徐剛

摘要：為了全面了解并掌握水工結(jié)構(gòu)物在水下運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)水下機(jī)器人（ROV）進(jìn)行水下建筑物質(zhì)量檢測(cè)。ROV可以高效、安全、全面地完成水工結(jié)構(gòu)物水下檢查作業(yè)任務(wù)，具有靈活、高效、直觀和可靠等技術(shù)特點(diǎn)。介紹了ROV應(yīng)用于福建省湄洲島管道、東方紅輸水涵洞以及西溪水庫(kù)大壩等工程水下建筑物質(zhì)量檢查實(shí)例。實(shí)踐證明，ROV可取得詳細(xì)可靠的檢查結(jié)果，提供有效的水工構(gòu)造物現(xiàn)狀信息。ROV可對(duì)水工結(jié)構(gòu)物如混凝土結(jié)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)等水下情況進(jìn)行的有效觀察和實(shí)時(shí)分析，可為水工建筑物質(zhì)量的安全鑒定和除險(xiǎn)加固提供有益參考。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人;水下建筑物;質(zhì)量檢查;水利水電工程;福建省

中圖法分類號(hào)：TV698.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.012

福建省水利水電資源蘊(yùn)藏豐富，近年來(lái)，隨著大規(guī)模水利水電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，目前省內(nèi)水庫(kù)已逾3 600座，總庫(kù)容超過(guò)200億m3，水電站逾6 600座，裝機(jī)容量超過(guò)12 000 MW，規(guī)模以上水閘超過(guò)2 380座，已建堤防長(zhǎng)度也超3 500 km[1]。這些水利水電工程可有效減少自然洪澇災(zāi)害的影響，大力保障城鄉(xiāng)居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

隨著水利水電工程運(yùn)行時(shí)間的增加，水庫(kù)及水電站的安全鑒定需求越來(lái)越大。近年來(lái)，越來(lái)越多年久失修的水電工程開(kāi)始進(jìn)入除險(xiǎn)加固階段，即使是新建水電工程，在日常運(yùn)行管理中也常遇到各種水下病險(xiǎn)隱患，如水下結(jié)構(gòu)的損壞、缺失、裂縫、老化，沖刷沖坑，金屬腐蝕等。如何檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)和設(shè)施的運(yùn)行狀況是水電工程安全鑒定、水庫(kù)除險(xiǎn)加固、水利水電工程日常管理維護(hù)中面臨的重要課題。

傳統(tǒng)水下檢查作業(yè)由潛水員下水檢查完成，該法效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高且局限性大。目前，國(guó)內(nèi)外水下建筑物檢查方法以采取水下機(jī)器人檢查為主、潛水員檢查為輔的策略，該法效率較高且安全可靠。21世紀(jì)初，水下機(jī)器人在我國(guó)水利水電工程中逐漸得到應(yīng)用，如望虞河望亭水利樞紐工作閘門(mén)水下檢查[1]、阿海水電站1號(hào)機(jī)進(jìn)水口檢修閘門(mén)門(mén)槽水下探測(cè)[2]、三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔封堵檢修門(mén)水下清理[3]、三渡溪水庫(kù)水下檢查[4]等。這些工程應(yīng)用案例均表明水下機(jī)器人檢查技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 水下機(jī)器人（ROV）概述

ROV組成結(jié)構(gòu)主要包括控制主機(jī)、臍帶連接線纜、水下潛器、輔助成像聲納以及其他附件（如機(jī)械手）?；竟ぷ髟砣缦拢孩偻ㄟ^(guò)主機(jī)控制臺(tái)手柄，控制水下潛器在空間360°無(wú)死角運(yùn)動(dòng)定位至目標(biāo)區(qū)域;②待到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，水下潛器中高清攝像頭經(jīng)過(guò)控制臺(tái)適當(dāng)操作，如角度控制、焦距調(diào)整、輔助光源光強(qiáng)調(diào)整等，將實(shí)時(shí)水下視頻與聲納成像傳輸至主機(jī)，并顯示在屏上，同時(shí)上傳圖像信息至筆記本電腦;③分析視頻頭像、聲納頭像信息水下檢查結(jié)果以及有用影像資料。

