王繼敏，來(lái)記桃

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610051）

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)建成的水利水電長(zhǎng)大引水隧洞工程眾多。這些隧洞工程普遍具有圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜、洞線長(zhǎng)、洞徑大等特點(diǎn)，長(zhǎng)年運(yùn)行可能會(huì)出現(xiàn)裂縫、坍塌、露筋等典型缺陷，如不及時(shí)檢查并處理可能會(huì)嚴(yán)重影響工程安全運(yùn)行。常規(guī)放空檢查存在成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、效率低等突出問(wèn)題，部分工程甚至不具備放空檢修條件。受引水隧洞空間封閉、結(jié)構(gòu)異型、高水壓、弱光等復(fù)雜環(huán)境條件限制，潛水員水下檢查面臨人身安全風(fēng)險(xiǎn)，存在檢查效率低、作業(yè)范圍受限等問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)在海洋工程近?？碧街械玫搅藦V泛應(yīng)用[1-2]，近年來(lái)逐漸應(yīng)用到水電水利工程領(lǐng)域，但一般限于水電站水墊塘、河床、短距離引水、尾水隧洞工程應(yīng)用[3]，且檢測(cè)手段相對(duì)單一。

雅礱江錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程是世界最大規(guī)模水工隧洞群，由4條長(zhǎng)約17 km、直徑約12 m的引水隧洞組成。工程建設(shè)期，最大實(shí)測(cè)地應(yīng)力超過(guò)100 MPa，最大外水壓力超過(guò)10 MPa，工程水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜。4條引水隧洞自運(yùn)行以來(lái)，每?jī)赡攴趴諜z查一次，共經(jīng)歷了兩輪放空檢修，單次放空僅排水、充水就需要約14 d，檢查耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。放空檢查表明，引水隧洞總體運(yùn)行情況良好，但隧洞末端富水帶洞段局部襯砌結(jié)構(gòu)及集渣坑淤積狀況仍需要密切關(guān)注。為確保引水隧洞結(jié)構(gòu)安全和發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，減少頻繁放空對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的不利影響和發(fā)電效益的損失，迫切需要研究代替放空檢查的水下檢查方案進(jìn)行隧洞例行檢測(cè)，以便及時(shí)制定運(yùn)維策略。

2 水下檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

水下機(jī)器人也稱無(wú)人遙控潛水器，是一種工作于水下的極限作業(yè)機(jī)器人，通過(guò)搭載不同的作業(yè)工具，完成特定需求的水下作業(yè)，具有效率高、風(fēng)險(xiǎn)低、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工水下檢測(cè)的不足[4]。無(wú)人遙控潛水器分為有纜遙控潛水器（ROV）、自主式潛水器（AUV）和復(fù)合型潛水器（ARV）。AUV依靠自身攜帶電池提供動(dòng)力，自主進(jìn)行水下檢測(cè)作業(yè)，但水下續(xù)航能力和負(fù)載能力有限，不能實(shí)時(shí)顯示水下檢測(cè)信息，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化檢測(cè)作業(yè)。ARV雖然可以通過(guò)通訊光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，但同樣有自帶供電電池面臨的續(xù)航和負(fù)載等問(wèn)題，且光纖易盤繞、折斷，會(huì)導(dǎo)致ARV失去通訊和控制?；阱\屏二級(jí)水電站引水隧洞結(jié)構(gòu)及環(huán)境特點(diǎn)，綜合考慮長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離水下檢測(cè)所需克服的巡航能力和安全回收問(wèn)題，以及高精度檢測(cè)需求，重點(diǎn)研究有纜遙控潛水器水下檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與工程實(shí)踐。

圖1 水下檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition of underwater detection robot system

