田金章，譚界雄，雷 勇，賈強(qiáng)強(qiáng)

（1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢，430010；2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢，430010；3.流域水安全保障湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430010；4.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州，310058）

0 引言

我國現(xiàn)有水庫大壩9.8萬多座，位居世界首位，其中重力壩作為主要壩型，建設(shè)成就突出，已建三峽、丹江口、龍灘、龍羊峽等高混凝土重力壩，在我國防洪、發(fā)電、灌溉、供水等方面發(fā)揮了重要作用[1]。但隨著時(shí)間推移，重力壩特別是早期建設(shè)的漿砌石重力壩出現(xiàn)了滲漏、混凝土結(jié)構(gòu)缺陷等病害[2-3]，而位于水面以下的缺陷，潛水員檢查風(fēng)險(xiǎn)大、效率低，且水深超過60 m時(shí)，常規(guī)空氣潛水無法實(shí)施。

隨著水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，采用水下機(jī)器人對(duì)建筑物水下缺陷、滲漏等進(jìn)行檢測(cè)已取得一定成果[4]。黃澤孝[5]等人將水下機(jī)器人應(yīng)用在隧洞檢測(cè)中，對(duì)混凝土底板磨損、表面缺陷和結(jié)合部位進(jìn)行了檢查；鄭發(fā)順[6]總結(jié)了遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)在水庫大壩水下檢查中的作業(yè)步驟，對(duì)不同檢查條件下的應(yīng)用進(jìn)行了研究；李永龍[7]等人總結(jié)了水下機(jī)器人在水利水電工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用工況。以上研究為水下機(jī)器人在水利工程中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，但主要為利用現(xiàn)有浮游式水下機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行的應(yīng)用研究，針對(duì)特定壩型的水下機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)用研究還不充分。筆者針對(duì)重力壩上游壩面對(duì)高效水下檢測(cè)的需求，研究了一種既可沿壩面吸附爬行又可在水中浮游的水下吸附機(jī)器人系統(tǒng)，并在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 水下吸附機(jī)器人系統(tǒng)研究

水下機(jī)器人是一種通過搭載不同的檢測(cè)或作業(yè)工具執(zhí)行特定任務(wù)的水下潛水器。根據(jù)作業(yè)空間、操作方式和動(dòng)力特點(diǎn)，通常將水下機(jī)器人分為載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV），無人潛水器又可分為有纜遙控水下機(jī)器人（ROV）和自治水下機(jī)器人（AUV）。在水利水電工程中，有纜遙控水下機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛[8-9]。

水下吸附機(jī)器人屬于ROV 的范疇，是為了更好地適應(yīng)垂直壩面檢測(cè)而研發(fā)的專用水下機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由水下潛水器（主機(jī)）、臍帶纜、鉸車、岸上控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)組成。

水下吸附機(jī)器人主機(jī)（見圖1）包括聚乙烯框架（含浮材）、框架下部的后驅(qū)移動(dòng)底盤、框架四角的推進(jìn)器、負(fù)壓吸盤和電子倉等部分。后驅(qū)移動(dòng)底盤由四個(gè)直徑8 cm 的車輪和兩個(gè)帶驅(qū)動(dòng)器的無刷直流減速電機(jī)組成，固定于框架下部。為實(shí)現(xiàn)水中浮游功能和潛水器由浮游到垂直吸附爬行的姿態(tài)轉(zhuǎn)換，在框架四周布置八個(gè)推進(jìn)器。每個(gè)角布置一個(gè)水平推進(jìn)器和一個(gè)垂直推進(jìn)器。負(fù)壓吸盤位于框架的中心，裝有離心葉輪式吸盤和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為主機(jī)提供負(fù)壓吸力，使主機(jī)可非接觸式吸附在垂直壩面上。電子倉是岸上控制器和水下主機(jī)的連接中樞，電子倉通過臍帶纜與岸上控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)岸上對(duì)水下潛水器的控制、潛水器姿態(tài)反饋、檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 水下吸附機(jī)器人Fig.1 Underwater adhesion robot

