熊小虎，柯 虎，付彥偉，江德軍，高志良

(1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；2.國電大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，四川 樂山 614700)

0 引 言

水工建筑物是大壩安全管控的重要組成部分，水工建筑物正常發(fā)揮其結(jié)構(gòu)設(shè)計功能是大壩長期安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。大壩建成蓄水后，水下構(gòu)筑物即常年處于水下，水流環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)過一段時間的運行，會出現(xiàn)不同程度的淤積、材質(zhì)劣化、功能降低等現(xiàn)象[1]，且缺陷具有發(fā)現(xiàn)難、處理難、突發(fā)性強，引起的后果嚴重等特點，對其的檢測具有較大的難度[2]。

目前，國內(nèi)外主流的水工建筑物異常情況水下檢測，多采用人工探摸、錄像或者單點聲吶[3]的方式，人工下潛方法成本大、周期長、作業(yè)深度有限(多在60 m水深內(nèi)，部分在100 m水深范圍)[4]，檢測結(jié)果依賴于潛水員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，且存在一定的人身安全風(fēng)險，局限性較大；單點聲吶采用斷面測量方式，實測斷面位置受水流、GPS定位精度和穩(wěn)定情況等因素影響，實測過程中工作船很難沿計劃測線實施測量，且單點測深精度容易受到測深探頭姿態(tài)和儀器自身精度影響，較難全面準確掌握水下形態(tài)或地形。本文以深溪溝水電站消力池缺陷水下檢測為依托，基于“面積性普查、局部性詳查、多手段精查”的技術(shù)思路，協(xié)同運用多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶等水下聲吶技術(shù)和水下高清連續(xù)攝像、二維圖像聲吶及三維聲吶等水下無人潛航器技術(shù)，對水下缺陷或淤積的三維空間形態(tài)精確量化，客觀反映缺陷或淤積的表觀影像，并輔以潛水員水下探摸，多種檢測手段相互配合、支撐、印證，直觀、準確、定量地查明了泄洪閘消力池的運行現(xiàn)狀，為水電工程大壩安全管理、水庫調(diào)度優(yōu)化、缺陷修補方案精準制定提供了可靠、可溯源的技術(shù)支撐，可供類似工程水下檢測參考和借鑒。

1 探測技術(shù)體系及原理

多波束聲吶和側(cè)掃聲吶均可有效獲取水底地形與地貌圖像，多波束聲吶可以全面了解探測區(qū)水底地形的起伏情況，但無法觀察或直觀地判讀水底情況，側(cè)掃聲吶可以獲取高分辨率水底影像但位置精度較低；水下無人潛航器可觀察或探測水下局部情況，但無法全面、高效地了解整個他測區(qū)的水底環(huán)境[5]。因此，通過聯(lián)合采用多波束探測系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶探測技術(shù)、水下無人潛航器等多元探測技術(shù)，協(xié)同運用“面積性普查、局部性詳查、多手段精查”的檢測思路，多種檢測手段相互配合、支撐、印證，可對水下缺陷或淤積的三維空間形態(tài)精確量化，客觀反映缺陷或淤積的表觀影像，直觀、準確、定量地查明水電工程水下構(gòu)筑物的運行現(xiàn)狀。多元協(xié)同探測體系技術(shù)構(gòu)架見圖1。

圖1 多元協(xié)同探測體系技術(shù)構(gòu)架

1.1 多波束探測技術(shù)

多波束測深系統(tǒng)也稱聲納陣列測深系統(tǒng)，是一種用于水下地形地貌測量及水工建筑物水下缺陷量化分析的大型組合設(shè)備。多波束聲吶系統(tǒng)以一定的頻率發(fā)射多個波束，波束具有沿航跡方向開角窄而垂直航跡方向開角寬的特點，多個波束形成扇形聲波束探測區(qū)。單個發(fā)射波束與接收波束的交叉區(qū)域稱為腳印，發(fā)射與接受循環(huán)稱為聲脈沖[6]。根據(jù)各個角度的聲波到達時間或相位即可測量出每個波束對應(yīng)點的水深值，若干個測量周期組合就形成了帶狀水深圖。

1.2 側(cè)掃聲吶探測技術(shù)

側(cè)掃聲吶是一種主動式聲納，利用聲波反射原理獲取回聲信號圖像，根據(jù)回聲信號圖像分析水底地貌和障礙物，識別水底沉積物類型等。側(cè)掃聲吶在實際應(yīng)用中主要是過信號處理裝置發(fā)送信號，驅(qū)動發(fā)射裝置形成脈沖，這一脈沖信號在水平方向比較窄，但是在水平角度卻相對比較寬。在接收信號的過程中，會在不同的接收陣上設(shè)計出不同的信號接收裝置，通過進行相應(yīng)的處理，可以獲得回聲信號，最終通過處理裝置可以獲得圖像信息[7]。

1.3 水下無人潛航器檢測技術(shù)

