水下機器人在浙江省水庫大壩檢測中的初步應(yīng)用

李鐘群,孫從炎,蔣曉旺,葛雙成

(1.浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心,浙江 杭州 310012;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

由于獨特的地理位置和氣候條件,浙江歷來是洪澇干旱災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前全省已建水庫3 940余座,總庫容350多億m3,不僅從根本上減少了洪澇災(zāi)害的發(fā)生,極大地促進了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,而且已成為城鄉(xiāng)居民生活質(zhì)量和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的基本保障。但是,這些水庫工程大多建于20世紀(jì)五六十年代,由于受當(dāng)時財力、物力和技術(shù)條件等方面的限制,工程質(zhì)量往往先天不足”,尤其是中小型水庫普遍存在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量不高、設(shè)施老化破損或不完備等問題,水庫病險隱患嚴(yán)重影響經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。為此,浙江省從2003年開始啟動了“千庫保安”工程,實施除險加固和技術(shù)改造。由于受到各種因素的限制,如何有效地檢測水下結(jié)構(gòu)和設(shè)施的運行狀況是水庫除險加固和日常管理過程中經(jīng)常面臨的重要課題。

浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心和浙江省水利河口研究院共同實施的水利部“948”項目 “小型遙控水下機器人(ROV)系統(tǒng)”,將水聲技術(shù)、水下攝像、水下聲納、水下定位和機器人技術(shù)相結(jié)合,具有個頭小、操作靈活、圖像清晰、功能強大等特點,可以讓專業(yè)技術(shù)人員對水庫大壩等水下結(jié)構(gòu)狀況進行直觀了解,快速有效地查明水庫大壩水下工程結(jié)構(gòu)的隱患所在及嚴(yán)重程度,對水庫工程除險加固設(shè)計和大壩安全日常管理具有十分重要的作用。

2 水下機器人 (ROV)系統(tǒng)簡介

ROV水下機器人由水下潛器、機械臂、控制臺、短基線定位系統(tǒng)和二維多波束圖像聲納等組成。水下潛器配有1個前視彩色攝像頭、1個后視黑白攝像頭、2個LED燈、2個水面推進器和1個垂直推進器。它的最大潛深達(dá)到300m,臍帶纜150m,最大行進速度2.10m/s,前攝像頭分辨率:570線分辨率、0.3l ux廣角彩色攝像頭;180°俯仰“搖頭”范圍;后面攝像頭:430線分辨率、0.1l ux黑白攝像頭 (固定焦距)。通過控制臺可以對水下潛器進行控制以實現(xiàn)機器人移動、機械臂開關(guān)和攝像頭角度控制及調(diào)焦,并將水下拍攝的圖像經(jīng)線纜傳輸?shù)斤@示屏的同時存儲至筆記本電腦。

短基線定位系統(tǒng)(Pilot)是一個聲學(xué)跟蹤系統(tǒng),Pilot使用34～42 kHz的高頻跟蹤信號,主要功能是跟蹤水下潛器,通過定位得到機器人在水下作業(yè)時的位置的可靠信息。短基線定位系統(tǒng)由水面3個聲學(xué)換能器、定位軟件、目標(biāo)上的應(yīng)答器組成。系統(tǒng)得到的是水下目標(biāo)相對于3個換能器組成的參考相對位置,并在筆記本電腦上以雷達(dá)圖的形式進行顯示,以便對水下目標(biāo)進行相對位置定位。如果將系統(tǒng)連接GPS/DGPS,則可得到ROV的絕對位置和水面位置。