水下吸附機(jī)器人臍帶纜采用銅芯電纜，400 V直流供電，檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和控制信號(hào)通過載波傳輸。臍帶纜長度200 m，岸上配備手動(dòng)鉸車用以收集臍帶纜。岸上控制系統(tǒng)與電源模塊集成，控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示潛水器導(dǎo)航定位狀態(tài)并對(duì)水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、水下燈光照明、攝像、聲吶和云臺(tái)等傳感器進(jìn)行控制。

水下吸附機(jī)器人系統(tǒng)配備的水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)包括深度傳感器和姿態(tài)傳感器等，可提供水下潛水器深度、角度、傾斜等三維空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。檢測(cè)系統(tǒng)作為水下吸附機(jī)器人最主要的功能模塊，配備有5 000流明LED燈、120°旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、高清攝像頭等視頻檢測(cè)系統(tǒng)，以及特制的水下高清攝像示蹤系統(tǒng)和Blueview M900多波束圖像聲吶。

水下吸附機(jī)器人系統(tǒng)是在傳統(tǒng)浮游機(jī)器人基礎(chǔ)上，針對(duì)重力壩上游垂直壩面檢測(cè)研發(fā)的專用、高效檢測(cè)系統(tǒng)，具備水下浮游和吸附爬行兩種工作模式，搭載水下高清攝像示蹤系統(tǒng)、圖像聲吶、高清攝像、云臺(tái)和燈光等設(shè)備，具備如下功能特點(diǎn)：

（1）工作模式自由切換，適應(yīng)不同檢測(cè)條件。對(duì)于重力壩上游的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如進(jìn)水口、攔污柵等部位，可采用水下浮游功能模式進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于平整壩面，利用吸附爬行模式進(jìn)行檢測(cè)（見圖2），驅(qū)動(dòng)輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退，驅(qū)動(dòng)輪差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，電機(jī)停機(jī)實(shí)現(xiàn)壩面駐停，可有效克服浮游狀態(tài)時(shí)水下攝像頭晃動(dòng)和無法駐停等難題。

圖2 吸附爬行工作模式Fig.2 Adhesion and climbing mode

（2）搭載集成的水下高清攝像示蹤系統(tǒng)可對(duì)水下視頻檢查的缺陷部位或疑似滲漏部位進(jìn)行噴墨示蹤驗(yàn)證，用于檢查結(jié)構(gòu)縫或裂縫滲漏。

（3）搭載的多波束圖像聲吶能在低能見度環(huán)境中根據(jù)已知結(jié)構(gòu)物距離為水下吸附機(jī)器人平臺(tái)提供輔助導(dǎo)航，配合深度傳感器實(shí)現(xiàn)壩面缺陷的定位。

（4）根據(jù)固定深度下多波束圖像聲吶結(jié)果分析，可大致確定壩前淤積情況，為運(yùn)行管理提供依據(jù)。

2 重力壩水下檢測(cè)方案

根據(jù)重力壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重力壩水下檢測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容包括上游壩面混凝土缺陷、上游結(jié)構(gòu)縫缺陷和滲漏、進(jìn)水口混凝土缺陷和金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、壩前淤積等。針對(duì)以上水下檢測(cè)內(nèi)容，結(jié)合水下吸附機(jī)器人功能特點(diǎn)，提出重力壩水下檢測(cè)方案。

（1）上游結(jié)構(gòu)縫缺陷和滲漏檢測(cè)。水下吸附機(jī)器人浮游至結(jié)構(gòu)縫前方，通過推進(jìn)器控制水下吸附機(jī)器人，保持與結(jié)構(gòu)縫之間的距離，并自上而下檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，每隔0.5 m進(jìn)行水下示蹤，通過示蹤劑在水中的運(yùn)動(dòng)方式判斷是否存在滲漏。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)部位進(jìn)行仔細(xì)檢查時(shí)，控制主機(jī)吸附在垂直壩面上并駐停，對(duì)缺陷進(jìn)行詳查和滲漏示蹤攝像檢查。

（2）上游壩面混凝土缺陷檢測(cè)[10]。水下吸附機(jī)器人主機(jī)浮游至重力壩壩面前方，通過推進(jìn)器和負(fù)壓吸盤使主機(jī)吸附在上游壩面上，然后自上而下吸附爬行檢測(cè)直至底部，掉頭后偏移0.5 m 后自下而上檢測(cè)至水面，依次往復(fù)直至檢測(cè)完成。檢測(cè)過程中，主要通過高清攝像頭實(shí)時(shí)檢查壩面混凝土缺陷，當(dāng)遇到裂縫時(shí)，可沿裂縫走向進(jìn)行檢測(cè)。

