徐 瑛 孫世泉

[重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展（集團(tuán)）有限公司 重慶 401147]

水庫(kù)運(yùn)行期間可能發(fā)生的病害險(xiǎn)情主要包括庫(kù)底滲漏和大壩變形失穩(wěn)兩個(gè)方面。本項(xiàng)目為基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的水庫(kù)遠(yuǎn)程智能監(jiān)管系統(tǒng)，主要包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、專(zhuān)家?guī)旌凸こ滩克膫€(gè)部分。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為布設(shè)在轄區(qū)內(nèi)各個(gè)水庫(kù)周邊且搭載物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（降雨、水位、庫(kù)底流速等）監(jiān)測(cè)水庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器；數(shù)據(jù)處理平臺(tái)接收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果異常，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)APP通知專(zhuān)業(yè)人士“會(huì)診”；專(zhuān)家?guī)靹t是對(duì)“異?！睌?shù)據(jù)作出進(jìn)一步分析預(yù)判，讓數(shù)據(jù)“說(shuō)話(huà)”使其準(zhǔn)確反映水庫(kù)的安全狀態(tài)；若判定該水庫(kù)屬于應(yīng)急搶險(xiǎn)類(lèi)，專(zhuān)家再給出工程處治的建議，并督促水庫(kù)管理部門(mén)及時(shí)開(kāi)展水庫(kù)保護(hù)的工作。

一、研究背景

目前我國(guó)是世界上擁有水庫(kù)大壩最多的國(guó)家，土石壩占到了總數(shù)的95%以上，而其中于20世紀(jì)80年代以前建成的老壩大約占95%。同時(shí)我國(guó)也是世界上擁有200米級(jí)以上高壩最多的國(guó)家，目前世界建成的200米級(jí)以上高壩77座，我國(guó)有20座，占26%；在建的200米級(jí)以上高壩19座，我國(guó)就有12座，占63%。從2010年至2015年，我國(guó)大中型水庫(kù)也在逐年增加。雖然近10年來(lái)我國(guó)進(jìn)行了大規(guī)模的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固，但水庫(kù)大壩數(shù)量多、土石壩多，水庫(kù)病險(xiǎn)概率高的情況無(wú)法立刻得到緩解，其中引發(fā)事故最主要的原因就是水庫(kù)滲漏。導(dǎo)致水庫(kù)滲漏的影響因素是多方面的，包括筑壩質(zhì)量、筑壩材料、地質(zhì)環(huán)境、水文氣象條件、水庫(kù)庫(kù)齡和管理者水平等等。比如，水庫(kù)壩體施工操作不規(guī)范、筑壩材料的質(zhì)量差，管理不善，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中操作不當(dāng)?shù)鹊仍颍伎赡芤鹚畮?kù)的滲漏。此外，土石壩相較重力壩、拱壩而言，更容易出現(xiàn)滲漏和因滲漏導(dǎo)致的險(xiǎn)情。由于水庫(kù)具有大壩數(shù)量多、壩型復(fù)雜多變、水庫(kù)病險(xiǎn)概率高的特點(diǎn)，一旦水庫(kù)發(fā)生潰壩，其災(zāi)難性的后果無(wú)法估量[1]。

目前所有的水庫(kù)防滲漏處理技術(shù)都是“亡羊補(bǔ)牢式”工程處治，沒(méi)有實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警處理，都是滲漏到一定危險(xiǎn)程度后才發(fā)現(xiàn)、整治。這樣非常容易發(fā)生重大事故，造成難以估量的損失，并且善后處理花費(fèi)巨大。因此本項(xiàng)目提出水庫(kù)實(shí)時(shí)檢測(cè)、微小滲透問(wèn)題治理措施及數(shù)據(jù)的云共享等方案，提前進(jìn)行預(yù)防措施，避免不必要災(zāi)難的發(fā)生。