ROV是通過(guò)臍帶電纜將潛水器水下作業(yè)本體與水面遙控系統(tǒng)連接，由水面實(shí)時(shí)提供動(dòng)力和通訊控制，操作人員在水面遙控潛水器工作，具有作業(yè)深度大、不受動(dòng)力供給限制、工作時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備支持功能強(qiáng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸顯示以及無(wú)水下作業(yè)人身安全風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。ROV水下檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括潛水器主機(jī)、臍帶纜管理系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和輔助保障系統(tǒng)四部分。ROV主機(jī)實(shí)施水下航行推進(jìn)并提供檢測(cè)設(shè)備搭載平臺(tái)，搭載照明設(shè)備、聲吶系統(tǒng)、高清攝像機(jī)等多種檢測(cè)和作業(yè)設(shè)備以執(zhí)行水下作業(yè)。臍帶纜管理系統(tǒng)包括絞盤、臍帶纜、TMS裝置等，保障ROV主機(jī)的電力、通訊、數(shù)據(jù)傳輸。地面控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、遙控操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)ROV主機(jī)的參數(shù)監(jiān)控、指令收發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析等，是整個(gè)水下機(jī)器人系統(tǒng)的大腦[5-6]。輔助保障系統(tǒng)包括動(dòng)力電源、通訊基站、吊運(yùn)設(shè)備和應(yīng)急系統(tǒng)等。

3 關(guān)鍵技術(shù)方案研究

3.1 潛水器載體設(shè)計(jì)

潛水器載體是水下檢測(cè)傳感器集成的水下移動(dòng)終端，統(tǒng)籌兼顧ROV搭載設(shè)備、檢測(cè)能力、動(dòng)力與功耗、安全收放、工程邊界等技術(shù)要求。針對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞檢測(cè)距離長(zhǎng)、進(jìn)出口通道狹小等特征，潛水器載體采用小體積框架設(shè)計(jì)，采用零浮力、抗拉、耐磨、傳輸能力強(qiáng)的光電復(fù)合臍帶電纜進(jìn)行供電、通訊控制和應(yīng)急回收牽引[7]，在載體上安裝四個(gè)水平矢量推進(jìn)器和兩個(gè)垂直向推進(jìn)器，以增強(qiáng)長(zhǎng)距離工作的動(dòng)力保障。

表1 ROV主要技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of main technical indexes of ROV

為了解決長(zhǎng)距離、小型化升降壓供電難題，電力傳輸采用400 Hz中頻升降壓電能傳輸技術(shù)。臍帶纜按照5 km進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳輸最大有功功率達(dá)5.4 kW，滿足水下檢測(cè)機(jī)器人所需總功率要求，抗拉能力達(dá)2 t。通過(guò)研究和優(yōu)化，確定水下檢測(cè)機(jī)器人尺寸為長(zhǎng)1.53 m、寬0.81 m、高0.75 m，以滿足進(jìn)出直徑2.1 m的調(diào)壓室阻抗孔的限制要求。

3.2 水下檢測(cè)方案與定位技術(shù)

3.2.1 全覆蓋檢測(cè)方案

引水隧洞洞徑10.8～11.8 m，結(jié)構(gòu)型式多變，水體能見度低，水下攝像視角窄。為實(shí)現(xiàn)大直徑隧洞內(nèi)壁全覆蓋檢測(cè)，研究采用聲吶掃描普查和光學(xué)攝像詳查相結(jié)合的隧洞全覆蓋檢測(cè)方案，即先通過(guò)聲學(xué)檢測(cè)為主、光學(xué)檢測(cè)為輔的方式快速普查并判斷缺陷規(guī)模和部位，再通過(guò)ROV抵近缺陷部位做進(jìn)一步光學(xué)攝像詳查、勘驗(yàn)。

高精度聲吶掃描普查是全覆蓋檢測(cè)的關(guān)鍵。通過(guò)調(diào)研和聯(lián)合研制，引進(jìn)了首臺(tái)移動(dòng)式隧洞專用Blueview-T2250三維掃描聲吶系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隧洞結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)三維掃測(cè)并提供連續(xù)的高分辨率圖像，分辨率達(dá)6 mm，有效探測(cè)距離10 m。T2250系統(tǒng)使用高頻率低功耗的聲學(xué)多波束技術(shù)[8]，可隨ROV行進(jìn)方向以2.25 MHz的頻率進(jìn)行移動(dòng)式三維掃描，發(fā)出2100個(gè)重疊窄波束連續(xù)采集隧洞360°范圍聲波反射點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)創(chuàng)建一個(gè)密集的三維點(diǎn)云圖像，清晰展示隧洞結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，以進(jìn)行損傷評(píng)估。通過(guò)多波束三維成像聲吶全覆蓋掃描，解譯分析后對(duì)重點(diǎn)關(guān)注部位進(jìn)行ROV抵近攝像、激光測(cè)距等精細(xì)量測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)引水隧洞更高精度的表觀全覆蓋高效檢測(cè)。

