器，通過水下電視、聲吶等專用設(shè)備進(jìn)行觀察，還能通過機(jī)械手，進(jìn)行水下作業(yè)。目前，無人遙控潛水器主要有有纜遙控潛水器和無纜遙控潛水器兩種。

水下機(jī)器人主要由ROV主機(jī)、ROV控制通訊臍帶、ROV控制平臺(tái)三部分組成。其中，ROV主機(jī)是攜帶有水下高清攝像頭、二維多波束圖像聲吶、位置及水深傳感器等探測(cè)傳感器的水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。本文中所使用的Stealth 3ROV主要技術(shù)指標(biāo)見附表。同時(shí)，Stealth 3ROV還配備了專業(yè)的操控手柄，這為實(shí)現(xiàn)水中精確控制水下機(jī)器人的位置與姿態(tài)提供了有利保障。

附表 Stealth 3 ROV主要技術(shù)指標(biāo)

2 水下機(jī)器人（ROV）系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)水下機(jī)器人在黃材水庫(kù)等水利工程進(jìn)行水下檢測(cè)的實(shí)際情況表明，水下機(jī)器人（ROV）系統(tǒng)具備以下幾個(gè)主要技術(shù)特點(diǎn)：

（1）靈活性。水下機(jī)器人在水中能夠自由快速的前行或后退、上浮或下潛，同時(shí)也能夠按照給出的指令，通過自身攜帶的多個(gè)傳感器及定位系統(tǒng)在水中任意深度任意位置固定方向進(jìn)行懸停作業(yè)。而且，水下機(jī)器人下潛深度可達(dá)300m，臍帶長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際工作需要配置，本系統(tǒng)設(shè)備配置臍帶長(zhǎng)度150 m，可以滿足湖南省絕大多數(shù)水利工程水下檢測(cè)工作的需要。

（2）高效性。如果是潛水員在深水中作業(yè)需要潛水鐘，其加壓減壓時(shí)間長(zhǎng)，且潛水員在水中工作時(shí)間、工作條件、工作環(huán)境等都有限制，而用水下機(jī)器人替代潛水員，則能夠長(zhǎng)時(shí)間在水中任意深度進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)，水下機(jī)器人能按照指令快速地行進(jìn)至指定地點(diǎn)并迅速開展工作，因此，大大縮短了工作時(shí)間，提高了工作效率。

（3）直觀性。通過水下機(jī)器人搭載的水下高清攝像頭、二維多波束聲吶等設(shè)備可以全方位、全角度非常直觀地實(shí)時(shí)觀測(cè)到水下檢測(cè)實(shí)況，同時(shí)這些實(shí)況信圖像能夠同步存儲(chǔ)在控制平臺(tái)的電腦中，以便日后進(jìn)行分析與研究。

（4）可靠性。在較好的水體環(huán)境中，水下機(jī)器人能夠很清晰地顯示水下檢測(cè)實(shí)況，如水庫(kù)大壩的裂縫、破損、鋼筋銹蝕情況等，并通過定位系統(tǒng)記錄其問題發(fā)生的位置，同時(shí)保存下來。在水體水質(zhì)條件比較差的情況下，仍然可以通過水下機(jī)器人攜帶的二維多波束聲吶對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行定位及辨識(shí)。

雖然水下機(jī)器人系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)，但根據(jù)我們的應(yīng)用實(shí)踐，在其使用過程中仍然存在一定的局限性，如：不適用于水流流速過快，存在漩渦、大量垃圾雜物等復(fù)雜的水體當(dāng)中；在水質(zhì)渾濁的水體中，無法用水下高清攝像頭進(jìn)行檢測(cè)，僅能通過聲吶來形成一個(gè)范圍廣泛的圖像，不利于檢測(cè)到目標(biāo)的細(xì)部詳細(xì)情況，如裂縫、破損等；由于水下機(jī)器人是有纜遙控的，臍帶線纜會(huì)跟隨水下機(jī)器人同時(shí)進(jìn)入水中，所以，如果水中環(huán)境或水下工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極易發(fā)生臍帶線纜纏繞、掛傷等情況；水下機(jī)器人的推進(jìn)動(dòng)力由螺旋槳推進(jìn)器提供，若水下存在漁網(wǎng)、比較細(xì)的線纜等，有可能會(huì)使其纏繞至螺旋槳中，造成故障。