二維多波束圖像聲納類似手電筒,聲納發(fā)射的聲波遇到目標(biāo)后部分聲能量反射回聲納表面,聲納系統(tǒng)將該回波接收并處理,根據(jù)發(fā)射聲波—回波的時間長短可測量目標(biāo)距離聲納的距離;根據(jù)回波強度的大小可以獲得目標(biāo)反射聲波能力的強弱。通常,聲學(xué)硬目標(biāo) (如石頭、鋼板)反射聲波的能力強于聲學(xué)軟目標(biāo) (如橡膠塊、水、薄殼空氣腔等);軟件處理過程中可根據(jù)反射信號的強弱,將其進行顏色編碼,強回波信號用亮色(如紅色或黃色)顯示,弱回波信號用暗色 (如灰色或藍(lán)色)顯示,這樣,不同的目標(biāo)就可以在屏幕上用不同顏色的圖像進行顯示。二維多波束圖像聲納系統(tǒng)可以使機器人在能見度較低的工作環(huán)境下實現(xiàn)對目標(biāo)物體的定位和辨識。

3 實際工程應(yīng)用

3.1 永康三渡溪水庫大壩水下檢查

三渡溪水庫總庫容1 135萬m3,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪等綜合利用的中型水利工程。樞紐工程由大壩、溢洪道、發(fā)電輸水隧洞及電站組成。三渡溪水庫大壩壩型為“干砌塊石鋼筋混凝土斜墻重力壩”。壩頂高程202.26 m,基礎(chǔ)高程159.76m,壩高42.5m,壩頂長175m,寬5.5 m。由于初期設(shè)計不標(biāo)準(zhǔn)及年久失修等原因水庫大壩出現(xiàn)裂縫、位移等缺陷。由于三渡溪水庫除險加固工程的需要,故對三渡溪水庫進行了水下圖像檢查。檢查的主要內(nèi)容是三渡溪水庫主壩水面以下大壩混凝土防滲面板表面情況(包括表面沉漿縫、拼接縫、止水橡皮、修補瀝青、裸露鋼筋等)、閘門、涵洞以及攔污柵等。檢查的方法是將防滲面板進行分塊分區(qū),沿壩軸線方向自左向右每10m為一檢查區(qū)域,在發(fā)現(xiàn)有缺陷的位置,通過水平方向采用岸上樁號、垂直方向采用自動水深的方法進行定位。在發(fā)現(xiàn)缺陷部位時,通過筆記本電腦對圖像資料進行保存,并對缺陷部位的定位信息進行記錄。在對檢查的圖像資料進行分析后發(fā)現(xiàn)大壩混凝土表面有一定缺陷,混凝土表面不平整,露出砂石,多處出現(xiàn)表層混凝土剝皮現(xiàn)象。在樁號0+104～0+105m/高程194～195m、樁號0+101～0+102m/高程 193～194m、樁號0+076～0+077m/高程194～195m等位置存在3處空洞 (缺損)。樁號0+099～0+102m/高程191～192m、樁號0+092～0+094m/高程191-193m、樁號0+052～0+054m/高程192～194m等位置存在3條裂縫。圖1所示為空洞 (缺損)(樁號0+076～0+077m/高程194.72m)。

圖 1 空洞 (缺損)圖(樁號0+076～0+077 m/高程 194.72 m)

3.2 永康楊溪水庫大壩水下檢查

楊溪水庫是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。水庫壩址以上集雨面積124 m2,水庫總庫容6 453萬m3。楊溪水庫工程屬III等工程,主要建筑物由大壩、副壩、壩頂泄洪閘、輸水系統(tǒng)和電站組成。檢查的主要內(nèi)容是楊溪水庫水面以下大壩混凝土防滲面板表面情況 (包括表面沉漿縫、拼接縫、止水橡皮、修補瀝青、裸露鋼筋等)。檢查的方法是將防滲面板進行分塊分區(qū),沿壩軸線方向自左向右每10m為一檢查區(qū)域,在發(fā)現(xiàn)有缺陷的位置,通過水平方向采用岸上樁號、垂直方向采用自動水深的方法進行定位。在發(fā)現(xiàn)缺陷部位時,通過筆記本電腦對圖像資料進行保存,并對缺陷部位的定位信息進行記錄。根據(jù)此次檢查的圖像資料顯示,大壩混凝土表面不平整,露出砂石,幾處出現(xiàn)表層混凝土剝皮現(xiàn)象,幾處伸縮縫存在水泥脫落和開裂現(xiàn)象,壩墩與壩面連接處有一定出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在樁號 0+132～0+128地m/高程142.7m、樁號0+140～0+138m/高程142m、樁號 0+124～0+120 m/高程 137.5 m、樁號0+110～0+102 m/高程134.0m、樁號 0+119 m/高程142.2m、樁號0+105～0+102m/高程140m、樁號0+124～0+120m/高程142m等位置存在7條裂縫。圖2所示為樁號140～138m/高程142 m處的裂縫。

