基于管道機器人技術(shù)的高面板堆石壩內(nèi)部變形測量方法

何 斌，孫汝建，何 寧，3，周彥章，3，汪璋淳，張 賢，梅聚福

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029;2.水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京210029;3.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京210029)

近年來，我國混凝土面板堆石壩建設(shè)面臨著向300 m級壩高發(fā)展的挑戰(zhàn)，已規(guī)劃建設(shè)多座300 m級高面板堆石壩。針對高面板堆石壩的工程特點，迫切需要解決包括安全監(jiān)測技術(shù)在內(nèi)的諸多關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)相關(guān)成熟可靠的配套技術(shù)，為我國修建300m級高面板堆石壩提供技術(shù)支撐。

經(jīng)過多年來國家科技攻關(guān)項目開發(fā)研究和工程實踐探索改進，我國在100 m級高堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)方面已較為成熟;20世紀80年代以來，面板堆石壩高度由100 m級提升到200 m級，其內(nèi)部變形測量仍沿用100 m級面板堆石壩安全監(jiān)測所采用的水管式沉降計和引張線式水平位移計。由于水管式沉降計和引張線式水平位移計的測量管線長度約為壩高的3.5倍_，隨著壩高增加，使得高面板堆石壩內(nèi)部變形測量系統(tǒng)誤差成倍增加[1]。昆明勘察設(shè)計研究院有限公司對我國4座200 m級典型面板堆石壩的內(nèi)部變形監(jiān)測資料表明，常規(guī)水管式沉降計和引張線式水平位移計已不能滿足200 m級面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)及精度要求[2]。

目前我國面板堆石壩設(shè)計理論及施工技術(shù)已達到世界先進水平，取得了舉世矚目的成就;但有關(guān)面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展明顯滯后于高面板堆石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，許多監(jiān)測技術(shù)及方法仍然停留在100 m級壩高水平，傳統(tǒng)測量手段已難以適應(yīng)300 m級高面板堆石壩安全監(jiān)測的技術(shù)要求[3－5]。針對上述問題，本文提出一種不同于傳統(tǒng)面板堆石壩內(nèi)部變形測量方法的新型監(jiān)測技術(shù)和新的設(shè)計理念，突破傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，在總結(jié)高面板堆石壩內(nèi)部變形測量方法基本技術(shù)要求、關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，分別對管道機器人變形監(jiān)測的沉降和水平位移測量進行誤差控制分析，開發(fā)研制出能夠測量1 000 m管線長度的大壩內(nèi)部變形管道機器人監(jiān)測系統(tǒng)[6]，通過1∶1等比尺模型試驗測試及測量成果對比分析，驗證了利用管道機器人技術(shù)測量高面板堆石壩內(nèi)部變形的可行性及適用性。該設(shè)計理念及測量技術(shù)方法能夠解決300 m級高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測的難題，為我國將來擬建300 m級高面板堆石壩提供有效的內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)。

1 高面板堆石壩內(nèi)部變形測量方法

1.1 基本技術(shù)要求

根據(jù)當(dāng)前大壩安全監(jiān)測工作需要以及300 m級高面板堆石壩結(jié)構(gòu)特性，新型的高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測儀器設(shè)備應(yīng)滿足以下基本技術(shù)要求:(1)結(jié)構(gòu)簡單、可靠;(2)滿足工程測量精度要求;(3)適應(yīng)壩體內(nèi)部惡劣工作條件;(4)長期穩(wěn)定工作;(5)設(shè)備可維護、可更換;(6)滿足自動控制和自動化數(shù)據(jù)采集要求;(7)具備人工或自動操作功能;(8)監(jiān)測管線達到1 000 m或以上。

1.2 基于管道機器人技術(shù)的變形測量方法

根據(jù)高面板堆石壩結(jié)構(gòu)特性及其內(nèi)部變形測量的基本技術(shù)要求，結(jié)合管道機器人的工作特點，施工過程中，在高壩內(nèi)部監(jiān)測高程布設(shè)與壩體斷面長度相同的超長距離監(jiān)測管路，采用專用機器人攜帶各種測量設(shè)備進入監(jiān)測管道內(nèi)部，監(jiān)測大壩內(nèi)部變形。利用管道機器人技術(shù)監(jiān)測高面板堆石壩內(nèi)部變形的測量方法從原理上改進了傳統(tǒng)的面板堆石壩內(nèi)部變形測量方法，提出一種新的設(shè)計思路及測量理念，監(jiān)測管道長度可達到1 000 m以上，是解決300 m級高面板堆石壩大體積超長斷面內(nèi)部變形監(jiān)測難題的可選方法。