二、設(shè)計(jì)原理

（一）設(shè)計(jì)思路

為了及時(shí)的監(jiān)測(cè)出水庫(kù)的滲漏情況，現(xiàn)通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，對(duì)水庫(kù)中水流速度方向等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，即可完成對(duì)水庫(kù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并發(fā)現(xiàn)滲漏等問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，為了有效地解決滲漏問(wèn)題，而不是上述所說(shuō)的亡羊補(bǔ)牢地對(duì)其進(jìn)行處置，我們現(xiàn)在提出并設(shè)計(jì)了能有效解決滲漏問(wèn)題防滲毯。該新型膨潤(rùn)土防水毯在實(shí)際的防水過(guò)程中主要是利用膨潤(rùn)土遇水之后的低透水性和高膨脹性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了精準(zhǔn)有效地鋪設(shè)防滲毯，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一款水下鋪裝機(jī)器人，該機(jī)器人攜帶新型膨潤(rùn)土防滲毯進(jìn)入水中后通過(guò)遠(yuǎn)程控制端的控制與定位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)到達(dá)施工地點(diǎn)，并通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)高效鋪裝的目的。施工完畢后通過(guò)操控機(jī)器人能駛出水面被回收。經(jīng)過(guò)這一系列過(guò)程后，再次對(duì)水庫(kù)的水流和指定位置的監(jiān)測(cè)，檢查滲漏問(wèn)題是否解決[2]。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防滲毯：新型膨潤(rùn)土防滲毯在遇到水的情況下會(huì)形成密度比較高的黏稠狀膠體橫向防水層，這個(gè)防水層大約有3mm厚，它的透水性相當(dāng)于是30厚度黏土透水性的100倍，抗?jié)B的靜水壓能夠達(dá)到1mp以上?？?jié)B性能非常強(qiáng)，新型膨潤(rùn)土防水毯在實(shí)際的防水過(guò)程中主要是利用膨潤(rùn)土遇水之后的低透水性和高膨脹性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在膨潤(rùn)土防水毯中高鈉膨潤(rùn)土的密實(shí)度很高。這樣就有比較多的膨潤(rùn)土來(lái)吸水膨脹橫向連接然后形成連續(xù)的防水墻。出現(xiàn)漏水點(diǎn)的概率比較小。而且很容易保證實(shí)際的施工質(zhì)量，同時(shí)還能夠?qū)p微的裂縫和損傷進(jìn)行有效的填補(bǔ)所以說(shuō)新型膨潤(rùn)土防水毯的整體連接性也比較好。新型膨潤(rùn)土是一種天然的無(wú)機(jī)材料，蒙脫石是它的主要礦物成分，不會(huì)對(duì)人體造成傷害，同時(shí)也不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成污染，整個(gè)膨脹防滲的過(guò)程是一個(gè)物理變化過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何有毒物質(zhì)。在實(shí)際的使用過(guò)程中即使是把膨潤(rùn)土防水毯長(zhǎng)期埋在地下或者當(dāng)周?chē)h(huán)境發(fā)生變化的時(shí)候，新型膨潤(rùn)土防水毯都不會(huì)出現(xiàn)腐蝕或者老化的情況，且不會(huì)對(duì)周?chē)牡乩憝h(huán)境造成影響，所以膨潤(rùn)土防水毯的環(huán)保性能非常好。因?yàn)榕驖?rùn)土防水毯在實(shí)際的膨脹過(guò)程中是一個(gè)物理變化過(guò)程，在干燥條件下膨潤(rùn)土?xí)詣?dòng)地恢復(fù)成原來(lái)的分子結(jié)構(gòu)，所以膨潤(rùn)土的脹縮過(guò)程可以反復(fù)地進(jìn)行，這樣膨潤(rùn)土防水毯在經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的使用時(shí)間后依然能夠保證很好的防滲性能。所以膨潤(rùn)土防水毯的使用壽命比較長(zhǎng)。它的界面摩擦特性也比較好，所以在對(duì)那些陡坡地方進(jìn)行處理的時(shí)候也比較容易。同時(shí)也能夠很好保證接縫處的密封性，膨潤(rùn)土防水毯的抗凍融性比較好。對(duì)溫度的變化情況不是很敏感，在溫度條件比較差的情況下有些傳統(tǒng)防水材料無(wú)法施工，而新型膨潤(rùn)土防水毯卻能夠進(jìn)行正常的施工，在溫度比較寒冷的情況也不會(huì)出現(xiàn)折斷的情況，因此在我國(guó)各個(gè)地區(qū)都比較適合使用新型膨潤(rùn)土防水毯。采用新型膨潤(rùn)土防水毯的防滲工程在施工完成后也不需要進(jìn)行特別的檢查，如閉水試驗(yàn)等。如果在實(shí)際施工過(guò)程中出現(xiàn)一定的缺陷也很容易進(jìn)行修補(bǔ)。因?yàn)榕驖?rùn)土的膨脹性比較好，所以如果在實(shí)際的使用過(guò)程中防水毯出現(xiàn)刺破的現(xiàn)象漏水點(diǎn)也會(huì)因?yàn)榕驖?rùn)土的橫向遷移而自動(dòng)愈合，在防水材料的施工中膨潤(rùn)土防水毯的施工工期是最短的。

