水下機器人在福建水電工程水下建筑物質(zhì)量檢測中的應用

徐剛

摘要：為了全面了解并掌握水工結(jié)構物在水下運行狀態(tài)，通過水下機器人（ROV）進行水下建筑物質(zhì)量檢測。ROV可以高效、安全、全面地完成水工結(jié)構物水下檢查作業(yè)任務，具有靈活、高效、直觀和可靠等技術特點。介紹了ROV應用于福建省湄洲島管道、東方紅輸水涵洞以及西溪水庫大壩等工程水下建筑物質(zhì)量檢查實例。實踐證明，ROV可取得詳細可靠的檢查結(jié)果，提供有效的水工構造物現(xiàn)狀信息。ROV可對水工結(jié)構物如混凝土結(jié)構，金屬結(jié)構等水下情況進行的有效觀察和實時分析，可為水工建筑物質(zhì)量的安全鑒定和除險加固提供有益參考。

關鍵詞：水下機器人;水下建筑物;質(zhì)量檢查;水利水電工程;福建省

中圖法分類號：TV698.2文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.012

福建省水利水電資源蘊藏豐富，近年來，隨著大規(guī)模水利水電基礎設施建設的不斷完善，目前省內(nèi)水庫已逾3 600座，總庫容超過200億m3，水電站逾6 600座，裝機容量超過12 000 MW，規(guī)模以上水閘超過2 380座，已建堤防長度也超3 500 km[1]。這些水利水電工程可有效減少自然洪澇災害的影響，大力保障城鄉(xiāng)居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

隨著水利水電工程運行時間的增加，水庫及水電站的安全鑒定需求越來越大。近年來，越來越多年久失修的水電工程開始進入除險加固階段，即使是新建水電工程，在日常運行管理中也常遇到各種水下病險隱患，如水下結(jié)構的損壞、缺失、裂縫、老化，沖刷沖坑，金屬腐蝕等。如何檢測水下結(jié)構和設施的運行狀況是水電工程安全鑒定、水庫除險加固、水利水電工程日常管理維護中面臨的重要課題。

傳統(tǒng)水下檢查作業(yè)由潛水員下水檢查完成，該法效率低、危險系數(shù)高且局限性大。目前，國內(nèi)外水下建筑物檢查方法以采取水下機器人檢查為主、潛水員檢查為輔的策略，該法效率較高且安全可靠。21世紀初，水下機器人在我國水利水電工程中逐漸得到應用，如望虞河望亭水利樞紐工作閘門水下檢查[1]、阿海水電站1號機進水口檢修閘門門槽水下探測[2]、三峽水利樞紐導流底孔封堵檢修門水下清理[3]、三渡溪水庫水下檢查[4]等。這些工程應用案例均表明水下機器人檢查技術具有明顯優(yōu)勢。

1 水下機器人（ROV）概述

ROV組成結(jié)構主要包括控制主機、臍帶連接線纜、水下潛器、輔助成像聲納以及其他附件（如機械手）?；竟ぷ髟砣缦拢孩偻ㄟ^主機控制臺手柄，控制水下潛器在空間360°無死角運動定位至目標區(qū)域;②待到達目標區(qū)域后，水下潛器中高清攝像頭經(jīng)過控制臺適當操作，如角度控制、焦距調(diào)整、輔助光源光強調(diào)整等，將實時水下視頻與聲納成像傳輸至主機，并顯示在屏上，同時上傳圖像信息至筆記本電腦;③分析視頻頭像、聲納頭像信息水下檢查結(jié)果以及有用影像資料。

2 ROV技術特點

按照與母船之間有無臍帶纜連接的原則，將水下機器人分為兩種：①有纜水下機器人即ROV，遙控式水下機器人通過臍帶線纜從水面單元獲得充足動力和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，作業(yè)時間不受限制，可搭載多種設備儀器;②無纜水下機器人即AUV，依靠自身攜帶動力源航行，自主性和靈活性更高，但水下可有效作業(yè)時間短、活動范圍有限、通訊和智能化要求更高。本文介紹的ROV具有以下技術特點。

（1）作業(yè)靈活性。ROV在水下能夠自由快速前行或后退、上浮或下潛，同時按照指令，通過自身定位系統(tǒng)在水中任意位置固定方向進行懸停作業(yè)。而且，水下機器人下潛深度可達數(shù)百米，可根據(jù)實際工作需要配置臍帶長度，基本能滿足國內(nèi)所有壩區(qū)深度的水下檢查作業(yè)，這是潛水員無法替代的。