2 ROV技術(shù)特點(diǎn)

按照與母船之間有無(wú)臍帶纜連接的原則，將水下機(jī)器人分為兩種：①有纜水下機(jī)器人即ROV，遙控式水下機(jī)器人通過(guò)臍帶線纜從水面單元獲得充足動(dòng)力和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，作業(yè)時(shí)間不受限制，可搭載多種設(shè)備儀器;②無(wú)纜水下機(jī)器人即AUV，依靠自身攜帶動(dòng)力源航行，自主性和靈活性更高，但水下可有效作業(yè)時(shí)間短、活動(dòng)范圍有限、通訊和智能化要求更高。本文介紹的ROV具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

（1）作業(yè)靈活性。ROV在水下能夠自由快速前行或后退、上浮或下潛，同時(shí)按照指令，通過(guò)自身定位系統(tǒng)在水中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)數(shù)百米，可根據(jù)實(shí)際工作需要配置臍帶長(zhǎng)度，基本能滿足國(guó)內(nèi)所有壩區(qū)深度的水下檢查作業(yè)，這是潛水員無(wú)法替代的。

（2）工作高效性。ROV能夠長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行水下作業(yè)，按照指令快速到達(dá)指定地點(diǎn)開(kāi)展工作，大大縮短了工作時(shí)間，并提高了工作效率。而潛水員在水下作業(yè)檢查會(huì)受到工作時(shí)間、條件、環(huán)境等限制。

（3）結(jié)果直觀性。ROV通過(guò)搭載的水下高清攝像頭、二維多波束聲納等設(shè)備，可全方位實(shí)時(shí)觀測(cè)水下建筑物檢測(cè)實(shí)況。同時(shí)，圖像信息能同步存儲(chǔ)在控制平臺(tái)的電腦中，以便后期整理分析研究。

（4）數(shù)據(jù)可靠性。在清澈的水下環(huán)境中，ROV能清晰地顯示實(shí)時(shí)圖像，如閘門(mén)門(mén)槽銹蝕，水下構(gòu)造物混凝土破壞，大壩迎水面裂縫、破損、鋼筋銹蝕等缺陷。通過(guò)定位系統(tǒng)，記錄缺陷空間三維位置信息并保存。在水質(zhì)條件比較差的情況下，仍可通過(guò)自身攜帶二維多波束聲納，對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行定位及辨識(shí)。

雖然ROV具備以上優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用實(shí)踐表明[1]，使用過(guò)程中仍存在一定局限性：①無(wú)法有效應(yīng)用于水流流速快或存在漩渦、大量垃圾雜物等的復(fù)雜水體中;②當(dāng)水質(zhì)渾濁時(shí)，水下高清攝像頭將失去其有效性，僅能通過(guò)聲納圖像來(lái)進(jìn)行粗略判斷，不利于詳細(xì)檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域，尤其是細(xì)部缺陷，如混凝土裂縫、破損、鋼筋銹蝕等;③ROV是有纜遙控，由于水下環(huán)境和工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臍帶線纜在跟隨水下機(jī)器人進(jìn)入水下的過(guò)程中，可能會(huì)因操作不當(dāng)，發(fā)生臍帶線纜纏繞、掛傷等情況;④若水下存在漁網(wǎng)或較細(xì)的線纜時(shí)，可能會(huì)纏繞螺旋槳，從而造成ROV運(yùn)行故障。

3 ROV工程應(yīng)用實(shí)例

2013年，ROV就已應(yīng)用于福建省水利水電工程中，利用從國(guó)外引進(jìn)的Sea Botix LBV300-5型ROV（見(jiàn)圖1），對(duì)福建省仙游金鐘水庫(kù)大壩上游面板、莆田東圳水庫(kù)進(jìn)水口、晉江安平橋閘上下游以及仙游抽水蓄能上水庫(kù)面板滲漏情況進(jìn)行水下檢查作業(yè)，水下觀測(cè)檢查結(jié)果良好，可提供有效的水工構(gòu)造物現(xiàn)狀信息[5]。下面簡(jiǎn)要介紹Sea Botix LBV300-5型ROV近期在幾項(xiàng)水利水電工程中的應(yīng)用實(shí)例。

