李 璐

（湖南省水利水電科學研究所 長沙市 410007；長沙理工大學水利工程學院 長沙市 410004）

前 言

作為我國水利大省的湖南，目前共有水庫14 121座，總庫容530.72億m3；共有水電站4 467座，裝機容量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，同時也在一定程度上促進了國民經濟和社會的發(fā)展。但是，這些水利工程大部分都修建于20世紀50~70年代，受制于當時的條件，質量難以保證，加之年久失修，老化嚴重，病險日益突顯，直接威脅到水利工程的安全運行。因此，對水利工程定期開展檢測是非常有必要的。那么，如何有效地開展檢測工作，獲得準確可靠的檢測結果，是我們面臨的一個重要課題。

隨著科學技術水平的不斷發(fā)展，特別是電子技術的日新月異，水下機器人作為一種新技術和新方法，在我國水利工程水下檢測工作中已逐漸得到應用。湖南省水利水電科學研究所于2013年引進了國際先進的水下機器人綜合探測系統(tǒng)（ROV），當時在我國國內僅有兩套。該套設備為加拿大水下機器人廠商Shark Marine生產的Stealth 3 ROV（圖1），屬于該公司最新的第三代產品，它具有體積小、操作方便靈活、圖像清晰、功能強大等特點。從2014年開始，水科所利用該套設備先后在寧鄉(xiāng)縣黃材水庫、瀏陽市關山水庫、城步縣白云電站、新寧縣田心壩水閘等處開展了水下檢測工作，取得良好的技術效果，同時使檢測技術人員對水利工程的水下結構的運行狀況和病險隱患所在部位及嚴重程度有了非常直觀的了解，有利于技術人員對工程現(xiàn)狀獲得準確可靠的檢測數(shù)據(jù)。

圖1 Stealth 3 ROV

1 水下機器人（ROV）系統(tǒng)簡介

ROV（Remote Operated Vehicle），無人遙控潛水器，即我們通常所說的水下機器人。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力，操縱或控制潛水器，通過水下電視、聲吶等專用設備進行觀察，還能通過機械手，進行水下作業(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。

水下機器人主要由ROV主機、ROV控制通訊臍帶、ROV控制平臺三部分組成。其中，ROV主機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傳感器的水下運動平臺。本文中所使用的Stealth 3ROV主要技術指標見附表。同時，Stealth 3ROV還配備了專業(yè)的操控手柄，這為實現(xiàn)水中精確控制水下機器人的位置與姿態(tài)提供了有利保障。

附表 Stealth 3 ROV主要技術指標

2 水下機器人（ROV）系統(tǒng)的技術特點

根據(jù)水下機器人在黃材水庫等水利工程進行水下檢測的實際情況表明，水下機器人（ROV）系統(tǒng)具備以下幾個主要技術特點：

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

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

（3）直觀性。通過水下機器人搭載的水下高清攝像頭、二維多波束聲吶等設備可以全方位、全角度非常直觀地實時觀測到水下檢測實況，同時這些實況信圖像能夠同步存儲在控制平臺的電腦中，以便日后進行分析與研究。

（4）可靠性。在較好的水體環(huán)境中，水下機器人能夠很清晰地顯示水下檢測實況，如水庫大壩的裂縫、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，同時保存下來。在水體水質條件比較差的情況下，仍然可以通過水下機器人攜帶的二維多波束聲吶對檢測目標進行定位及辨識。

雖然水下機器人系統(tǒng)具備以上特點，但根據(jù)我們的應用實踐，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、大量垃圾雜物等復雜的水體當中；在水質渾濁的水體中，無法用水下高清攝像頭進行檢測，僅能通過聲吶來形成一個范圍廣泛的圖像，不利于檢測到目標的細部詳細情況，如裂縫、破損等；由于水下機器人是有纜遙控的，臍帶線纜會跟隨水下機器人同時進入水中，所以，如果水中環(huán)境或水下工程結構復雜，極易發(fā)生臍帶線纜纏繞、掛傷等情況；水下機器人的推進動力由螺旋槳推進器提供，若水下存在漁網、比較細的線纜等，有可能會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果二部分，二部分結果可以單獨進行整理分析，也可以相互結合進行成果分析或相互印證檢測結果。

（1）水下高清攝像頭成像。水下高清攝像頭可以對周邊環(huán)境、水中結構等進行持續(xù)拍攝，并實時顯示在控制平臺的顯示屏幕上并自動保持在電腦中，檢測技術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)象做出準確的判斷。也可以通過重新調看或回放已檢測過的部位成像資料，并對其進行簡要現(xiàn)場分析和判斷，以決定是否需要補測或對某些部位進一步加密檢測部位進行詳查。