（2）工作高效性。ROV能夠長時間進行水下作業(yè)，按照指令快速到達指定地點開展工作，大大縮短了工作時間，并提高了工作效率。而潛水員在水下作業(yè)檢查會受到工作時間、條件、環(huán)境等限制。

（3）結(jié)果直觀性。ROV通過搭載的水下高清攝像頭、二維多波束聲納等設備，可全方位實時觀測水下建筑物檢測實況。同時，圖像信息能同步存儲在控制平臺的電腦中，以便后期整理分析研究。

（4）數(shù)據(jù)可靠性。在清澈的水下環(huán)境中，ROV能清晰地顯示實時圖像，如閘門門槽銹蝕，水下構造物混凝土破壞，大壩迎水面裂縫、破損、鋼筋銹蝕等缺陷。通過定位系統(tǒng)，記錄缺陷空間三維位置信息并保存。在水質(zhì)條件比較差的情況下，仍可通過自身攜帶二維多波束聲納，對檢測目標進行定位及辨識。

雖然ROV具備以上優(yōu)勢，但應用實踐表明[1]，使用過程中仍存在一定局限性：①無法有效應用于水流流速快或存在漩渦、大量垃圾雜物等的復雜水體中;②當水質(zhì)渾濁時，水下高清攝像頭將失去其有效性，僅能通過聲納圖像來進行粗略判斷，不利于詳細檢測目標區(qū)域，尤其是細部缺陷，如混凝土裂縫、破損、鋼筋銹蝕等;③ROV是有纜遙控，由于水下環(huán)境和工程結(jié)構復雜，臍帶線纜在跟隨水下機器人進入水下的過程中，可能會因操作不當，發(fā)生臍帶線纜纏繞、掛傷等情況;④若水下存在漁網(wǎng)或較細的線纜時，可能會纏繞螺旋槳，從而造成ROV運行故障。

3 ROV工程應用實例

2013年，ROV就已應用于福建省水利水電工程中，利用從國外引進的Sea Botix LBV300-5型ROV（見圖1），對福建省仙游金鐘水庫大壩上游面板、莆田東圳水庫進水口、晉江安平橋閘上下游以及仙游抽水蓄能上水庫面板滲漏情況進行水下檢查作業(yè)，水下觀測檢查結(jié)果良好，可提供有效的水工構造物現(xiàn)狀信息[5]。下面簡要介紹Sea Botix LBV300-5型ROV近期在幾項水利水電工程中的應用實例。

3.1 湄洲島農(nóng)村飲水安全跨海管道工程水下檢查

3.1.1 工程簡介

湄洲島淡水資源貧乏，主要依靠外水供給，隨著人口增長、游客增多，再加上原跨海管道屢受破壞，導致島上經(jīng)常供水不足。為此，設計了湄洲島農(nóng)村飲水安全工程實施方案。該方案由忠門半島供水管路、跨海供水管路及湄洲島供水管路3個部分組成。在湄洲大道接入原供水管道，匯入原水廠萬噸蓄水池，供水規(guī)模為近期1.2萬m3/d，遠期2.0萬m3/d。項目建成后，新建跨海供水管道為湄洲島主要供水管道，原湄洲島跨海供水管道為備用供水管道，以提高湄洲島的供水保證。忠門半島及跨海部分輸水管道采用單根DN500mm鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管，湄洲島陸地部分采用單根DN500mm聚乙烯（PE）管，管線總長5 959.10 m。湄洲灣跨海管道總長3 707.20 m，管道鋪設中心高程-16.84～9.17 m，最大水深20.0 m。

3.1.2 水下檢查結(jié)果

2014年，利用多功能ROV對湄洲島農(nóng)村飲水安全工程跨海管道的溝槽開挖深度、溝槽形狀、溝槽巖石風化程度、鋪砂覆蓋、石籠壓頂?shù)惹闆r進行了水下檢查。結(jié)果表明： ①溝槽巖石風化程度，巖礁段的溝槽巖石以花崗巖為主，顏色為典型的白色黑點為主，部分黃色，風化程度以強風化為主，部分中風化;②通過多處樁號溝槽深度定位分析測量，平均溝槽深度均可滿足設計要求;③通過連續(xù)水下攝像和聲納掃描結(jié)果可知，溝槽開挖較平直、邊界分明，個別處海砂略有淤積痕跡;④已埋設管道鋪砂覆蓋表面較平整，砂已覆蓋到管高度的50%;⑤石籠網(wǎng)格較完整，搭接良好，石籠內(nèi)可見石塊基本充滿，石籠網(wǎng)格無明顯變形或破損。