水下無人潛航器檢測技術(shù)為水下無人潛航器搭載檢測設(shè)備的技術(shù)統(tǒng)稱。水下無人潛航器(簡稱“ROV”)采用可重組的開放式框架結(jié)構(gòu)、數(shù)字傳輸技術(shù)、電力驅(qū)動技術(shù)，是一種全天候水下作業(yè)平臺?？纱钶d高清攝像頭、三維掃描聲吶、二維圖像聲吶、ROV姿態(tài)、深度傳感器等設(shè)備在其驅(qū)動功率和有效載荷允許范圍內(nèi)，可針對不同的水下任務(wù)，配置不同的外置儀器設(shè)備、作業(yè)工具等，準確、高效地完成各種水下調(diào)查、水下干預(yù)、勘探、觀測與取樣等多個領(lǐng)域工作。水下無人潛航器系統(tǒng)主要包括ROV潛器單元、地面控制單元、通訊供電單元3部分。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

大渡河深溪溝水電站位于四川省漢源縣境內(nèi)，其上接瀑布溝水電站，下接枕頭壩水電站，電站壩址處公路里程上距烏斯河鎮(zhèn)10 km。水庫正常蓄水位660.00 m，正常蓄水位以下庫容3 200萬m3，庫水位年變化5 m左右，庫容較小，為上游瀑布溝水庫反調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)庫容800萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站共安裝4臺單機容量165 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，總裝機容量660 MW。樞紐工程主要建筑物沿壩軸線方向自左至右依次布置左岸接頭壩、3孔泄洪閘、1孔排污閘、廠房壩段(4臺機組)、右岸接頭壩、窯洞式安裝間和2條泄洪沖沙洞，壩頂高程662.50 m，廠房壩段最大壩高106.0 m(含回填混凝土)，泄洪閘最大閘高49.5 m，壩頂全長222.5 m。泄洪沖沙洞由塔式進水口、洞身和出口段組成。

2.2 檢測技術(shù)思路與方式

(1)采用多波束檢查技術(shù)和側(cè)掃聲吶檢查技術(shù)對消力池進行全覆蓋檢查，獲取水下結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化資料，分析混凝土結(jié)構(gòu)表觀缺陷的空間分布情況以及規(guī)模，并劃分出重點缺陷以及存在疑問的部位。

(2)以多波束以及水下三維聲吶的實測成果為基礎(chǔ)，使用水下無人潛器搭載二維圖像聲吶、水下高清光學(xué)攝像設(shè)備對已發(fā)現(xiàn)的重要缺陷以及存在疑問的部位逐一進行詳查，進一步分析缺陷的類型、空間分布情況以及規(guī)模。

(3)采用潛水員水下探摸對本已發(fā)現(xiàn)的重要缺陷進行驗證檢查，與其他檢查技術(shù)的檢查成果進行對比驗證。

(4)綜合多種水下檢查技術(shù)的實測成果，統(tǒng)計并分析混凝土缺陷的現(xiàn)狀，包含缺陷的類型、規(guī)模及空間分布情況，以及較前期檢查資料的發(fā)展變化情況，為后續(xù)工作部署提供依據(jù)。

2.3 檢測成果分析

2.3.1消力池檢測成果

2.3.1.1 缺陷基本情況

消力池探測范圍內(nèi)，左側(cè)導(dǎo)墻、右側(cè)導(dǎo)墻、消力坎及尾坎未見明顯大規(guī)?；炷寥毕荩髠?cè)導(dǎo)墻與護坦之間、右側(cè)導(dǎo)墻與護坦之間接縫良好，但在消力池護坦、消力坎背水面與海漫護坦接觸范圍、海漫護坦發(fā)現(xiàn)3處具有一定規(guī)模的缺陷，多波束水下檢測成果見圖2。

圖2 深溪溝消力池多波束檢查異常區(qū)分布

2.3.1.2 缺陷解譯與分析

①、②、③號缺陷以①號缺陷范圍最大且位于消力池的正中間，最為典型，以下針對①號缺陷進行具體分析。

(1)①號缺陷現(xiàn)狀。①號缺陷為長33.7 m(順水流方向)、寬30 m(左右岸方向)、深0.5 m的混凝土凹陷，體積為405 m3，多波束實測成果見圖3，側(cè)掃聲吶實測成果見圖4，二維圖像聲吶實測成果見圖5，ROV水下攝像成果見圖6，從ROV水下攝像成果可知凹陷邊緣呈現(xiàn)陡坎狀，局部有鋼筋出露。

圖3 ①號缺陷多波束成果

圖4 ①號缺陷側(cè)掃聲吶成果

圖5 ①號缺陷二維圖像聲吶成果

圖6 ①號缺陷ROV水下攝像成果

(2)①號缺陷變化情況。將2018年多波束數(shù)據(jù)與2017年進行差異分析，①號缺陷掏蝕邊緣有擴大的趨勢，差異分析成果見圖7。從圖7可知，①號缺陷上游側(cè)掏蝕往上游稍有擴大，往下游側(cè)擴大較明顯，邊緣新掏蝕的最大深度約20 cm，下游側(cè)往下游方向掏蝕最大寬度約3 m。此外，①號缺陷其他部位的掏蝕深度基本不變，①號缺陷掏蝕面積擴大了約79 m2，掏蝕方量擴大了約5 m3。

