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(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣州 510635；2.廣東省大壩安全技術(shù)管理中心， 廣州 510635；3.廣東省山洪災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 廣州 510635)

水利工程結(jié)構(gòu)的安全檢測按照位置分為水上結(jié)構(gòu)和水下結(jié)構(gòu)檢測，其中，水上結(jié)構(gòu)檢測可以利用常規(guī)技術(shù),如眼看、耳聽、手摸、腳踩等直觀檢測手段，尺儀、鉆探等常規(guī)量測，探地雷達、高密度電法、地震法等物探手段進行綜合檢測。

水利工程水下結(jié)構(gòu)主要包含正常蓄水位水面以下的迎水坡護面結(jié)構(gòu)、進水塔結(jié)構(gòu)以及鋪蓋、底板、護坦、沉箱等結(jié)構(gòu)。其常出現(xiàn)的隱患主要有建筑物整體沉降，混凝土結(jié)構(gòu)表面的裂縫、分縫或止水破損，金屬結(jié)構(gòu)銹蝕等。當前，水利工程水下結(jié)構(gòu)檢測的主要方法包括目視檢測、水下機器檢測(ROV檢測)、激光掃描、扇掃聲納成像等。

目視檢測是指潛水員潛入水下利用手摸、腳踩、眼看及水下照相技術(shù)對水下結(jié)構(gòu)進行檢測的方法，該方法技術(shù)要求不高，當前使用較廣泛，但是潛水員有一定的人身安全風險，且需要有較高的業(yè)務(wù)素質(zhì)；ROV檢測以機器人技術(shù)為載體，結(jié)合了水下圖像技術(shù)、水下聲納及定位技術(shù)，具有操作靈活、圖像較為清晰直觀的優(yōu)點；激光掃描是指利用激光對水下結(jié)構(gòu)進行三維掃描，成像快速，但是由于激光在水中散射嚴重而存在成像質(zhì)量差的缺點；扇掃聲納成像按照掃描方式分為單波束、多波束方法以及三維成像法，其中多波束具有效率高、分辨率高的特點。

1 我國水利工程水下結(jié)構(gòu)的檢測應(yīng)用

水利工程水下構(gòu)筑物常年處于水下，水流環(huán)境復(fù)雜，其缺陷具有發(fā)現(xiàn)難、處理難、突發(fā)性強，引起的后果嚴重的特點，對其的檢測具有較大的難度。

李鵬飛[1]、王祥[2]等系統(tǒng)地總結(jié)了近年來水下探測技術(shù)在水利工程中的成果及技術(shù)優(yōu)勢[3-8]。但是針對基于ROV的水下探查作業(yè)，尚未建立統(tǒng)一的水下探測技術(shù)標準。

李斌[9]等歸納總結(jié)了三維成像技術(shù)在富陽巖石嶺水庫和玉環(huán)坎門漁港防波堤修復(fù)工程中的應(yīng)用情況和技術(shù)特點；饒光勇[10]等將其運用在北江堤圍險段水下地形變化監(jiān)測中；楊志[11]等利用三維全景成像聲納系統(tǒng)對南京市紅山窯水利樞紐泵站、鎮(zhèn)江市諫壁河口碼頭、長江下游和暢洲汊道崩窩水下岸坡等進行了檢測應(yīng)用；筆者利用雷達技術(shù)對水下水閘底板滲流隱患探測進行了相關(guān)研究[12]。以上研究均取得了較為理想的成果，積累了一整套的實踐經(jīng)驗。

筆者通過水下機器人系統(tǒng)以及多波束成像聲納系統(tǒng)在水庫大壩、水閘等水利工程中的應(yīng)用實例，總結(jié)了水下構(gòu)筑物檢測的應(yīng)用方法和技術(shù)成果，探討了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用難題與適用范圍，為二者在水利工程水下安全隱患探查中的聯(lián)合應(yīng)用積累了實踐經(jīng)驗。

圖1 多波束(扇掃)系統(tǒng)測量示意

2 系統(tǒng)介紹及其特點

2.1 多波束成像聲納系統(tǒng)

NORBITWBMS多波束系統(tǒng)主要由聲納裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、設(shè)備安裝支架及連接線組成，外業(yè)測量一般采用船舷固定布設(shè)方式(見圖1)。其中聲納裝置的理想覆蓋角度為140°，波束數(shù)為256，理想測量深度為100 m(見表 1)，系統(tǒng)能滿足水利工程大部分水下結(jié)構(gòu)及河道測量需求。目前，該系統(tǒng)主要應(yīng)用在水下結(jié)構(gòu)檢測、河道地形測繪、水下考古、沉船搜救、輔助海底管線敷設(shè)等工程領(lǐng)域。