3.2 莆田市東方紅水庫輸水涵洞工程水下檢查

3.2.1 工程簡介

莆田市東方紅水庫是以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、防洪、供水等綜合利用的重要中型水庫。該工程由主壩、副壩、溢洪道、放水系統(tǒng)及壩后電站等組成。主壩為黏土心墻土石混合壩，最大壩高47.4 m，壩頂長431 m，壩頂寬6.3 m，砌石防浪墻1道，高0.8 m;副壩位于左岸，系多種土質(zhì)壩，最大壩高22.9 m，壩頂長182.5 m。輸水涵洞位于主壩左側(cè)，長161 m，鋼筋混凝土圓涵結(jié)構直徑1.5 m，采用錐閥啟閉，設計最大輸水流量為23.6 m3/s，進口矗立一座圓形鋼筋混凝土放水塔，高40 m，其中塔座高3 m，塔身高37 m。塔身17 m外露于主壩迎水坡，其余23 m埋入壩內(nèi)。

3.2.2 水下檢查結(jié)果

2015年，利用多功能ROV對莆田市東方紅水庫輸水涵洞進行水下檢查。檢查主要內(nèi)容為進水口攔污柵、檢修閘門、閘門槽、閘門拉桿、進水塔內(nèi)部混凝土水下部分、輸水涵洞洞身（包括進口漸變段、閘門槽前段、閘門槽段、下平段、轉(zhuǎn)彎段、上升段、鋼襯段、分叉口）等部位。檢查結(jié)果如下。

（1）進水塔塔身內(nèi)部混凝土基本完整，局部存在疏松，麻面露石，缺損形成凹槽，休息平臺底部混凝土因鋼筋銹脹引起脫落，爬梯鋼筋普遍銹蝕嚴重，在高程55 m附近發(fā)現(xiàn)斷裂性裂縫，該裂縫基本已貫通整層，影響進水塔的塔身結(jié)構安全。

（2）閘門啟閉拉桿及拉桿接頭普遍銹蝕嚴重，表面銹包密集，表面銹蝕形成類似松樹皮形狀，有的部位銹坑明顯，拉桿接頭處銹蝕嚴重。

（3）閘門門體面板、肋板普遍銹蝕嚴重，形成厚大的銹包，閘門門體與拉桿連接部位銹蝕明顯。

（4）閘門槽基本完整，無明顯裂縫、破損等情況，閘門槽附近混凝土結(jié)構較完整，但表面凹凸不平，閘門槽與閘門間縫隙較大，且有異物卡在頂部，影響啟閉。

（5）洞身底板、側(cè)墻、頂拱混凝土或砌石體基本完整，未見明顯破損、坍陷、開裂等缺陷，但閘前段洞身側(cè)墻或底部局部存在橫向和縱向裂縫，頂拱局部存在疏松和橫向裂縫，個別分縫處見不均勻沉降引起的錯位，未見明顯滲漏部位。

（6）攔污柵結(jié)構總體完整，但框架梁、柵葉普遍銹蝕嚴重，存在明顯銹包，柵葉上附著較多垃圾。

（7）鋼管襯砌段與混凝土襯砌段基本完整，止水結(jié)構尚完整，止水固定環(huán)與固定螺栓普遍銹蝕，其中鋼管與混凝土間略有縫隙，止水固定環(huán)存在斷裂，止水固定螺栓銹蝕明顯，止水固定環(huán)與鋼管間縫隙略大，鋼管存在一定程度的銹蝕。

（8）岔管的結(jié)構完整性尚好，錐閥銹蝕較明顯。

（9）輸水涵洞洞身總體基本完整，但閘前段洞身側(cè)墻或底部局部存在橫向裂縫和縱向裂縫，頂拱局部存在疏松和橫向裂縫，個別分縫處見不均勻沉降引起的錯位;進水塔塔身混凝土結(jié)構存在斷裂，金屬結(jié)構普遍銹蝕嚴重，閘門與閘門槽間有異物卡阻，影響工程安全運行。