3.2.2 水下定位技術(shù)

在海洋或水庫(kù)等開闊水域檢測(cè)中，通常采用超短基線定位技術(shù)（USBL）進(jìn)行水下定位。引水隧洞為相對(duì)封閉空間結(jié)構(gòu)，邊界繁雜，而USBL受多次反射波干擾及密集鐵磁性結(jié)構(gòu)設(shè)施的綜合影響，定位誤差較大。慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Inertial Navigation System,INS）是一種不依賴外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下。多普勒計(jì)程儀（Doppler Velocity Log,DVL）利用發(fā)射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測(cè)量潛水器相對(duì)于水底的航速和累計(jì)航程，能夠在沒(méi)有外部陸基或星基定位信息支持下實(shí)現(xiàn)封閉空間內(nèi)的準(zhǔn)確定位與導(dǎo)航[9-10]。研究確定引入高精度INS與DVL，結(jié)合纜長(zhǎng)計(jì)數(shù)器、導(dǎo)引聲吶、高度計(jì)等多項(xiàng)定位校正設(shè)備進(jìn)行水下定位，平面定位精度可達(dá)50 cm、軸線精度為航行距離的2‰。ROV水下檢測(cè)中，還可利用隧洞內(nèi)可識(shí)別的、具有位置信息的特征點(diǎn)，對(duì)水下定位進(jìn)行校正，以減小慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位累積誤差。

3.3 復(fù)雜工程邊界條件ROV布放

電站上游調(diào)壓室井筒及2.1 m直徑阻抗孔是ROV進(jìn)入引水隧洞末端的唯一通道。上游調(diào)壓室豎井總高139 m，開挖直徑23 m，調(diào)壓室分流墩上部阻抗板厚3 m，阻抗板兩側(cè)共布置四個(gè)直徑2.1 m的圓形阻抗孔。ROV需穿過(guò)上游調(diào)壓室阻抗孔到達(dá)隧洞底板，經(jīng)直角轉(zhuǎn)彎往上游方向航行，臍帶纜在阻抗孔邊緣易產(chǎn)生剮蹭破損甚至斷裂，影響ROV供電與通訊，存在一定的安全隱患。為消除直角結(jié)構(gòu)對(duì)臍帶纜的剮蹭損傷，降低彎段處與臍帶纜的摩擦力[11]，保障ROV的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)該阻抗孔的中繼引導(dǎo)裝置（TMS）。TMS自上而下由托盤、圓柱框架、導(dǎo)向滑輪和導(dǎo)向定位錐組成，托盤將該裝置卡在阻抗孔上端，圓柱框架落入3 m厚阻抗孔中，導(dǎo)向滑輪控制臍帶纜方向并增大轉(zhuǎn)彎半徑，導(dǎo)向定位錐在吊放時(shí)便于導(dǎo)向并對(duì)準(zhǔn)阻抗孔口，并在TMS裝置上安裝燈光、視頻攝像，以觀察TMS下放狀態(tài)和潛水器行進(jìn)狀況。

圖2 上游調(diào)壓室及阻抗孔布置示意圖Fig.2 Layout of the upstream surge chambers and impedance hole

圖3 阻抗孔布放TMS裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of TMS device in impedance hole

3.4 水下檢測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

操控人員基于ROV姿態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)信息感知，判斷ROV行進(jìn)狀態(tài)和隧洞檢測(cè)環(huán)境，在隧洞結(jié)構(gòu)多變、空間密閉、能見度低等復(fù)雜水下環(huán)境中，檢測(cè)作業(yè)依然存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，時(shí)常需要借助隧洞結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析、校驗(yàn)，以保障檢測(cè)的高效全面?；诖?，根據(jù)隧洞BIM模型與前期已有的檢測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建典型作業(yè)區(qū)三維場(chǎng)景和作業(yè)目標(biāo)模型數(shù)據(jù)庫(kù)，引入VR實(shí)時(shí)可視化重構(gòu)技術(shù)，融合模型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和ROV實(shí)時(shí)回傳的水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建高逼真的ROV水下作業(yè)虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全方位視角切換監(jiān)控ROV實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)，可以極大提高水下作業(yè)安全保障和檢測(cè)效率。