水下鋪裝機(jī)器人：該機(jī)器人要解決機(jī)器人在水下的復(fù)雜環(huán)境的穩(wěn)定性、靈活性和推進(jìn)性和實(shí)現(xiàn)對(duì)于有滲漏水庫(kù)和需要解決水體滲漏問(wèn)題的地帶的防滲設(shè)施的水下鋪裝功能，包括：機(jī)身、控制裝置、行走機(jī)構(gòu)、電機(jī)、控制中心、螺旋槳背推裝置、鋪設(shè)構(gòu)件、前置輔助推進(jìn)構(gòu)件。行走機(jī)構(gòu)有兩個(gè)，分別安裝在機(jī)身左右側(cè)，行走電機(jī)有兩個(gè)，分別裝于機(jī)身內(nèi)部左右側(cè)，所述噴射裝置在機(jī)身頂部共6個(gè)，鋪設(shè)機(jī)構(gòu)在機(jī)身尾部，前置推進(jìn)部件安裝在機(jī)身前端，控制中心在機(jī)身內(nèi)部中央。控制中心功能包括指令接收與處理、定位、行走控制、鋪裝構(gòu)件控制、鋪裝部件控制、螺旋槳背推裝置控制。本發(fā)明將螺旋槳背推裝置集成到機(jī)器人中，可提供豎直平面360度的動(dòng)力，鋪裝構(gòu)件的加裝可以完成水下的鋪裝作業(yè)，前置輔助推進(jìn)部件的布置可以對(duì)機(jī)器人行走過(guò)程中前方障礙進(jìn)行推離排開(kāi)。通過(guò)對(duì)幾個(gè)裝置的加裝布置，對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力方面、行進(jìn)方向的改變方面、水下推進(jìn)能力有不小的提升，與此同時(shí)對(duì)于鋪裝裝置的加入使得水下機(jī)器人有能力完成水下鋪裝作業(yè)。降低了工人的勞動(dòng)程度，甚至完成了工人無(wú)法完成的工作，提高了工作效率，通過(guò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行密封和防腐蝕處理，使其能夠適應(yīng)水庫(kù)等復(fù)雜水體的工作條件。

此機(jī)器人行走裝置通過(guò)對(duì)坦克行進(jìn)裝置的借鑒（即通過(guò)履帶行進(jìn)），可以增加機(jī)器人水下行走的穩(wěn)定性，加之頂部可變向螺旋背推裝置的加入，既能提高機(jī)器人在前進(jìn)推力、制動(dòng)力，豎直方向的運(yùn)動(dòng)能力（即機(jī)器人的定點(diǎn)到位能力，翻越障礙的能力）。這樣一來(lái)機(jī)器人就能更好地到達(dá)指定位置完成鋪裝作業(yè)，即使遇到水下有較大型障礙物也能進(jìn)行翻越不至于受阻、水中有較強(qiáng)烈渦流等復(fù)雜水流狀況時(shí)，也能通過(guò)機(jī)器人頂部背推裝置推動(dòng)方向的改變使得機(jī)器人的水下平穩(wěn)作業(yè)能力得到大幅提升，尾部的鋪裝部件通過(guò)控制中心對(duì)該部件中電機(jī)的控制使裝裹了防滲毯（等相關(guān)防滲物質(zhì)）的滾筒能勻速向外放出，并進(jìn)行平穩(wěn)鋪裝。前置的錐形推進(jìn)裝置用于行進(jìn)中機(jī)器人正前方障礙的排除，可有效地將所遇到的不大于機(jī)器人大小的障礙物排開(kāi)，這既能是機(jī)器人能平穩(wěn)地向前推進(jìn)，并為防滲體的鋪設(shè)鋪平了道路，使得鋪上的防滲體更平整以至于更好地發(fā)揮最大作用?？刂浦行慕邮苓h(yuǎn)程控制端控制，由控制端發(fā)出指令，指令包括啟動(dòng)指令，制動(dòng)指令，鋪裝指令，背推螺旋槳方向變動(dòng)指令，螺旋槳整體角度變動(dòng)指令，螺旋槳速度變化指令，行進(jìn)速度指令等一系列指令。使得該機(jī)器人能勝任復(fù)雜水體下的鋪裝作業(yè)。

