田金章，譚界雄，雷 勇，賈強強

（1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北武漢，430010；2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北武漢，430010；3.流域水安全保障湖北省重點實驗室，湖北武漢，430010；4.浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，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]。但隨著時間推移，重力壩特別是早期建設的漿砌石重力壩出現(xiàn)了滲漏、混凝土結構缺陷等病害[2-3]，而位于水面以下的缺陷，潛水員檢查風險大、效率低，且水深超過60 m時，常規(guī)空氣潛水無法實施。

隨著水下機器人技術的發(fā)展和應用，采用水下機器人對建筑物水下缺陷、滲漏等進行檢測已取得一定成果[4]。黃澤孝[5]等人將水下機器人應用在隧洞檢測中，對混凝土底板磨損、表面缺陷和結合部位進行了檢查；鄭發(fā)順[6]總結了遙控水下機器人系統(tǒng)在水庫大壩水下檢查中的作業(yè)步驟，對不同檢查條件下的應用進行了研究；李永龍[7]等人總結了水下機器人在水利水電工程應用中的關鍵技術和典型應用工況。以上研究為水下機器人在水利工程中的應用奠定了良好的基礎，但主要為利用現(xiàn)有浮游式水下機器人平臺進行的應用研究，針對特定壩型的水下機器人系統(tǒng)，應用研究還不充分。筆者針對重力壩上游壩面對高效水下檢測的需求，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器人系統(tǒng)，并在實際工程中進行了應用，取得了較好的應用效果。

1 水下吸附機器人系統(tǒng)研究

水下機器人是一種通過搭載不同的檢測或作業(yè)工具執(zhí)行特定任務的水下潛水器。根據(jù)作業(yè)空間、操作方式和動力特點，通常將水下機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器人（ROV）和自治水下機器人（AUV）。在水利水電工程中，有纜遙控水下機器人應用最為廣泛[8-9]。

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

水下吸附機器人主機（見圖1）包括聚乙烯框架（含浮材）、框架下部的后驅移動底盤、框架四角的推進器、負壓吸盤和電子倉等部分。后驅移動底盤由四個直徑8 cm 的車輪和兩個帶驅動器的無刷直流減速電機組成，固定于框架下部。為實現(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)轉換，在框架四周布置八個推進器。每個角布置一個水平推進器和一個垂直推進器。負壓吸盤位于框架的中心，裝有離心葉輪式吸盤和驅動電機，為主機提供負壓吸力，使主機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的連接中樞，電子倉通過臍帶纜與岸上控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)岸上對水下潛水器的控制、潛水器姿態(tài)反饋、檢測結果數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 水下吸附機器人Fig.1 Underwater adhesion robot

水下吸附機器人臍帶纜采用銅芯電纜，400 V直流供電，檢測結果數(shù)據(jù)和控制信號通過載波傳輸。臍帶纜長度200 m，岸上配備手動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)可實時顯示潛水器導航定位狀態(tài)并對水下運動姿態(tài)、水下燈光照明、攝像、聲吶和云臺等傳感器進行控制。

水下吸附機器人系統(tǒng)配備的水下導航定位系統(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動姿態(tài)。檢測系統(tǒng)作為水下吸附機器人最主要的功能模塊，配備有5 000流明LED燈、120°旋轉云臺、高清攝像頭等視頻檢測系統(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。

水下吸附機器人系統(tǒng)是在傳統(tǒng)浮游機器人基礎上，針對重力壩上游垂直壩面檢測研發(fā)的專用、高效檢測系統(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、云臺和燈光等設備，具備如下功能特點：

（1）工作模式自由切換，適應不同檢測條件。對于重力壩上游的復雜結構，如進水口、攔污柵等部位，可采用水下浮游功能模式進行檢測；對于平整壩面，利用吸附爬行模式進行檢測（見圖2），驅動輪同向轉動實現(xiàn)前進、后退，驅動輪差速運動實現(xiàn)轉彎，電機停機實現(xiàn)壩面駐停，可有效克服浮游狀態(tài)時水下攝像頭晃動和無法駐停等難題。

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)可對水下視頻檢查的缺陷部位或疑似滲漏部位進行噴墨示蹤驗證，用于檢查結構縫或裂縫滲漏。

（3）搭載的多波束圖像聲吶能在低能見度環(huán)境中根據(jù)已知結構物距離為水下吸附機器人平臺提供輔助導航，配合深度傳感器實現(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果分析，可大致確定壩前淤積情況，為運行管理提供依據(jù)。