圖4 ROV水下檢測(cè)狀態(tài)監(jiān)控及仿真模擬Fig.4 State monitoring and simulation of ROV underwater de?tection

4 工程檢測(cè)應(yīng)用

4.1 工程概況

雅礱江錦屏二級(jí)水電站為一低閘、長(zhǎng)隧洞、大容量引水式電站，利用長(zhǎng)150 km大河灣的天然落差，通過(guò)長(zhǎng)約16.7 km的引水隧洞截彎取直，獲得水頭約310 m。電站總裝機(jī)容量4800 MW，多年平均發(fā)電量242.3億kW·h。4條引水隧洞具有埋深大、洞線長(zhǎng)、洞徑大等特點(diǎn)，工程水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，為世界埋深最大、規(guī)模最大的水工隧洞群工程。4條引水隧洞中心距60 m，隧洞底坡3.65‰，自進(jìn)口底板高程1618.00 m降至高程1564.70 m與上游調(diào)壓室相接，開挖直徑12.4～14.3 m，襯后隧洞跨度10.8～11.8 m。引水隧洞末端15 km樁號(hào)附近各布置一組集渣坑，各組集渣坑均由左右兩個(gè)集渣坑組成，每個(gè)集渣坑設(shè)3室。

4.2 水下檢測(cè)目的與內(nèi)容

為及時(shí)、全面掌握引水隧洞結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況，基于水下檢測(cè)技術(shù)調(diào)研情況和工程現(xiàn)階段運(yùn)行實(shí)際，以引水隧洞末端水下檢測(cè)為切入點(diǎn)，探索常態(tài)化例行檢查手段。檢查內(nèi)容為引水隧洞末端襯砌混凝土表觀有無(wú)新增破損、剝落、露筋、表面附著等缺陷，缺陷修復(fù)部位運(yùn)行情況，以及集渣坑淤積狀況。重點(diǎn)檢查引水隧洞樁號(hào)15+200 m附近隧洞段混凝土襯砌運(yùn)行情況及下游集渣坑淤積狀況。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)施

ROV與TMS裝置經(jīng)引水隧洞末端上游調(diào)壓室井筒吊放入水并下潛約70 m，TMS固定在?2.1 m阻抗孔邊壁，ROV穿過(guò)阻抗孔進(jìn)入引水隧洞，向上游方向分全覆蓋普查和局部詳查2個(gè)階段進(jìn)行檢測(cè)。為確?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)順利進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)配備了2臺(tái)檢測(cè)ROV和1臺(tái)救援ROV，該多設(shè)備、多模式作業(yè)潛水器方案設(shè)計(jì)為引水隧洞水下檢測(cè)提供了足夠的安全冗余保障。

圖5 錦屏二級(jí)水電站地下引水發(fā)電系統(tǒng)隧洞群布置示意圖Fig.5 Layout of underground water diversion tunnels and pow?er generation system at JinpingⅡhydropower station

圖6 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.6 Layout of detection site

4.4 水下檢測(cè)成果及評(píng)價(jià)

2018年11 月至2020年1月，結(jié)合發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修，共計(jì)完成了6次錦屏二級(jí)水電站4條引水隧洞末端水下檢測(cè)，其中1號(hào)、2號(hào)引水隧洞完成了兩次水下檢測(cè)對(duì)比，3號(hào)、4號(hào)引水隧洞完成了水下檢測(cè)與放空檢查對(duì)比驗(yàn)證。單次水下檢測(cè)時(shí)間約3 d，引水隧洞最大檢測(cè)距離達(dá)2.3 km。檢測(cè)結(jié)果表明，引水隧洞末端總體運(yùn)行情況良好（三維聲吶掃描典型成果見圖7），未發(fā)現(xiàn)影響隧洞運(yùn)行安全的隱患和缺陷，水下檢測(cè)結(jié)果與放空檢查基本吻合，較好地指導(dǎo)了引水隧洞的運(yùn)行檢修維護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)了常態(tài)化水下無(wú)人檢測(cè)。針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的15+200 m附近洞段和末端集渣坑運(yùn)行狀況，總體情況如下。

圖7 引水隧洞水下三維聲吶掃描典型成果圖Fig.7 Typical result of underwater 3D sonar scanning of diver?sion tunnel