圖2 樁號0+140～0+138 m/高程142 m處裂縫圖

3.3 金華沙畈水庫大壩水下檢查

沙畈水庫以供水、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、防洪等綜合利用的浙江省重點水利建設(shè)項目。控制流域面積131 km2,總庫容8 555萬m3,大壩類型是細(xì)骨料砌石重力壩,壩高76m,壩頂長273m。檢查的主要內(nèi)容是沙畈水庫水面以下大壩混凝土防滲面板表面情況(包括表面沉漿縫、拼接縫、止水橡皮、修補瀝青、裸露鋼筋)、閘門、涵洞以及攔污柵等。檢查的方法是將防滲面板進行分塊分區(qū),沿壩軸線方向自左向右每10m為一檢查區(qū)域,在發(fā)現(xiàn)有缺陷的位置,通過水平方向采用岸上樁號、垂直方向采用自動水深的方法進行定位。在發(fā)現(xiàn)缺陷部位時,通過筆記本電腦對圖像資料進行保存,并對缺陷部位的定位信息進行記錄。根據(jù)這次檢查的圖像資料顯示,大壩混凝土表面整體良好,但局部部位也存在麻面、蜂窩等缺陷。

4 水下機器人檢測的特點

根據(jù)永康三渡溪水庫和楊溪水庫,金華安地水庫和沙畈水庫等大壩及出水口的水下圖像檢查情況及工作體會,水下機器人(ROV)系統(tǒng)具有以下特點。

下潛深度大:最大潛深達(dá)到300 m,臍帶纜150 m,可以滿足現(xiàn)在省內(nèi)所有水庫大壩的檢測。行進速度快:最大行進速度2.10m/s,可以大大的提高檢測效率,基本在1個星期內(nèi)完成1個水庫的檢查工作。水下攝像頭分辨率高:在較好的水體環(huán)境條件下,可以清晰顯示水庫大壩裂縫、空洞(缺損)等破損和病變現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂縫、空洞(缺損)等破損病變問題時,可通過定位系統(tǒng)進行定位,并對缺陷部位進行記錄。在水質(zhì)條件較差的情況下,通過水下機器人攜帶的二維多波束聲納可以實現(xiàn)對目標(biāo)的定位和辨識?？赏ㄟ^臍帶纜將水下視頻傳輸?shù)焦P記本電腦,進行分類保存,得到水庫大壩、水閘等水下工程設(shè)施運行現(xiàn)狀的較直觀圖像。

但是,水下機器人 (ROV)系統(tǒng)在工程應(yīng)用中仍存在較大的局限性。只能發(fā)現(xiàn)水庫大壩、水閘等水下工程設(shè)施的表面情況,無法檢查內(nèi)部缺陷。在水體渾濁和表面附著物較多的條件下無法檢查缺陷的細(xì)致情況,只能通過聲納系統(tǒng)形成一個抽象的多波束聲納成像圖。即便對裂縫、空洞 (缺損)等表面缺陷,無法準(zhǔn)確量測其長度、寬度、深度,也難以精確定位。水下機器人通過臍帶纜與控制臺連接,在水下結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下,臍帶纜非常容易發(fā)生纏繞、劃傷等現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

浙江省眾多水庫大壩和水閘存在著不同程度的裂縫、滲漏等隱患,應(yīng)用水下機器人 (ROV)系統(tǒng)開展水下檢查工作,對水庫大壩安全鑒定和除險加固,使水庫發(fā)揮應(yīng)有的社會效益和經(jīng)濟效益,具有較重要的意義。