（3）進(jìn)水口混凝土缺陷和金屬結(jié)構(gòu)銹蝕。主要利用水下浮游功能通過圖像聲吶進(jìn)行輔助定位，并通過高清攝像檢查進(jìn)水口混凝土破損等缺陷和攔污柵、閘門槽埋件銹蝕情況。

（4）壩前淤積。水下吸附機(jī)器人系統(tǒng)配備的Blueview M900-130 型多波束圖像聲吶可在100 m范圍內(nèi)獲取高精度水下聲吶圖像。通過測(cè)量固定水深、不同位置的聲吶圖像即可得出壩前庫底淤積線。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某水庫大壩為漿砌石重力壩，壩頂高程473.0 m，最大壩高76 m，是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖、過木等綜合效益的中型水利工程，壩后引水式電站裝機(jī)容量37.5 MW。水庫正常蓄水位470.0 m，校核洪水位470.22 m，死水位430.0 m。大壩自左向右為左岸非溢流壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段，其中右岸非溢流壩段（壩右0+067）設(shè)壩式進(jìn)水口，進(jìn)水口中心線高程427.25 m，洞徑2.5 m；發(fā)電進(jìn)水口左側(cè)布置有放空底孔，進(jìn)水口中心線高程420.0 m。

工程興建于1988年，1995年開始蓄水運(yùn)行，自工程投運(yùn)以來，大壩即存在滲漏問題。為解決大壩滲漏問題，2010 年在上游壩面重新澆筑防滲面板，高程448.0 m 以上面板厚50 cm，高程448.0 m 以下面板厚度按1/60 水頭計(jì)，設(shè)計(jì)坡比1∶0.22，底部最大厚度150 cm，表層縱、橫向鋼筋為10@150 mm，面板間設(shè)伸縮縫，間距15 m。加固后，灌漿廊道和排水廊道內(nèi)仍存在滲漏，下游壩面出現(xiàn)散浸（見圖3）。

圖3 大壩廊道及下游壩面滲漏Fig.3 Leakage in the dam gallery and downstream surface

3.2 檢測(cè)目的和內(nèi)容

大壩加固后近10年來，基本維持高水位運(yùn)行，對(duì)上游壩面未進(jìn)行過任何檢測(cè)。結(jié)合大壩滲漏情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要檢測(cè)內(nèi)容包括：（1）高程450 m以下的上游防滲面板表面巡查；（2）防滲面板結(jié)構(gòu)縫和水平施工縫缺陷及滲漏檢測(cè)；（3）進(jìn)水口和壩前淤積檢測(cè)；（4）進(jìn)水口攔污柵銹蝕檢查。

3.3 典型檢測(cè)結(jié)果

3.3.1 高程450 m以下上游防滲面板檢測(cè)

采用吸附爬行方式對(duì)上游壩面進(jìn)行巡查，檢查面積約2 100 m2。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，大壩上游防滲面板整體情況較好，防滲面板內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的缺陷和滲漏情況。個(gè)別部位存在混凝土表面不平整、露筋等缺陷，但尚不影響結(jié)構(gòu)整體性（見圖4）。放空底孔左側(cè)（高程432.0 m、樁號(hào)0+045）大壩上游壩面存在一個(gè)約40 cm×10 cm（長×高）的孔洞，洞深約5 cm，經(jīng)水下示蹤檢測(cè)未見滲漏吸入現(xiàn)象，可能為施工期留下的孔洞，但該處面板厚度不滿足設(shè)計(jì)要求，長期擋水運(yùn)行存在滲漏可能（見圖5）。

圖4 防滲面板露筋（高程444.7 m）Fig.4 Exposed reinforcing bars in the anti-seepage panel

圖5 面板混凝土孔洞（高程432.0 m）Fig.5 Holes in the concrete panel

3.3.2 水平施工縫和垂直結(jié)構(gòu)縫檢測(cè)