(1)工作原理

高面板堆石壩內(nèi)部需要進行變形監(jiān)測的高程或設(shè)計位置布設(shè)一套能夠跟隨壩體同步變形的監(jiān)測管路，管路長度與壩體斷面長度相同;能夠在管路內(nèi)自動行進的小型機器人攜帶各種傳感器和測量設(shè)備，按設(shè)計要求定期進入監(jiān)測管路到達高面板堆石壩內(nèi)部，采用直接測量的方式檢測和測量壩體內(nèi)管路沿線各部位的變形情況;采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理，得到壩體內(nèi)部變形結(jié)果。大壩內(nèi)部變形監(jiān)測管道機器人系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 管道機器人監(jiān)測大壩內(nèi)部變形工作原理示意圖

(2)功能特點

大壩內(nèi)部變形監(jiān)測管道機器人系統(tǒng)具備以下主要功能特點:① 能夠測量1 000 m以上超長監(jiān)測管路變形，監(jiān)測管路結(jié)構(gòu)簡單，測點數(shù)量和位置不受限制;②使用高精度儀器直接測量壩體內(nèi)部變形;③全方位數(shù)據(jù)采集，包括位置、距離、速度、方向、溫度、垂直位移及水平位移等數(shù)據(jù);④ 實時信息傳輸及數(shù)據(jù)保存，實時數(shù)據(jù)處理和分析。

(3)壩體內(nèi)部變形測量方法

管道機器人系統(tǒng)采用傾角方法測量及計算堆石壩內(nèi)部沉降，測量方法原理見圖2。管道機器人攜帶高精度傾角傳感器進入監(jiān)測管道，根據(jù)設(shè)置的間隔距離L沿測點1、測點2、……的順序測量各個測點傾角θi，從而計算出堆石壩內(nèi)部的各測點沉降Si=ΣΔHi=ΣL×sinθi，式中:L為相鄰兩測點間隔距離(即單節(jié)管長);θi為測點傾角變化值。面板堆石壩壩體內(nèi)部堆石體產(chǎn)生水平位移時，監(jiān)測管路及其活動接頭跟隨堆石體位移，管道機器人進入管道內(nèi)部，用相應(yīng)儀器按行進順序逐個測量各測點接頭的位移ΔL即可計算出大壩內(nèi)部各測點位置的水平位移。

圖2 壩體內(nèi)部沉測量方法原理示意圖

1.3 變形監(jiān)測管道機器人系統(tǒng)設(shè)計

大壩內(nèi)部變形監(jiān)測管道機器人系統(tǒng)設(shè)計主要包括:管道系統(tǒng)、管道機器人及其測量系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和外部監(jiān)控系統(tǒng)[7－8]。

(1)變形監(jiān)測管道系統(tǒng)

變形監(jiān)測管道系統(tǒng)是一條專用管道，是大壩內(nèi)部變形監(jiān)測管道機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測要求，施工過程中，在壩體內(nèi)部需要進行變形監(jiān)測的高程或設(shè)計位置埋設(shè)一條永久性監(jiān)測管道，便于管道機器人進出大壩內(nèi)部進行測量作業(yè)。

(2)管道機器人及其測量系統(tǒng)

管道機器人及其測量系統(tǒng)設(shè)計的核心為高度機電一體化的測量控制系統(tǒng)，集成應(yīng)用性較強的電子、傳感器、精密機械等多種元器件，即測量專用的管道機器人，包括行走系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等。

(3)信息傳輸系統(tǒng)

信息傳輸系統(tǒng)承擔(dān)管道機器人與外部監(jiān)控系統(tǒng)的通信和信息傳輸，使得外部監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r了解機器人工作狀態(tài)，以發(fā)布操作指令和收集采集數(shù)據(jù)。信息傳輸系統(tǒng)主要包括傳輸介質(zhì)、傳輸設(shè)備和傳輸協(xié)議。根據(jù)信息傳輸內(nèi)容和性質(zhì)，傳輸介質(zhì)可以選擇電纜、光纜或無線傳輸介質(zhì)，如需要外部供電，則需采用電纜;傳輸設(shè)備包括與傳輸介質(zhì)匹配的通信接口、接收和發(fā)送設(shè)備以及有纜通信所必須的線纜自動繞線裝置;傳輸協(xié)議包括通信方式、工作頻率、數(shù)據(jù)格式、校驗方法等。

(4)外部監(jiān)控系統(tǒng)

外部監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控計算機、傳輸單元以及視頻接收單元和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，外部監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備一般設(shè)置在觀測房，或遠程傳輸?shù)街行臋C房。

2 基于管道機器人技術(shù)的變形測量誤差控制分析

2.1 沉降測量誤差控制分析

大壩內(nèi)部變形監(jiān)測管道機器人系統(tǒng)測量堆石壩內(nèi)部沉降變形時，要求其角度傳感器性能指標傾角測量分辨率 0.0001°、測量精度 0.002°，前期試驗結(jié)果顯示管道機器人的系統(tǒng)角度測量綜合精度為0.005°，安裝埋設(shè)在堆石壩內(nèi)部的單節(jié)監(jiān)測管道單元長度6 m，由此可計算出利用管道機器人系統(tǒng)監(jiān)測單節(jié)管道單元沉降變形的測量精度為ΔΗ=L×sinΔθ=6000 mm ×sin(0.005°)=0.523 mm。