三、創(chuàng)新特色

1.建立水庫(kù)檔案，通過(guò)轄區(qū)內(nèi)調(diào)查走訪(fǎng)，為每一座水庫(kù)建立檔案；

2.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況；

3.通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建立可靠算法，分析水庫(kù)的安全性；

4.建設(shè)針對(duì)性強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)——專(zhuān)家?guī)欤?/p>

5.遠(yuǎn)程辦公，運(yùn)籌帷幄，專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)可在市內(nèi)基地總部辦公；

6.將水庫(kù)險(xiǎn)情及時(shí)發(fā)送給主管部門(mén)，各方實(shí)行信息共享；

7.包含若干項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)；

8.項(xiàng)目具有一定的商業(yè)價(jià)值，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新空間大，具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。

四、應(yīng)用前景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)87 076座（2014年7月），其中95%以上的水庫(kù)為土石壩，土石壩的防滲性能較差，不能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求。具體表現(xiàn)為：土石壩的下游側(cè)沒(méi)有排水設(shè)施，或現(xiàn)存排水設(shè)施已經(jīng)失效；涵管外壁和壩體的連接部位存在一定程度的沖刷；壩基清基工作不夠徹底，基巖沒(méi)有使用有效防滲措施；漿砌石壩砌體的密實(shí)度不足，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細(xì)小裂縫，引發(fā)滲漏。從2004年水利部統(tǒng)計(jì)的水庫(kù)病險(xiǎn)不達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)看，大型水庫(kù)有51座、中型水庫(kù)196座、小型水庫(kù)14 000座，在這些水庫(kù)中，病險(xiǎn)水庫(kù)約占50%以上[3]。

五、結(jié)束語(yǔ)

從上述敘述可以看出，正是國(guó)際上對(duì)于該產(chǎn)品的巨大需求量，而目前經(jīng)過(guò)調(diào)研，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的產(chǎn)品。尤其是國(guó)內(nèi)巨大的水庫(kù)數(shù)量的實(shí)際運(yùn)行需求，為我們的產(chǎn)品提供了良好的市場(chǎng)空間。

本項(xiàng)目中自己生產(chǎn)設(shè)備、開(kāi)發(fā)技術(shù)，將一切核心技術(shù)保密，水庫(kù)的治理更加生態(tài)，更加便捷，不僅節(jié)約了人力檢測(cè)的高額人工費(fèi)用，也避免了人力檢測(cè)帶來(lái)的各種負(fù)面影響；更將數(shù)據(jù)分析結(jié)合，使后續(xù)治理更加準(zhǔn)確便捷，節(jié)約了大量人力及資金；并將后續(xù)可能發(fā)生的險(xiǎn)情作出預(yù)測(cè)，提前準(zhǔn)備，避免了不必要的人員、物資損失。此項(xiàng)目會(huì)以當(dāng)前試點(diǎn)的模式，繼續(xù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，不斷優(yōu)化，更加適應(yīng)于市場(chǎng)。

本項(xiàng)目中最為核心的財(cái)產(chǎn)就是核心技術(shù)開(kāi)發(fā)人員，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科研人員的不斷開(kāi)發(fā)研究，完善設(shè)備，使它更加智能化，高端化，更加適用于水庫(kù)滲透治理，使水庫(kù)治理更加的快速便捷、低成本。