3.1 湄洲島農(nóng)村飲水安全跨海管道工程水下檢查

3.1.1 工程簡(jiǎn)介

湄洲島淡水資源貧乏，主要依靠外水供給，隨著人口增長(zhǎng)、游客增多，再加上原跨海管道屢受破壞，導(dǎo)致島上經(jīng)常供水不足。為此，設(shè)計(jì)了湄洲島農(nóng)村飲水安全工程實(shí)施方案。該方案由忠門(mén)半島供水管路、跨海供水管路及湄洲島供水管路3個(gè)部分組成。在湄洲大道接入原供水管道，匯入原水廠萬(wàn)噸蓄水池，供水規(guī)模為近期1.2萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期2.0萬(wàn)m3/d。項(xiàng)目建成后，新建跨海供水管道為湄洲島主要供水管道，原湄洲島跨海供水管道為備用供水管道，以提高湄洲島的供水保證。忠門(mén)半島及跨海部分輸水管道采用單根DN500mm鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管，湄洲島陸地部分采用單根DN500mm聚乙烯（PE）管，管線總長(zhǎng)5 959.10 m。湄洲灣跨海管道總長(zhǎng)3 707.20 m，管道鋪設(shè)中心高程-16.84～9.17 m，最大水深20.0 m。

3.1.2 水下檢查結(jié)果

2014年，利用多功能ROV對(duì)湄洲島農(nóng)村飲水安全工程跨海管道的溝槽開(kāi)挖深度、溝槽形狀、溝槽巖石風(fēng)化程度、鋪砂覆蓋、石籠壓頂?shù)惹闆r進(jìn)行了水下檢查。結(jié)果表明： ①溝槽巖石風(fēng)化程度，巖礁段的溝槽巖石以花崗巖為主，顏色為典型的白色黑點(diǎn)為主，部分黃色，風(fēng)化程度以強(qiáng)風(fēng)化為主，部分中風(fēng)化;②通過(guò)多處樁號(hào)溝槽深度定位分析測(cè)量，平均溝槽深度均可滿足設(shè)計(jì)要求;③通過(guò)連續(xù)水下攝像和聲納掃描結(jié)果可知，溝槽開(kāi)挖較平直、邊界分明，個(gè)別處海砂略有淤積痕跡;④已埋設(shè)管道鋪砂覆蓋表面較平整，砂已覆蓋到管高度的50%;⑤石籠網(wǎng)格較完整，搭接良好，石籠內(nèi)可見(jiàn)石塊基本充滿，石籠網(wǎng)格無(wú)明顯變形或破損。

3.2 莆田市東方紅水庫(kù)輸水涵洞工程水下檢查

3.2.1 工程簡(jiǎn)介

莆田市東方紅水庫(kù)是以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、防洪、供水等綜合利用的重要中型水庫(kù)。該工程由主壩、副壩、溢洪道、放水系統(tǒng)及壩后電站等組成。主壩為黏土心墻土石混合壩，最大壩高47.4 m，壩頂長(zhǎng)431 m，壩頂寬6.3 m，砌石防浪墻1道，高0.8 m;副壩位于左岸，系多種土質(zhì)壩，最大壩高22.9 m，壩頂長(zhǎng)182.5 m。輸水涵洞位于主壩左側(cè)，長(zhǎng)161 m，鋼筋混凝土圓涵結(jié)構(gòu)直徑1.5 m，采用錐閥啟閉，設(shè)計(jì)最大輸水流量為23.6 m3/s，進(jìn)口矗立一座圓形鋼筋混凝土放水塔，高40 m，其中塔座高3 m，塔身高37 m。塔身17 m外露于主壩迎水坡，其余23 m埋入壩內(nèi)。

3.2.2 水下檢查結(jié)果

2015年，利用多功能ROV對(duì)莆田市東方紅水庫(kù)輸水涵洞進(jìn)行水下檢查。檢查主要內(nèi)容為進(jìn)水口攔污柵、檢修閘門(mén)、閘門(mén)槽、閘門(mén)拉桿、進(jìn)水塔內(nèi)部混凝土水下部分、輸水涵洞洞身（包括進(jìn)口漸變段、閘門(mén)槽前段、閘門(mén)槽段、下平段、轉(zhuǎn)彎段、上升段、鋼襯段、分叉口）等部位。檢查結(jié)果如下。

（1）進(jìn)水塔塔身內(nèi)部混凝土基本完整，局部存在疏松，麻面露石，缺損形成凹槽，休息平臺(tái)底部混凝土因鋼筋銹脹引起脫落，爬梯鋼筋普遍銹蝕嚴(yán)重，在高程55 m附近發(fā)現(xiàn)斷裂性裂縫，該裂縫基本已貫通整層，影響進(jìn)水塔的塔身結(jié)構(gòu)安全。