4.4.1 引水隧洞混凝土結(jié)構(gòu)表觀缺陷檢查

通過(guò)全覆蓋普查、抵近詳查對(duì)比分析，2018年12月，1號(hào)引水隧洞15+210 m附近隧洞底部混凝土保護(hù)層局部剝落約6 m2，局部環(huán)向鋼筋出露；2019年12月，缺陷范圍擴(kuò)大至32 m2，剝落深度未見明顯變化。

圖8 1號(hào)引水隧洞15+210 m段混凝土保護(hù)層脫落范圍變化對(duì)比（2018～2019年）Fig.8 Peeling of concrete cover in the 15+210 m section of No.1 diversion tunnel(2018～2019)

2號(hào)引水隧洞運(yùn)行狀況良好，兩次對(duì)比檢測(cè)未見明顯變化。檢測(cè)3號(hào)引水隧洞發(fā)現(xiàn)底板混凝土局部磨蝕露筋，主要分布在樁號(hào)16+100 m、15+950 m和14+900 m處，與次月計(jì)劃外放空檢查結(jié)果一致，典型缺陷水下檢測(cè)與放空檢查對(duì)比見圖9。4號(hào)引水隧洞僅發(fā)現(xiàn)隧洞底板混凝土局部磨蝕，未見混凝土保護(hù)層脫落、鋼筋出露等情況，且當(dāng)月進(jìn)行了計(jì)劃內(nèi)放空檢查，檢查結(jié)果與水下檢測(cè)一致。

4.4.2 集渣坑淤積狀況

2018年12 月和2019年12月兩次水下檢測(cè)1號(hào)引水隧洞下游集渣坑表明，經(jīng)過(guò)1年的運(yùn)行，集渣坑淤積體積由17.4%增至25.9%，沉渣空間仍較大。

2號(hào)引水隧洞集渣坑除下游3號(hào)沉渣室外，其余5個(gè)沉渣室均已基本淤滿，淤積總量占集渣坑總體積的91.4%。2019年11月再次檢查發(fā)現(xiàn)，淤積略有增加，總量占集渣坑總體積的97%。

3號(hào)、4號(hào)引水隧洞集渣坑的6個(gè)沉渣室均已淤滿，并及時(shí)進(jìn)行了放空檢查及清理，放空檢查淤積情況與水下檢測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖9 3號(hào)引水隧洞底板混凝土磨損水下檢測(cè)與放空檢查對(duì)比（2019年）Fig.9 Comparison between underwater detection and empty?ing inspection of abrasion of bottom slab concrete in diversion tunnel No.3(2019)

圖10 2號(hào)引水隧洞下游集渣坑沉渣室淤積水下三維聲吶掃描縱斷面圖Fig.10 Underwater 3D sonar scanning profile of deposition in the settling chamber of sediment pit downstream of diversion tunnel No.2

圖11 3號(hào)引水隧洞集渣坑沉渣室水下檢測(cè)與放空檢查對(duì)比Fig.11 Comparison between underwater detection and empty?ing inspection of the settling chamber of sediment pit in diver?sion tunnel No.3

5 結(jié)論與展望

（1）針對(duì)大直徑、長(zhǎng)隧洞水下檢測(cè)需求和技術(shù)難題，創(chuàng)新性開展了潛水器載體長(zhǎng)距離巡檢設(shè)計(jì)與控制、大斷面全覆蓋高精度檢測(cè)、水下精準(zhǔn)定位、復(fù)雜工程邊界條件布放與回收等關(guān)鍵技術(shù)方案研究，形成了大直徑、長(zhǎng)隧洞水下全覆蓋檢測(cè)成套裝備和解決方案。

（2）采用ROV首次完成了錦屏二級(jí)引水隧洞末端2 km級(jí)長(zhǎng)度水下全覆蓋常態(tài)化檢測(cè)，查明了隧洞末端襯砌結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況及集渣坑淤積狀況，檢測(cè)成果直觀、可靠，有效指導(dǎo)了引水隧洞運(yùn)維策略。

（3）對(duì)于更長(zhǎng)距離的引水隧洞多傳感器組合水下檢測(cè)，以及進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，還需要依靠科技發(fā)展，進(jìn)一步研究探索。