（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，當聲波遇到前方障礙物時部分聲波能量又反射回聲吶的表面。當聲吶系統(tǒng)接收到反射回來的聲吶以后，會根據(jù)從聲波發(fā)射到回波被接收這段時間的長短來測量目標距離聲吶系統(tǒng)的距離。同時，可以根據(jù)回波的強度大小來獲得目標反射聲波能力的強弱，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，回波信號強的用亮色，回波信號弱的用暗色。而在聲學中，硬目標（如混凝土、鋼板）反射聲波能力強，軟目標（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，我們可以對水下的各個目標物體進行準確的辨識與定位。

4 工程應用實例

（1）寧鄉(xiāng)縣黃材水庫。黃材水庫位于湘水一級支流溈水上游，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，水庫總庫容 1.53億 m3，正常蓄水位 166.0m，相應庫容 1.26億m3，庫容系數(shù) 0.68，為多年調節(jié)水庫。該水庫是一座以灌溉為主，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，加之閘門啟閉臺排架水下部分存在老損問題，使該水庫樞紐工程的安全運行受到威脅。出于這種情況，于2015年7月，對黃材水庫進行了一次水下檢測。

此次水下檢測的主要內容是獲取輸水隧洞進口檢修閘與啟閉工作臺排架老損的情況。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，本次檢測共布置3條檢測線路：第一條是從啟閉臺前方100m處開始下潛至庫底，順著主埋管方向，由遠及近進行詳細的巡查，檢查埋管段地表有無明顯結構問題。最終靠近排架底部（檢修閘門附近），檢查閘門及其周邊結構外觀情況；第二條是順啟閉臺排架逐個深度近距離檢查排架的外觀情況；第三條是采用聲吶對進口進行掃描檢查。

該次水下機器人水下檢測結果表明：在對進口段進行聲吶掃描時能夠清楚的看到進口處中間存在一處約7m×5m（長×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，有可能為管身結構破損造成；啟閉臺排架結構嚴重老損，通過水下高清攝像頭進行仔細排查，發(fā)現(xiàn)了排架各支柱普遍存在混凝土老化剝落、鋼筋外漏銹蝕嚴重、順筋向裂隙發(fā)育等現(xiàn)象（圖3）。

圖2 進口塌陷區(qū)

圖3 主埋管段地表凹坑、啟閉臺排架老化破損情況

（2）瀏陽市關山水庫。關山水庫位于瀏陽市社港鎮(zhèn)，系湘江一級支流撈刀河源頭水庫，距瀏陽市38 km，大壩控制集雨面積31.8 km2，正常蓄水位170.13m，正常庫容1 570萬m3，總庫容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。

該工程經過多年來的運行，目前，位于大壩左岸端山體的低涵隧洞出現(xiàn)較為嚴重的滲漏險情，工程安全受到威脅。為了進一步確定滲漏異常區(qū)域的水下情況，于2015年5月，對左岸低涵隧洞滲漏位置進行水下檢測。

該次水下檢測的主要內容是對其它檢測方法確定的疑似滲漏異常區(qū)域在水下進行進一步檢測。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：一是在異常滲漏點進行定點下潛檢查；二是沿低涵閘門啟閉拉桿從水面開始往下逐個深度詳細普查。

通過水下機器人水下檢測的結果表明：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，同時此處門槽處存在明顯的缺陷；閘門門板左側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；閘門門板右側門槽外側存在一處混凝土剝落區(qū)，剝落面積約為0.1m2；閘門啟閉桿金屬結構銹蝕、老化嚴重；閘門消力井蓋處存在一條約1 cm寬水平裂縫（圖4）。

5 結 語

圖4 關山水庫閘門水下檢測

水利工程檢測工作本來就是一項復雜的綜合性工作，需要通過多種檢測方法進行綜合判斷，而水下機器人（ROV）系統(tǒng)在水利工程檢測應用中的引入，利用其具有的靈活性、高效性、直觀性、可靠性等眾多技術優(yōu)勢，將大大縮短水下檢測工作的周期，提高工作效率。因此，應用水下機器人廣泛開展水利工程水下檢測工作，將會對湖南省水利工程安全隱患排查、除險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.遙控水下機器人系統(tǒng)在水庫大壩水下檢查中的應用[J].水利信息化，2014，（2）：45-49.

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