2 重力壩水下檢測方案

根據(jù)重力壩結構特點，重力壩水下檢測的重點內容包括上游壩面混凝土缺陷、上游結構縫缺陷和滲漏、進水口混凝土缺陷和金屬結構銹蝕、壩前淤積等。針對以上水下檢測內容，結合水下吸附機器人功能特點，提出重力壩水下檢測方案。

（1）上游結構縫缺陷和滲漏檢測。水下吸附機器人浮游至結構縫前方，通過推進器控制水下吸附機器人，保持與結構縫之間的距離，并自上而下檢測。檢測時，每隔0.5 m進行水下示蹤，通過示蹤劑在水中的運動方式判斷是否存在滲漏。當需要對某個部位進行仔細檢查時，控制主機吸附在垂直壩面上并駐停，對缺陷進行詳查和滲漏示蹤攝像檢查。

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

（3）進水口混凝土缺陷和金屬結構銹蝕。主要利用水下浮游功能通過圖像聲吶進行輔助定位，并通過高清攝像檢查進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范圍內獲取高精度水下聲吶圖像。通過測量固定水深、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）設壩式進水口，進水口中心線高程427.25 m，洞徑2.5 m；發(fā)電進水口左側布置有放空底孔，進水口中心線高程420.0 m。

工程興建于1988年，1995年開始蓄水運行，自工程投運以來，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，設計坡比1∶0.22，底部最大厚度150 cm，表層縱、橫向鋼筋為10@150 mm，面板間設伸縮縫，間距15 m。加固后，灌漿廊道和排水廊道內仍存在滲漏，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 檢測目的和內容

大壩加固后近10年來，基本維持高水位運行，對上游壩面未進行過任何檢測。結合大壩滲漏情況和結構特點，主要檢測內容包括：（1）高程450 m以下的上游防滲面板表面巡查；（2）防滲面板結構縫和水平施工縫缺陷及滲漏檢測；（3）進水口和壩前淤積檢測；（4）進水口攔污柵銹蝕檢查。

3.3 典型檢測結果

3.3.1 高程450 m以下上游防滲面板檢測

采用吸附爬行方式對上游壩面進行巡查，檢查面積約2 100 m2。根據(jù)檢測結果，大壩上游防滲面板整體情況較好，防滲面板內未發(fā)現(xiàn)較嚴重的缺陷和滲漏情況。個別部位存在混凝土表面不平整、露筋等缺陷，但尚不影響結構整體性（見圖4）。放空底孔左側（高程432.0 m、樁號0+045）大壩上游壩面存在一個約40 cm×10 cm（長×高）的孔洞，洞深約5 cm，經水下示蹤檢測未見滲漏吸入現(xiàn)象，可能為施工期留下的孔洞，但該處面板厚度不滿足設計要求，長期擋水運行存在滲漏可能（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構縫檢測

施工縫和結構縫采用水下浮游模式進行左右和上下檢測，發(fā)現(xiàn)發(fā)電洞進水口右側、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，靠近進水口6.5 m范圍內的施工縫張開，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

防滲面板垂直結構縫中有10條縫存在模板遺留，總長度約74 m。部分結構縫張開，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 垂直結構縫缺陷Fig.7 Defects of vertical structural joints

3.3.3 發(fā)電洞進水口

進水口采用水下浮游模式進行檢測，圖像聲吶掃描發(fā)現(xiàn)進水口結構完整，無明顯混凝土缺陷（見圖8）；進水口攔污柵柵條銹蝕較嚴重（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重，最大淤積深度16 m，發(fā)電洞進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 檢測結果分析

根據(jù)水下檢測結果，新建防滲面板完整性較好，結構縫內遺留有模板，部分結構縫縫寬較大，但不存在明顯滲漏；發(fā)電洞進水口右側高程448 m水平施工縫存在嚴重破損，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，嚴重影響過流；攔污柵柵條存在銹蝕。

根據(jù)以上檢測結果，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構缺陷，成為大壩滲漏通道入口，建議降低水位，對查明的滲漏施工縫進行封閉處理。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，導致壩前和進水口前淤積嚴重，渾水發(fā)電對機組造成諸多不利影響，建議對進水口前淤積及雜物進行清理，確保發(fā)電安全。

4 結語

針對水下浮游機器人在水下檢測時懸浮晃動、檢測結果質量低等問題，根據(jù)重力壩實際檢測需求，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)等檢測設備。通過實際工程應用，總結上游壩面吸附爬行巡查檢測、結構縫懸浮檢查、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方案，為重力壩水下檢測提供了可行參考，實現(xiàn)了高效、安全的重力壩水下檢測。■