施工縫和結(jié)構(gòu)縫采用水下浮游模式進(jìn)行左右和上下檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電洞進(jìn)水口右側(cè)、高程448 m水平施工縫存在明顯的破損，形成一條長約40 m的破損帶，靠近進(jìn)水口6.5 m范圍內(nèi)的施工縫張開，寬2～5 cm，深約10 cm。在施工縫下部吸附駐停后，水下高清攝像示蹤檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該施工縫存在明顯滲漏，為大壩滲漏通道入口（見圖6）。

圖6 水平施工縫滲漏（高程448.0 m）Fig.6 Leakage through horizontal construction joints

防滲面板垂直結(jié)構(gòu)縫中有10條縫存在模板遺留，總長度約74 m。部分結(jié)構(gòu)縫張開，縫寬1～2 cm，縫口混凝土剝落，但示蹤檢查未見明顯滲漏吸入現(xiàn)象（見圖7）。

圖7 垂直結(jié)構(gòu)縫缺陷Fig.7 Defects of vertical structural joints

3.3.3 發(fā)電洞進(jìn)水口

進(jìn)水口采用水下浮游模式進(jìn)行檢測(cè)，圖像聲吶掃描發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口結(jié)構(gòu)完整，無明顯混凝土缺陷（見圖8）；進(jìn)水口攔污柵柵條銹蝕較嚴(yán)重（見圖9），柵前雜物較多，以樹枝、淤泥為主，堆積頂高程428.0 m左右。

圖8 進(jìn)水口聲吶圖像Fig.8 Sonar image of the water inlet

圖9 攔污柵柵條銹蝕Fig.9 Trash rack corrosion

3.3.4 壩前淤積

通過分析壩前50 m附近、高程430 m處不同位置的多波束圖像聲吶成果，壩前庫底淤積情況較嚴(yán)重，最大淤積深度16 m，發(fā)電洞進(jìn)水口前淤積至高程約423.0 m，放空底孔附近已淤積至高程約415.0 m（見圖10）。

圖10 壩前淤積高程示意圖Fig.10 Sedimentation elevation upstream of dam

3.4 檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)水下檢測(cè)結(jié)果，新建防滲面板完整性較好，結(jié)構(gòu)縫內(nèi)遺留有模板，部分結(jié)構(gòu)縫縫寬較大，但不存在明顯滲漏；發(fā)電洞進(jìn)水口右側(cè)高程448 m水平施工縫存在嚴(yán)重破損，縫口張開2～5 cm，長度約40 m，深約10 cm，示蹤檢查顯示存在明顯的吸入現(xiàn)象，為大壩滲漏通道入口；河床部位壩前淤積約16 m，發(fā)電洞進(jìn)水口前淤積至高程423 m，攔污柵前堆積較多雜物，堆積高度超過攔污柵高度的一半，嚴(yán)重影響過流；攔污柵柵條存在銹蝕。

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果，大壩新建防滲面板起到了很好的防滲作用，但作為連接面板的水平施工縫存在結(jié)構(gòu)缺陷，成為大壩滲漏通道入口，建議降低水位，對(duì)查明的滲漏施工縫進(jìn)行封閉處理。因流域多暴雨，洪水集中，攜帶沙石和樹枝等雜物堆積在壩前，導(dǎo)致壩前和進(jìn)水口前淤積嚴(yán)重，渾水發(fā)電對(duì)機(jī)組造成諸多不利影響，建議對(duì)進(jìn)水口前淤積及雜物進(jìn)行清理，確保發(fā)電安全。

4 結(jié)語

針對(duì)水下浮游機(jī)器人在水下檢測(cè)時(shí)懸浮晃動(dòng)、檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量低等問題，根據(jù)重力壩實(shí)際檢測(cè)需求，研究了一套具備水中浮游和壩面吸附爬行兩種工作模式的水下吸附機(jī)器人系統(tǒng)，并配備水下示蹤系統(tǒng)、多波束圖像聲吶系統(tǒng)、高清攝像系統(tǒng)等檢測(cè)設(shè)備。通過實(shí)際工程應(yīng)用，總結(jié)上游壩面吸附爬行巡查檢測(cè)、結(jié)構(gòu)縫懸浮檢查、異常區(qū)域吸附駐停示蹤詳查和圖像聲吶檢查淤積等檢測(cè)方案，為重力壩水下檢測(cè)提供了可行參考，實(shí)現(xiàn)了高效、安全的重力壩水下檢測(cè)。■