水下檢測(cè)設(shè)備分類概述及應(yīng)用分析

顧紅鷹，董延朋，劉力真

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

水下檢測(cè)設(shè)備分類概述及應(yīng)用分析

顧紅鷹，董延朋，劉力真

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

水利工程檢測(cè)多指陸地上的工程檢測(cè)，這類檢測(cè)技術(shù)方法多且成熟，而水下工程檢測(cè)除特殊要求利用專業(yè)的潛水員和放空水后兩種檢測(cè)方式外，多是采用海上的設(shè)備。由于條件、環(huán)境的不同，在應(yīng)用上存在差異。本文簡(jiǎn)要介紹了水利工程的水下檢測(cè)設(shè)備和相關(guān)研發(fā)應(yīng)用技術(shù)。

水下工程檢測(cè)；水下檢測(cè)設(shè)備分類；水下檢測(cè)平臺(tái)研發(fā)

目前，水下檢測(cè)在海洋工程領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，并取得較好的成果。在水利工程領(lǐng)域，由于水下部分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及傳統(tǒng)思想的限制，水下檢測(cè)技術(shù)一直沒(méi)有得到很好的發(fā)展，仍然習(xí)慣采用潛水員入水目視觀察等方法。也有引進(jìn)水下機(jī)器人進(jìn)行壩前檢測(cè)，存在局限性。隨著電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及水下潛器技術(shù)的發(fā)展，水下檢測(cè)成為必要的也是必須的，水下檢測(cè)技術(shù)在水利工程領(lǐng)域必將得到廣泛的應(yīng)用。

1 水下檢測(cè)應(yīng)用的范圍及方式

水下檢測(cè)應(yīng)用廣泛，水利工程是其中重要的應(yīng)用領(lǐng)域：海洋中的土建工程；水中資源調(diào)查、觀測(cè)；江河與水庫(kù)堤壩的監(jiān)測(cè)及其他水下建筑設(shè)施的定期檢查；水下安保和水下考古等。

水下檢測(cè)有一是放空檢測(cè)，二是入水檢測(cè)。放空檢測(cè)是將水全面排空，使被檢測(cè)體暴露進(jìn)行檢測(cè)，有很多工程不宜采用此方法，如排水成本、放空可能對(duì)建筑物產(chǎn)生不利等原因。入水檢測(cè)是可采用潛水員攜帶檢測(cè)設(shè)施檢測(cè)，也可采用機(jī)器人入水檢測(cè)。

水下檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)除了專用的檢測(cè)設(shè)施外，其搭載檢測(cè)設(shè)施的平臺(tái)——水下機(jī)器人成為水下檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2 水下檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，水利工程水上部分的檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)已較成熟，大部分能以無(wú)損方式進(jìn)行。但水下部分的監(jiān)測(cè)只能依賴預(yù)先埋設(shè)的固定監(jiān)測(cè)儀器來(lái)實(shí)施。儀器埋設(shè)的固定性決定了只能對(duì)有限的幾個(gè)部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦儀器損壞或工程的其他部位出險(xiǎn)，只有具備一定條件時(shí)，才可借助潛水員入水檢查或排空檢查。一些特殊工程根本不具備潛水員入水或排空檢查條件。隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力的提高，大型水利工程如南水北調(diào)等涉及水安全戰(zhàn)略的重點(diǎn)工程建成和投入運(yùn)行，重要水下節(jié)點(diǎn)工程的安全檢測(cè)問(wèn)題更加突出，特別是水利工程中的水下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了檢測(cè)手段與海洋觀測(cè)中的探測(cè)技術(shù)的差別。目的明確、觀測(cè)詳實(shí)、定位準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等有別于海洋觀測(cè)。引進(jìn)設(shè)備在開(kāi)敞式水域可完成檢測(cè)，但對(duì)于水下大體積、大管徑、長(zhǎng)隧（管）道、管徑漸變物體及狹小空間進(jìn)行檢測(cè)中仍存在很多問(wèn)題和技術(shù)難題。

3 水利工程中的水域環(huán)境因素

20世紀(jì)90年代開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備，水下機(jī)器人代替潛水員進(jìn)行觀察的，并研發(fā)生產(chǎn)水下機(jī)器人。水下機(jī)器人能否有效完成水下作業(yè)任務(wù)，除其自身性能外，主要受作業(yè)區(qū)域水流、水體渾濁度及水深、建筑物本身等客觀條件和操控人員的技術(shù)水平等人為因素影響。

3.1 標(biāo)的水深及距離因素

山東省水庫(kù)壩前水深一般為20~30 m，最大水深達(dá)60 m；湖泊、渠道和河流水深一般都較小。但在封閉空間則不同于上述的開(kāi)敞式水域。如倒虹吸、輸水洞、涵洞和長(zhǎng)距離輸水建筑物等。

目前，主流的水下機(jī)器人系統(tǒng)的工作水深基本上均超過(guò)300 m。主要用于海洋的深水域，為適應(yīng)深水域作業(yè)條件需要，通常要增加潛水器及搭載設(shè)備的耐壓水深和臍帶纜長(zhǎng)度。對(duì)水利工程而言，工作水深通常不是制約條件，主要考慮水利工程封閉水域的特點(diǎn)，標(biāo)的位于空間狹長(zhǎng)且曲徑環(huán)境，即需要增加潛水器纜線的長(zhǎng)度，同時(shí)還要考慮設(shè)備的靈活性和可操控性能。