圖7 2018年與2017年差異成果

(3)①號缺陷潛水員水下探摸驗證檢查。潛水員攜帶水下攝像機、鋼卷尺、水深表對消力池護坦凹陷進行驗證檢查，在探摸路線首尾點用鋼卷尺直接量測凹陷的深度，沿路線探摸過程中用水深表讀取凹陷底部深度，通過實時水位高程換算量測點的高程，探摸路線潛水員量測凹陷高程值與多波束實測高程值對比曲線見圖8。

圖8 Q2探摸路線多波束實測成果與潛水探摸成果對比

綜合分析潛水探摸路線和最深點潛水探摸成果可知：潛水員水下探摸缺陷①的凹陷深度與多波束檢查成果得出的缺陷①凹陷深度吻合較好；潛水員水下攝像發(fā)現(xiàn)缺陷①內(nèi)部大量鋼筋出露，與ROV水下攝像成果相一致。

2.3.2多波束檢查成果精度分析

多波束對消力池范圍進行了全覆蓋掃描，潛水員水下探摸按照規(guī)劃的5條路線進行水下探摸量測，對兩種方法實測的護坦底板凹陷高程及誤差統(tǒng)計分析可知，多波束實測高程和潛水員實測高程存在一定的誤差，多波束與潛水員實測中誤差為0.034 m，兩種方法實測高程高度吻合。潛水員水下探摸檢查有效驗證了多波束檢查技術(shù)、ROV檢查技術(shù)等方法探測成果的可靠性。

2.4 抽干實測情況

2019年，消力池內(nèi)積水抽干進行修復(fù)，多年運行沖刷形成的沖坑完全顯現(xiàn)，修復(fù)前對沖坑進行了測量，并繪制了地形圖。消力池沖坑多波束探測與抽干實測數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表1。從表1可知，沖坑最大長度、最大寬度兩種測量成果極為吻合，差異率在1%以內(nèi)；沖坑最大深度、方量兩種測量成果差異率稍大，但維持在8%以內(nèi)，主要由于沖坑深度值較小，差異率被放大?？傮w來看，通過與抽干實測數(shù)據(jù)對比分析，多波束協(xié)同多元探測技術(shù)能夠直觀、定量地查明水下缺陷，檢測結(jié)果真實客觀、準確可靠，能夠為缺陷修補方案精準制定提供可靠的技術(shù)支撐。

表1 消力池沖坑多波束探測與抽干實測數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論與建議

本文依托深溪溝水電站消力池缺陷水下檢測，基于“面積性普查、局部性詳查、多手段精查”的檢測思路，直觀、準確、定量地查明了消力池的運行現(xiàn)狀，為水電工程大壩安全管理、水庫調(diào)度優(yōu)化、缺陷修補方案精準制定提供了可靠的技術(shù)支撐。主要結(jié)論及建議如下：

(1)通過多波束探測系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、水下無人潛航器等多種檢測手段相互配合、支撐，互相驗證，直觀、定量地查明了水下缺陷運行現(xiàn)狀(位置、尺寸及方量)，經(jīng)潛水員下潛人工探摸和抽干檢查驗證，檢測結(jié)果真實客觀、準確可靠。

(2)相較傳統(tǒng)的采用圍堰抽水或潛水員下潛進行人工探摸、錄像的方式，多元探測技術(shù)聯(lián)合使用縮短了檢測時間、節(jié)約成本、不影響機組運行，并且極大降低作業(yè)安全風(fēng)險，尤其適用于重大缺陷水下檢測；對于常規(guī)水下缺陷檢測，可根據(jù)成本控制、檢測部位及環(huán)境、檢測需求等因素適當選擇搭配組合檢測手段。

(3)聯(lián)合采用多波束探測系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、水下無人潛航器等形成了一體化檢測新技術(shù)手段，建立了水工建筑物高精度、全覆蓋水下三維數(shù)字化成果庫，實現(xiàn)了水工建筑物水下缺陷精確定位與定量分析，解決了深水、渾水及動水環(huán)境下水工建筑物水下檢測技術(shù)難題，突破了傳統(tǒng)人工下潛等水下檢測的技術(shù)瓶頸，成功實現(xiàn)了在大中型水電站水庫大壩三維數(shù)字化中的集成創(chuàng)新應(yīng)用。

(4)一體化水下檢測技術(shù)可與三維激光、無人機等水上監(jiān)測檢測新技術(shù)相集成，融合水庫大壩水上水下高精度掃描點云坐標數(shù)據(jù)和水庫大壩三維模型數(shù)據(jù)，建立水電站水庫大壩三維數(shù)字化與三維模型化合成動態(tài)可視化成果庫，實現(xiàn)大壩異常區(qū)域及庫區(qū)水上水下地形信息的實時動態(tài)展示和提取，準確指導(dǎo)水工建筑物水下缺陷修補及水庫運行調(diào)度。