3.3 霞浦縣溪西水庫大壩工程水下部位檢查

3.3.1 工程簡介

溪西水庫工程1974年10月竣工并投入使用。1985～1986年，對土壩段迎水坡?lián)跬翂M行加厚處理。1997年，發(fā)現(xiàn)主壩的土壩段下游擋土墻上、下排水嚴重堵塞，造成下游坡浸潤線明顯升高，土壩體、壩基以及庫周滲漏嚴重，土壩上游坡局部塌陷，近壩庫岸局部塌方等。溪西水庫樞紐工程由主壩、兩座副壩、溢洪道、壩下左右輸水洞及壩后電站等組成。其中，主壩為漿砌石重力壩和均質(zhì)土壩相結(jié)合的壩型，最大壩高34 m，壩長169.4 m;兩座副壩共計長211 m，溢洪道安裝3扇10 m×5 m的鋼質(zhì)弧形閘門。水庫死水位420.8 m，相應庫容100萬m3，正常高水位441.60 m，相應庫容3 514萬m3，總庫容3 980萬m3，調(diào)洪庫容480萬m3。于2006年11月19日對溪西水庫大壩進行除險加固建設。

3.3.2 水下機器人視頻檢查結(jié)果

2016年，利用LBV300-5多功能水下機器人對霞浦縣溪西水庫進行水下檢查，具體包括大壩右岸土壩與中間溢洪壩段接頭部位的砌石擋土墻、右岸土壩上游面砌石護坡、右岸土壩擋土墻與砌石護坡結(jié)合部位等結(jié)構，為評價水下部位的安全狀態(tài)提供了直觀的影像資料。檢查結(jié)果如下。

（1）靠近溢洪壩段的擋土墻側(cè)面及壓頂條石砌筑基本完整、砌筑有序，多數(shù)勾縫砂漿較完整，但十幾處勾縫砂漿出現(xiàn)小范圍（20～30 cm）破損、脫落，勾縫砂漿與條石/塊石間有3～4處存在長30～50 cm的短縫隙;自水深12 m以下?lián)跬翂?cè)面覆蓋較多的泥垢，水體較渾濁。

（2）右岸土壩上游面砌石護坡為干砌塊石/毛塊石，總體基本完整，未見明顯的坍塌、開裂現(xiàn)象，但局部毛塊石砌筑不夠整齊，毛塊石間的間隙較大;自水深5 m以下的塊石表面覆蓋較多泥垢，水體漸渾濁;在上游面砌石護坡水下部位的表面，未見鮮艷黃色泥土痕跡。

（3）右岸土壩擋土墻與砌石護坡結(jié)合部位表面為砂漿勾縫砌塊石，總體上砌石表面基本完整，大部分坡面勾縫砂漿尚完整，局部破損缺失;水上高程438.5～440.5 m見上下游方向的略斜向的表面裂縫，塊石間略有張開、錯位現(xiàn)象，局部略有沉陷;水下高程436.5 m附近勾縫砂漿缺失明顯，塊石間略有張開、錯位、擠壓、邊角破裂現(xiàn)象，破碎部位范圍約25 cm×40 cm，塊石錯位約2～3 cm;在右岸土壩擋土墻與砌石護坡結(jié)合部位表面，也未見鮮艷黃色泥土痕跡。

水下聲納檢查結(jié)果表明：霞浦縣溪西水庫大壩右岸土壩砌石擋土墻及其與土壩結(jié)合部位上游面、土壩上游砌石護坡等外形輪廓基本完整，未發(fā)現(xiàn)大面積的變形、塌陷、開裂、破損等現(xiàn)象。

4 ROV應用前景展望

水下機器人可對水工結(jié)構物如混凝土結(jié)構，金屬結(jié)構等水下情況進行有效觀察并實時分析，為后期安全鑒定和除險加固提供直接資料，具有作業(yè)靈活、檢查高效、結(jié)果直觀和數(shù)據(jù)可靠等明顯的技術優(yōu)勢，但在操作過程中，水下機器人仍存在復雜水環(huán)境中自身穩(wěn)定性和安全性不足的缺點。水下機器人的局限性，一定程度上限制了其在水利水電工程中水下復雜環(huán)境的推廣應用。后續(xù)研究需要重點強調(diào)如何實現(xiàn)水下機器人強穩(wěn)定性大范圍高清晰度視野和無臍帶線纜高智能化水下檢查活動，使得水下機器人能夠更加高效更加系統(tǒng)性開展水下檢查工作，從而對水庫大壩安全鑒定和水下除險加固，保障水庫大壩的安全，具有更重要的工程指導現(xiàn)實意義。

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（編輯：唐湘茜）