（2）閘門(mén)啟閉拉桿及拉桿接頭普遍銹蝕嚴(yán)重，表面銹包密集，表面銹蝕形成類似松樹(shù)皮形狀，有的部位銹坑明顯，拉桿接頭處銹蝕嚴(yán)重。

（3）閘門(mén)門(mén)體面板、肋板普遍銹蝕嚴(yán)重，形成厚大的銹包，閘門(mén)門(mén)體與拉桿連接部位銹蝕明顯。

（4）閘門(mén)槽基本完整，無(wú)明顯裂縫、破損等情況，閘門(mén)槽附近混凝土結(jié)構(gòu)較完整，但表面凹凸不平，閘門(mén)槽與閘門(mén)間縫隙較大，且有異物卡在頂部，影響啟閉。

（5）洞身底板、側(cè)墻、頂拱混凝土或砌石體基本完整，未見(jiàn)明顯破損、坍陷、開(kāi)裂等缺陷，但閘前段洞身側(cè)墻或底部局部存在橫向和縱向裂縫，頂拱局部存在疏松和橫向裂縫，個(gè)別分縫處見(jiàn)不均勻沉降引起的錯(cuò)位，未見(jiàn)明顯滲漏部位。

（6）攔污柵結(jié)構(gòu)總體完整，但框架梁、柵葉普遍銹蝕嚴(yán)重，存在明顯銹包，柵葉上附著較多垃圾。

（7）鋼管襯砌段與混凝土襯砌段基本完整，止水結(jié)構(gòu)尚完整，止水固定環(huán)與固定螺栓普遍銹蝕，其中鋼管與混凝土間略有縫隙，止水固定環(huán)存在斷裂，止水固定螺栓銹蝕明顯，止水固定環(huán)與鋼管間縫隙略大，鋼管存在一定程度的銹蝕。

（8）岔管的結(jié)構(gòu)完整性尚好，錐閥銹蝕較明顯。

（9）輸水涵洞洞身總體基本完整，但閘前段洞身側(cè)墻或底部局部存在橫向裂縫和縱向裂縫，頂拱局部存在疏松和橫向裂縫，個(gè)別分縫處見(jiàn)不均勻沉降引起的錯(cuò)位;進(jìn)水塔塔身混凝土結(jié)構(gòu)存在斷裂，金屬結(jié)構(gòu)普遍銹蝕嚴(yán)重，閘門(mén)與閘門(mén)槽間有異物卡阻，影響工程安全運(yùn)行。

3.3 霞浦縣溪西水庫(kù)大壩工程水下部位檢查

3.3.1 工程簡(jiǎn)介

溪西水庫(kù)工程1974年10月竣工并投入使用。1985～1986年，對(duì)土壩段迎水坡?lián)跬翂M(jìn)行加厚處理。1997年，發(fā)現(xiàn)主壩的土壩段下游擋土墻上、下排水嚴(yán)重堵塞，造成下游坡浸潤(rùn)線明顯升高，土壩體、壩基以及庫(kù)周滲漏嚴(yán)重，土壩上游坡局部塌陷，近壩庫(kù)岸局部塌方等。溪西水庫(kù)樞紐工程由主壩、兩座副壩、溢洪道、壩下左右輸水洞及壩后電站等組成。其中，主壩為漿砌石重力壩和均質(zhì)土壩相結(jié)合的壩型，最大壩高34 m，壩長(zhǎng)169.4 m;兩座副壩共計(jì)長(zhǎng)211 m，溢洪道安裝3扇10 m×5 m的鋼質(zhì)弧形閘門(mén)。水庫(kù)死水位420.8 m，相應(yīng)庫(kù)容100萬(wàn)m3，正常高水位441.60 m，相應(yīng)庫(kù)容3 514萬(wàn)m3，總庫(kù)容3 980萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容480萬(wàn)m3。于2006年11月19日對(duì)溪西水庫(kù)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固建設(shè)。

3.3.2 水下機(jī)器人視頻檢查結(jié)果

2016年，利用LBV300-5多功能水下機(jī)器人對(duì)霞浦縣溪西水庫(kù)進(jìn)行水下檢查，具體包括大壩右岸土壩與中間溢洪壩段接頭部位的砌石擋土墻、右岸土壩上游面砌石護(hù)坡、右岸土壩擋土墻與砌石護(hù)坡結(jié)合部位等結(jié)構(gòu)，為評(píng)價(jià)水下部位的安全狀態(tài)提供了直觀的影像資料。檢查結(jié)果如下。