根據(jù)誤差傳播定律[9]，由多單元構(gòu)成系統(tǒng)的綜合誤差與單元誤差的相關(guān)關(guān)系為:

其中:mz為n個獨立觀測值代數(shù)和的中誤差;m為各個單元測值中誤差;n為測值個數(shù)(單元數(shù))。

300 m級高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測最大斷面長度約1 000 m，因此基于管道機器人技術(shù)的堆石壩內(nèi)部變形測量方法在高面板堆石壩內(nèi)部安裝埋設(shè)的監(jiān)測管道最大長度也為1 000 m、單節(jié)監(jiān)測管道單元長度6 m，共計167個被測管道單元。管道機器人采用同一套角度測量系統(tǒng)進行了167次等精度測量，根據(jù)式(1)誤差傳播定律計算可得，基于管道機器人技術(shù)的堆石壩內(nèi)部變形測量方法測得300 m級高面板堆石壩內(nèi)部沉降變形的最大綜合誤差為0.根據(jù)數(shù)值計算分析結(jié)果，由于堆石體壩料壓縮特性不同，300 m級高面板堆石壩內(nèi)部最大沉降變形量約在2 000 mm～4 000 mm范圍，由此可得利用管道機器人系統(tǒng)監(jiān)測300 m級高面板堆石壩內(nèi)部沉降變形的測量精度為0.17% ～0.34%F.S.，其系統(tǒng)綜合誤差和測量精度能夠滿足300 m級高面板堆石壩內(nèi)部沉降變形監(jiān)測的工作要求[10－11]。

2.2 水平位移測量誤差控制分析

大壩內(nèi)部變形監(jiān)測管道機器人系統(tǒng)測量堆石壩水平位移時，采用高分辨率光學(xué)照相技術(shù)[12－14]的直接測量方法，前期試驗結(jié)果顯示管道機器人測得單節(jié)管道單元水平位移的測量精度為0.08 mm。與沉降變形測量相同，管道機器人采用同一水平位移測量系統(tǒng)對監(jiān)測管道進行了167次等精度測量，根據(jù)式(1)誤差傳播定律，管道機器人技術(shù)測量300 m級高面板堆石壩內(nèi)部水平位移的最大綜合誤差為根據(jù)數(shù)值計算分析，300 m級高面板堆石壩內(nèi)部最大水平位移約在200 mm～400 mm范圍，由此可得利用管道機器人系統(tǒng)監(jiān)測300 m級高面板堆石壩內(nèi)部水平位移的測量精度為0.26% ～0.52%F.S.，其系統(tǒng)綜合誤差和測量精度能夠滿足300 m級高面板堆石壩內(nèi)部水平位移監(jiān)測的工作要求[10－11]。

3 管道機器人系統(tǒng)變形監(jiān)測模型試驗

3.1 等比尺模型及試驗簡況

管道機器人系統(tǒng)變形監(jiān)測1∶1等比尺試驗?zāi)Ｐ徒ㄔO(shè)在南京水利科學(xué)研究院當(dāng)涂實驗基地，模型監(jiān)測管道由35套可調(diào)節(jié)沉降變形和水平位移的支架，以及34根外徑300 mm、內(nèi)徑280 mm、長12 m的鋼管組成，全長408 m(假定壩體內(nèi)部變形沿壩軸線對稱分布，試驗?zāi)Ｐ桶?00 m級高面板堆石壩最大監(jiān)測管線長度的一半設(shè)計)。模型試驗測試時，可調(diào)節(jié)支架以模擬監(jiān)測管道跟隨大壩同步變形，最大沉降變形調(diào)節(jié)量為1.8 m、模型兩端可調(diào)節(jié)最大相對沉降3.0 m，最大水平位移調(diào)節(jié)量為0.4 m、模型兩端可調(diào)節(jié)最大相對水平位移0.8 m。1∶1等比尺模型試驗占地500 m×3 m，每隔12 m設(shè)置1套三向位移可調(diào)支座，支座上架設(shè)監(jiān)測管路鋼管，2根鋼管之間采用伸縮接頭連接(圖3)。

圖3 等比尺試驗?zāi)Ｐ捅O(jiān)測管路實物圖

基于管道機器人技術(shù)的300 m級高堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測模型及測量方法，開展了1∶1等比尺模型試驗測試及測量成果對比分析等相關(guān)研究[15]。經(jīng)過近一年的前期調(diào)試至測量運行穩(wěn)定，自2014年10月至2015年2月，先后開展了3組壩體內(nèi)部沉降變形測量和水平位移測量的模擬測試，測量試驗中調(diào)整監(jiān)測管路以模擬壩內(nèi)變形情況，3組測試管路鋼管支架的調(diào)節(jié)量見表1。