表1 多波束成像聲納系統(tǒng)參數(shù)

與采用光學(xué)成像技術(shù)和傳統(tǒng)測深系統(tǒng)不同的是，多波束成像聲納系統(tǒng)工作效率高、成像直觀準確，數(shù)據(jù)可三維化，且不受探測水域水質(zhì)的影響，在水體渾濁、水質(zhì)較差的環(huán)境下仍可保證成像的清晰度和精確度。

圖2 水下機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 水下機器人系統(tǒng)

H300 MKII水下機器人系統(tǒng)由框架、水平及垂直推進器系統(tǒng)、水下電子倉、高靈敏度黑白攝像機、彩色攝像機、照明燈、云臺、羅經(jīng)及高度計等組成(見圖2)，其最大耐壓深度為300 m，能覆蓋水利工程中絕大部分水下結(jié)構(gòu)的檢測，具有三軸(水平、垂直、側(cè)向)以及繞自身旋轉(zhuǎn)的高抗流運動能力,其參數(shù)如表2所示。其關(guān)鍵技術(shù)包括水下機器器人的控制、導(dǎo)航、圖像數(shù)據(jù)通信等。該系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于水利、海洋、考古等領(lǐng)域的水下檢測、維修、打撈等。

圖5 某大壩的水上實景圖與水下機器人系統(tǒng)探測結(jié)果

表2 水下機器人系統(tǒng)參數(shù)

水下機器人具有檢測高效、直觀的特點，能夠按照既定指令快速前往指定部位進行檢測，工作效率高，但是其靈活性還有待提高，且在水質(zhì)渾濁水體中的探測效果不理想。

3 工程應(yīng)用

3.1 護坦檢測

某水利樞紐工程處于深厚的高壓縮性的流塑淤泥基礎(chǔ)上，因此樞紐水閘前后護坦采用了水下吊裝空箱式預(yù)制件方案進行建造，先對水閘前后護坦進行水下疏浚并找平，空箱預(yù)制件在自浮運到預(yù)定的沉放地點后，定位充水下沉，其平面結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 樞紐工程平面結(jié)構(gòu)示意

多波束系統(tǒng)對其的探測結(jié)果表明，水閘內(nèi)外江護坦結(jié)構(gòu)均能比較完整、清晰地呈現(xiàn)出，沉箱結(jié)構(gòu)基本完整，輪廓清晰且無破損情況，但是大部分沉箱在長期水流作用下散亂沉陷，部分已被淤泥覆蓋(見圖4)，淤泥深厚的河床中普遍出現(xiàn)了“沙跑石沉”的現(xiàn)象。由此可見，多波束系統(tǒng)可以對水下地形、工程結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)較為完整的探測。

圖4 多波束成像聲納系統(tǒng)的檢測成果

3.2 水下混凝土面板裂縫與止水檢測

水下機器人系統(tǒng)的核心檢測系統(tǒng)為攝錄照明系統(tǒng)，包括高分辨率攝像機(高清彩色變焦攝像頭和黑白低照度攝像頭)和高亮度照明燈，另外系統(tǒng)上可搭載二維聲納成像系統(tǒng)，以實現(xiàn)對水下結(jié)構(gòu)形狀及周邊地貌的簡單測量。

某水庫大壩的水上實景圖如圖5(a)所示，水下機器人對其上游面板水下分縫止水和面板的檢測及其二維聲納成像結(jié)果，如圖5(b),(c)所示。

檢測結(jié)果表明：各面板表面無明顯的貫穿性裂縫和大面積明顯的混凝土缺失等隱患；各條橡膠止水基本完整，局部表面皸裂，部分固定螺母缺失；在1.2 m水深處發(fā)現(xiàn)一條裂縫，經(jīng)核實此條裂縫為混凝土澆筑時絲帶、竹條或鋼筋等條狀物落入混凝土表面后，由施工人員清除后留下的痕跡，非貫穿性裂縫。

4 結(jié)論與展望

(1) 多波束成像聲納系統(tǒng)能夠在能見度較低的水域進行探測，檢測效率高，檢測結(jié)果直觀，具有良好的適用性，但是只能探測工程表面結(jié)構(gòu)和隱患。

(2) 水下機器人適用于水下大面積、大范圍檢測，結(jié)果直觀可靠，但是只能探查水利工程的表面情況，在水體渾濁、水工結(jié)構(gòu)和水流流態(tài)復(fù)雜的條件下無法進行細致檢查，難以對缺陷實現(xiàn)精確定位。

下一步的研究方向可以采用三維多波束系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)裝載到水下機器人上進行三者聯(lián)合探測，實現(xiàn)在渾濁水體情況下既能探測工程表面情況，又能檢測工程內(nèi)部缺陷。

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