3 資料整理及成果分析

水下機(jī)器人（ROV）系統(tǒng)所取得的資料和成果主要包含水下高清攝像頭成像和二維多波束聲吶掃描結(jié)果二部分，二部分結(jié)果可以單獨(dú)進(jìn)行整理分析，也可以相互結(jié)合進(jìn)行成果分析或相互印證檢測(cè)結(jié)果。

（1）水下高清攝像頭成像。水下高清攝像頭可以對(duì)周邊環(huán)境、水中結(jié)構(gòu)等進(jìn)行持續(xù)拍攝，并實(shí)時(shí)顯示在控制平臺(tái)的顯示屏幕上并自動(dòng)保持在電腦中，檢測(cè)技術(shù)人員可以非常直觀地通過屏幕看到哪些地方有裂縫、哪些地方有破損、哪些地方有金屬銹蝕等等，從而能夠快速依據(jù)現(xiàn)象做出準(zhǔn)確的判斷。也可以通過重新調(diào)看或回放已檢測(cè)過的部位成像資料，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要現(xiàn)場(chǎng)分析和判斷，以決定是否需要補(bǔ)測(cè)或?qū)δ承┎课贿M(jìn)一步加密檢測(cè)部位進(jìn)行詳查。

（2）二維多波束聲吶掃描。二維多波束聲吶類似于我們生活當(dāng)中使用的手電筒，聲吶發(fā)射的聲波以一定的方向和角度發(fā)射出去，當(dāng)聲波遇到前方障礙物時(shí)部分聲波能量又反射回聲吶的表面。當(dāng)聲吶系統(tǒng)接收到反射回來的聲吶以后，會(huì)根據(jù)從聲波發(fā)射到回波被接收這段時(shí)間的長(zhǎng)短來測(cè)量目標(biāo)距離聲吶系統(tǒng)的距離。同時(shí)，可以根據(jù)回波的強(qiáng)度大小來獲得目標(biāo)反射聲波能力的強(qiáng)弱，從而形成聲吶圖像。在形成的聲吶圖像上，可以看到有明有暗，通常情況下，回波信號(hào)強(qiáng)的用亮色，回波信號(hào)弱的用暗色。而在聲學(xué)中，硬目標(biāo)（如混凝土、鋼板）反射聲波能力強(qiáng)，軟目標(biāo)（如水、橡膠、薄殼空氣腔等）反射聲波能力弱。因此，根據(jù)這些原理，我們可以對(duì)水下的各個(gè)目標(biāo)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的辨識(shí)與定位。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

（1）寧鄉(xiāng)縣黃材水庫(kù)。黃材水庫(kù)位于湘水一級(jí)支流溈水上游，主壩壩址位于寧鄉(xiāng)縣黃材鎮(zhèn)以西的鐵山里，下距寧鄉(xiāng)縣城52.5 km。壩址控制流域面積240.8 km2，多年平均降雨量1 481.2mm，多年平均徑流量 1.92億 m3，水庫(kù)總庫(kù)容 1.53億 m3，正常蓄水位 166.0m，相應(yīng)庫(kù)容 1.26億m3，庫(kù)容系數(shù) 0.68，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。該水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。該樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、輸水隧洞、電站及引水壩等建筑物組成。

近些年來，位于主壩右岸山體的輸水隧洞進(jìn)水閘門出現(xiàn)較為突出的滲漏問題，閘門啟閉也存在困難，加之閘門啟閉臺(tái)排架水下部分存在老損問題，使該水庫(kù)樞紐工程的安全運(yùn)行受到威脅。出于這種情況，于2015年7月，對(duì)黃材水庫(kù)進(jìn)行了一次水下檢測(cè)。

此次水下檢測(cè)的主要內(nèi)容是獲取輸水隧洞進(jìn)口檢修閘與啟閉工作臺(tái)排架老損的情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本次檢測(cè)共布置3條檢測(cè)線路：第一條是從啟閉臺(tái)前方100m處開始下潛至庫(kù)底，順著主埋管方向，由遠(yuǎn)及近進(jìn)行詳細(xì)的巡查，檢查埋管段地表有無明顯結(jié)構(gòu)問題。最終靠近排架底部（檢修閘門附近），檢查閘門及其周邊結(jié)構(gòu)外觀情況；第二條是順啟閉臺(tái)排架逐個(gè)深度近距離檢查排架的外觀情況；第三條是采用聲吶對(duì)進(jìn)口進(jìn)行掃描檢查。