表1 等比尺模型測試管路鋼管支架調(diào)節(jié)量統(tǒng)計表

3.2 模型試驗成果分析

通過1∶1等比尺模型試驗對管道機器人行進、定位、測量等功能進行調(diào)試，開展基本測量單元測試試驗。先后開發(fā)研制了3套不同結(jié)構(gòu)和功能的管道機器人，分別采用局部模型進行試驗測試及改進，測試及改進內(nèi)容主要包括行走系統(tǒng)、識別定位系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。

利用1∶1等比尺模型監(jiān)測管路，開展管道機器人系統(tǒng)對壩體內(nèi)部沉降變形測量的模擬測試，利用模型的可調(diào)節(jié)支架分別逐步降低10 mm、20 mm、30 mm，共完成3組測試試驗。測試試驗測得的沉降結(jié)果與實際調(diào)節(jié)結(jié)果對比表明，管道機器人系統(tǒng)所測得的沉降變形曲線與管道實際調(diào)節(jié)的沉降變形曲線基本相符，典型測試試驗(第3組)沉降變形測量對比曲線見圖4，累積綜合誤差2.40 mm，基本滿足300m級高面板堆石壩內(nèi)部沉降變形監(jiān)測的工作需要。

利用1∶1等比尺模型監(jiān)測管路，開展管道機器人系統(tǒng)對壩體內(nèi)部水平位移測量的模擬測試，利用模型的可調(diào)節(jié)支架分別逐節(jié)調(diào)節(jié)水平位移2 mm、4 mm、6 mm，共完成3組測試試驗。測量結(jié)果與實際調(diào)節(jié)結(jié)果對比表明，管道機器人系統(tǒng)測量結(jié)果與實際調(diào)節(jié)結(jié)果較為吻合，單點測量誤差0.3 mm，整體測量誤差小于2 mm，基本滿足300 m級高面板堆石壩內(nèi)部水平位移監(jiān)測的工作需要，典型測試試驗(第3組)水平位移測量對比曲線見圖5。

壩體內(nèi)部沉降變形和水平位移測量的1∶1等比尺模型試驗測試成果說明，利用管道機器人技術(shù)測量高面板堆石壩內(nèi)部變形基本可行且適用。模型試驗中，管道機器人在密閉的監(jiān)測管道中始終按照外部監(jiān)控系統(tǒng)的指令行進、測量，并完成測量和監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時儲存及傳輸，能夠保證試驗全過程各項監(jiān)測測試數(shù)據(jù)的傳輸實時、準確，視頻、音頻傳輸流暢，信息傳輸系統(tǒng)始終保持良好的工作狀態(tài)。

圖4 典型測試試驗(第3組)沉降變形測量對比曲線

圖5 典型測試試驗(第3組)水平位移測量對比曲線

4 結(jié)論

針對300 m級高面板堆石內(nèi)部變形監(jiān)測的技術(shù)要求，提出了一種不同于傳統(tǒng)測量方法的新型監(jiān)測技術(shù)和新的設(shè)計理念，論述了高面板堆石壩內(nèi)部變形測量方法的基本技術(shù)原理，開發(fā)研制出能夠測量1 000 m管線長度的管道機器人監(jiān)測系統(tǒng)，開展了1∶1等比尺模型試驗測試，主要結(jié)論如下:

(1)利用管道機器人技術(shù)監(jiān)測高面板堆石壩內(nèi)部變形的測量方法能夠從原理上改進傳統(tǒng)的面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)，是一種新的設(shè)計思路及測量理念，是解決300 m級高面板堆石壩大體積超長斷面內(nèi)部變形監(jiān)測難題的有效可選方法;

(2)通過誤差控制理論分析，基于管道機器人技術(shù)的高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測方法的沉降變形測量最大綜合誤差6.763 mm、測量精度0.17% ～0.34%F.S.，水平位移測量最大綜合誤差 1.034 mm、測量精度 0.26% ～ 0.52%F.S.，能夠滿足 300 m級高面板堆石壩內(nèi)部沉降變形和水平位移監(jiān)測的精度要求;

(3)通過1∶1等比尺模型測試試驗及成果分析，管道機器人系統(tǒng)所測得的沉降變形曲線和水平位移曲線與實際調(diào)節(jié)變形曲線基本相符，測量結(jié)果與實際調(diào)節(jié)量較為吻合，單點及整體測量誤差均滿足測量精度，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且測量準確，利用管道機器人技術(shù)測量高面板堆石壩內(nèi)部變形的方法可行且適用。

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