（1）靠近溢洪壩段的擋土墻側(cè)面及壓頂條石砌筑基本完整、砌筑有序，多數(shù)勾縫砂漿較完整，但十幾處勾縫砂漿出現(xiàn)小范圍（20～30 cm）破損、脫落，勾縫砂漿與條石/塊石間有3～4處存在長(zhǎng)30～50 cm的短縫隙;自水深12 m以下?lián)跬翂?cè)面覆蓋較多的泥垢，水體較渾濁。

（2）右岸土壩上游面砌石護(hù)坡為干砌塊石/毛塊石，總體基本完整，未見(jiàn)明顯的坍塌、開(kāi)裂現(xiàn)象，但局部毛塊石砌筑不夠整齊，毛塊石間的間隙較大;自水深5 m以下的塊石表面覆蓋較多泥垢，水體漸渾濁;在上游面砌石護(hù)坡水下部位的表面，未見(jiàn)鮮艷黃色泥土痕跡。

（3）右岸土壩擋土墻與砌石護(hù)坡結(jié)合部位表面為砂漿勾縫砌塊石，總體上砌石表面基本完整，大部分坡面勾縫砂漿尚完整，局部破損缺失;水上高程438.5～440.5 m見(jiàn)上下游方向的略斜向的表面裂縫，塊石間略有張開(kāi)、錯(cuò)位現(xiàn)象，局部略有沉陷;水下高程436.5 m附近勾縫砂漿缺失明顯，塊石間略有張開(kāi)、錯(cuò)位、擠壓、邊角破裂現(xiàn)象，破碎部位范圍約25 cm×40 cm，塊石錯(cuò)位約2～3 cm;在右岸土壩擋土墻與砌石護(hù)坡結(jié)合部位表面，也未見(jiàn)鮮艷黃色泥土痕跡。

水下聲納檢查結(jié)果表明：霞浦縣溪西水庫(kù)大壩右岸土壩砌石擋土墻及其與土壩結(jié)合部位上游面、土壩上游砌石護(hù)坡等外形輪廓基本完整，未發(fā)現(xiàn)大面積的變形、塌陷、開(kāi)裂、破損等現(xiàn)象。

4 ROV應(yīng)用前景展望

水下機(jī)器人可對(duì)水工結(jié)構(gòu)物如混凝土結(jié)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)等水下情況進(jìn)行有效觀察并實(shí)時(shí)分析，為后期安全鑒定和除險(xiǎn)加固提供直接資料，具有作業(yè)靈活、檢查高效、結(jié)果直觀和數(shù)據(jù)可靠等明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在操作過(guò)程中，水下機(jī)器人仍存在復(fù)雜水環(huán)境中自身穩(wěn)定性和安全性不足的缺點(diǎn)。水下機(jī)器人的局限性，一定程度上限制了其在水利水電工程中水下復(fù)雜環(huán)境的推廣應(yīng)用。后續(xù)研究需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)如何實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人強(qiáng)穩(wěn)定性大范圍高清晰度視野和無(wú)臍帶線纜高智能化水下檢查活動(dòng)，使得水下機(jī)器人能夠更加高效更加系統(tǒng)性開(kāi)展水下檢查工作，從而對(duì)水庫(kù)大壩安全鑒定和水下除險(xiǎn)加固，保障水庫(kù)大壩的安全，具有更重要的工程指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐘惠鈺，尤林賢. 小型遙控水下機(jī)器人在水利工程中的應(yīng)用[J]. 水利建設(shè)與管理，2008（12）：35-36.

[2] 李福年， 陳慕雄， 田維坤. ?ROV原理及在阿海水電站工程中的應(yīng)用[J]. ?云南水力發(fā)電，2013（3）：119-121.

[3] 單宇翥，陳洋. 水下機(jī)器人在三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔封堵檢修門(mén)水下清理工程中的應(yīng)用[J]. 大壩與安全，2015（3）：51-53.

[4] 李鐘群. 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（3）：57-59.

[5] 鄭發(fā)順. 遙控水下機(jī)器人在我省水利水電工程中水下檢測(cè)的應(yīng)用[J]. 水利科技，2014（1）：40-42.

（編輯：唐湘茜）