3.2 水流狀態(tài)因素

水利工程類型不同和運(yùn)行工況不同其水流狀態(tài)也不一。如表面看似平面的明渠，其水流變化也十分復(fù)雜。再是輸水隧洞，受工程規(guī)模、地形地貌、上下游邊界條件流量等因素決定了水流流態(tài)時(shí)時(shí)變化。有些工程可經(jīng)過(guò)人工干預(yù)管理使水靜止或降低流速，但也有特殊的工程難以人工控制。

水下機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)決定了水下潛器的行進(jìn)速度和定位與操控能力，水下潛器只有在克服了水流沖擊的基礎(chǔ)上才能逆水行進(jìn)。如若所選設(shè)備計(jì)劃在流速大的水域作業(yè)，就更須科學(xué)、合理配置水下機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。此外，潛水器的自重也直接影響其穩(wěn)定性和可操控性。因此，需要合理配置潛水器的自重和推進(jìn)功率。其纜繩的抗拉和抗磨損力也是要考慮的。

3.3 底部及水質(zhì)因素

水庫(kù)、河道、水渠等水利工程的底部多為泥質(zhì)，涵洞、倒吸虹、隧洞和輸水管道等水工建筑物底部雖多為混凝土結(jié)構(gòu)，但由于水的流動(dòng)攜帶雜質(zhì)并沉積，形成了淤積及其他沉積物體，水體易被攪動(dòng)渾濁。在裝配水下機(jī)器人時(shí)，必須重點(diǎn)考慮提高光學(xué)和聲學(xué)成像系統(tǒng)的性能。

4 水下建筑物特點(diǎn)及類型

基于水下工程的復(fù)雜性和特殊性，通常要對(duì)以下幾種水下情形進(jìn)行檢測(cè)檢查：

1）河道、渠道、湖泊及水庫(kù)水面以下淤積、沖刷和岸坡情況檢查；

2）水閘上下游沖刷、水面以下閘體結(jié)構(gòu)和閘門(mén)銹蝕、止水等情況檢查；

3）泵站進(jìn)出水渠、流道等水下各結(jié)構(gòu)物工況檢查；

4）倒虹吸淤積、各箱涵體止水和不均勻沉降等復(fù)雜工況檢查；

5）涵洞、暗渠內(nèi)部隱患排查；

6）隧洞復(fù)雜工況檢查。

由于水利工程工況的復(fù)雜性、特殊性及各自工程的特性不同，對(duì)水下監(jiān)視檢查設(shè)備的要求也是各有不同。

上述的6種情形可分為兩大類：一類為開(kāi)敞式水域，有河道、渠道、湖泊及水庫(kù)和水閘等，即為檢測(cè)裝置可直接入水，無(wú)其他阻擋物的水域；一類為相對(duì)封閉式水域，有泵站、倒虹吸、涵洞、暗渠等隱蔽工況和穿河隧洞復(fù)雜工況，即通過(guò)檢修口等較狹小空間進(jìn)入，入水后控制運(yùn)行水下檢測(cè)機(jī)器人再轉(zhuǎn)向需進(jìn)行檢測(cè)的水域。

5 水工建筑物水下檢測(cè)應(yīng)用分析

5.1 水下檢測(cè)的設(shè)施

水下檢測(cè)設(shè)施主要有水下攝像機(jī)、聲納、側(cè)掃聲納、激光尺度儀、磁粉測(cè)量?jī)x、電位差儀、多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀等。5.2 水下檢測(cè)設(shè)施的搭載平臺(tái)

可搭載以上檢測(cè)設(shè)施的有輕便的手持桿和水下機(jī)器人。手持桿可用于近岸水域的檢測(cè)，也可采用潛水員攜帶入水檢測(cè)，較復(fù)雜水域和復(fù)雜水域應(yīng)選用適宜的水下機(jī)器人。水下機(jī)器人又分為拖曳式和自主式機(jī)器人。拖曳式主要依靠外力進(jìn)行拖曳行進(jìn)。自主式則是依靠自身動(dòng)力進(jìn)行水下系列的運(yùn)動(dòng)，又可分為懸浮式、履帶式和懸浮履帶混合式。

5.3 檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用在不同的水下建筑物類型

根據(jù)檢測(cè)目的選用不同檢測(cè)設(shè)施，并根據(jù)不同的檢測(cè)環(huán)境選用相應(yīng)的檢測(cè)平臺(tái)。例如，近岸（壩、堤）可采用手持式設(shè)備選用檢測(cè)設(shè)施進(jìn)行觀察、觀測(cè)等檢測(cè)，狹小空間則可選用懸浮式機(jī)器人搭載檢測(cè)設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)；特殊水域如大管徑長(zhǎng)距離的管道則采用定制的懸浮式機(jī)器人搭載多種檢測(cè)設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)；針對(duì)底部進(jìn)行作業(yè)及檢測(cè)時(shí)則可選用履帶式機(jī)器人。

（責(zé)任編輯 遲明春）

U456.3

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1009-6159（2017）-10-0075-02

顧紅鷹（1965—），女，高級(jí)工程師