該次水下機(jī)器人水下檢測(cè)結(jié)果表明：在對(duì)進(jìn)口段進(jìn)行聲吶掃描時(shí)能夠清楚的看到進(jìn)口處中間存在一處約7m×5m（長(zhǎng)×寬）大小黑色近似多邊形的黑色區(qū)域，通過分析判斷，該處為塌陷區(qū)（圖2）；主埋管段上部地表通過水下高清攝像頭可以看出有零星凹坑的存在，有可能為管身結(jié)構(gòu)破損造成；啟閉臺(tái)排架結(jié)構(gòu)嚴(yán)重老損，通過水下高清攝像頭進(jìn)行仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)了排架各支柱普遍存在混凝土老化剝落、鋼筋外漏銹蝕嚴(yán)重、順筋向裂隙發(fā)育等現(xiàn)象（圖3）。

圖2 進(jìn)口塌陷區(qū)

圖3 主埋管段地表凹坑、啟閉臺(tái)排架老化破損情況

（2）瀏陽(yáng)市關(guān)山水庫(kù)。關(guān)山水庫(kù)位于瀏陽(yáng)市社港鎮(zhèn)，系湘江一級(jí)支流撈刀河源頭水庫(kù)，距瀏陽(yáng)市38 km，大壩控制集雨面積31.8 km2，正常蓄水位170.13m，正常庫(kù)容1 570萬m3，總庫(kù)容2 480萬m3，是一座以灌溉為主兼顧防洪、發(fā)電、供水等多種綜合效益的中型水利工程。該水庫(kù)樞紐工程包括主壩、兩座副壩、溢洪道、高涵與低涵灌溉隧洞。

該工程經(jīng)過多年來的運(yùn)行，目前，位于大壩左岸端山體的低涵隧洞出現(xiàn)較為嚴(yán)重的滲漏險(xiǎn)情，工程安全受到威脅。為了進(jìn)一步確定滲漏異常區(qū)域的水下情況，于2015年5月，對(duì)左岸低涵隧洞滲漏位置進(jìn)行水下檢測(cè)。

該次水下檢測(cè)的主要內(nèi)容是對(duì)其它檢測(cè)方法確定的疑似滲漏異常區(qū)域在水下進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。因此，依據(jù)疑似滲漏異常區(qū)域的情況，該次主要有兩條檢查線路：一是在異常滲漏點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)下潛檢查；二是沿低涵閘門啟閉拉桿從水面開始往下逐個(gè)深度詳細(xì)普查。

通過水下機(jī)器人水下檢測(cè)的結(jié)果表明：通過水下高清攝像頭，可以清晰的看到在閘門左底角處滲漏跡象明顯，同時(shí)此處門槽處存在明顯的缺陷；閘門門板左側(cè)與門槽接觸處存在一條縫隙，寬（0.5～1.0）cm，為閘門閉合不到位；閘門門板右側(cè)門槽外側(cè)存在一處混凝土剝落區(qū)，剝落面積約為0.1m2；閘門啟閉桿金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、老化嚴(yán)重；閘門消力井蓋處存在一條約1 cm寬水平裂縫（圖4）。

5 結(jié) 語(yǔ)

圖4 關(guān)山水庫(kù)閘門水下檢測(cè)

水利工程檢測(cè)工作本來就是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工作，需要通過多種檢測(cè)方法進(jìn)行綜合判斷，而水下機(jī)器人（ROV）系統(tǒng)在水利工程檢測(cè)應(yīng)用中的引入，利用其具有的靈活性、高效性、直觀性、可靠性等眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將大大縮短水下檢測(cè)工作的周期，提高工作效率。因此，應(yīng)用水下機(jī)器人廣泛開展水利工程水下檢測(cè)工作，將會(huì)對(duì)湖南省水利工程安全隱患排查、除險(xiǎn)加固效果檢查等諸多工作起到非常重要的作用。

[1]鄭發(fā)順.遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)在水庫(kù)大壩水下檢查中的應(yīng)用[J].水利信息化，2014，（2）：45-49.

[2]李鐘群，孫從炎，蔣曉旺，葛雙成.水下機(jī)器人在浙江省水庫(kù)大壩檢測(cè)中的初步應(yīng)用 [J].浙江水利科技，2010，169（3）：57-59.