多元協(xié)同探測(cè)技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用

熊小虎，柯 虎，付彥偉，江德軍，高志良

(1.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；2.國(guó)電大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，四川 樂山 614700)

0 引 言

水工建筑物是大壩安全管控的重要組成部分，水工建筑物正常發(fā)揮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能是大壩長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。大壩建成蓄水后，水下構(gòu)筑物即常年處于水下，水流環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)不同程度的淤積、材質(zhì)劣化、功能降低等現(xiàn)象[1]，且缺陷具有發(fā)現(xiàn)難、處理難、突發(fā)性強(qiáng)，引起的后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，對(duì)其的檢測(cè)具有較大的難度[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外主流的水工建筑物異常情況水下檢測(cè)，多采用人工探摸、錄像或者單點(diǎn)聲吶[3]的方式，人工下潛方法成本大、周期長(zhǎng)、作業(yè)深度有限(多在60 m水深內(nèi)，部分在100 m水深范圍)[4]，檢測(cè)結(jié)果依賴于潛水員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，且存在一定的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，局限性較大；單點(diǎn)聲吶采用斷面測(cè)量方式，實(shí)測(cè)斷面位置受水流、GPS定位精度和穩(wěn)定情況等因素影響，實(shí)測(cè)過程中工作船很難沿計(jì)劃測(cè)線實(shí)施測(cè)量，且單點(diǎn)測(cè)深精度容易受到測(cè)深探頭姿態(tài)和儀器自身精度影響，較難全面準(zhǔn)確掌握水下形態(tài)或地形。本文以深溪溝水電站消力池缺陷水下檢測(cè)為依托，基于“面積性普查、局部性詳查、多手段精查”的技術(shù)思路，協(xié)同運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶等水下聲吶技術(shù)和水下高清連續(xù)攝像、二維圖像聲吶及三維聲吶等水下無人潛航器技術(shù)，對(duì)水下缺陷或淤積的三維空間形態(tài)精確量化，客觀反映缺陷或淤積的表觀影像，并輔以潛水員水下探摸，多種檢測(cè)手段相互配合、支撐、印證，直觀、準(zhǔn)確、定量地查明了泄洪閘消力池的運(yùn)行現(xiàn)狀，為水電工程大壩安全管理、水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化、缺陷修補(bǔ)方案精準(zhǔn)制定提供了可靠、可溯源的技術(shù)支撐，可供類似工程水下檢測(cè)參考和借鑒。

1 探測(cè)技術(shù)體系及原理

多波束聲吶和側(cè)掃聲吶均可有效獲取水底地形與地貌圖像，多波束聲吶可以全面了解探測(cè)區(qū)水底地形的起伏情況，但無法觀察或直觀地判讀水底情況，側(cè)掃聲吶可以獲取高分辨率水底影像但位置精度較低；水下無人潛航器可觀察或探測(cè)水下局部情況，但無法全面、高效地了解整個(gè)他測(cè)區(qū)的水底環(huán)境[5]。因此，通過聯(lián)合采用多波束探測(cè)系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶探測(cè)技術(shù)、水下無人潛航器等多元探測(cè)技術(shù)，協(xié)同運(yùn)用“面積性普查、局部性詳查、多手段精查”的檢測(cè)思路，多種檢測(cè)手段相互配合、支撐、印證，可對(duì)水下缺陷或淤積的三維空間形態(tài)精確量化，客觀反映缺陷或淤積的表觀影像，直觀、準(zhǔn)確、定量地查明水電工程水下構(gòu)筑物的運(yùn)行現(xiàn)狀。多元協(xié)同探測(cè)體系技術(shù)構(gòu)架見圖1。

圖1 多元協(xié)同探測(cè)體系技術(shù)構(gòu)架

1.1 多波束探測(cè)技術(shù)

多波束測(cè)深系統(tǒng)也稱聲納陣列測(cè)深系統(tǒng)，是一種用于水下地形地貌測(cè)量及水工建筑物水下缺陷量化分析的大型組合設(shè)備。多波束聲吶系統(tǒng)以一定的頻率發(fā)射多個(gè)波束，波束具有沿航跡方向開角窄而垂直航跡方向開角寬的特點(diǎn)，多個(gè)波束形成扇形聲波束探測(cè)區(qū)。單個(gè)發(fā)射波束與接收波束的交叉區(qū)域稱為腳印，發(fā)射與接受循環(huán)稱為聲脈沖[6]。根據(jù)各個(gè)角度的聲波到達(dá)時(shí)間或相位即可測(cè)量出每個(gè)波束對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水深值，若干個(gè)測(cè)量周期組合就形成了帶狀水深圖。

1.2 側(cè)掃聲吶探測(cè)技術(shù)

側(cè)掃聲吶是一種主動(dòng)式聲納，利用聲波反射原理獲取回聲信號(hào)圖像，根據(jù)回聲信號(hào)圖像分析水底地貌和障礙物，識(shí)別水底沉積物類型等。側(cè)掃聲吶在實(shí)際應(yīng)用中主要是過信號(hào)處理裝置發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射裝置形成脈沖，這一脈沖信號(hào)在水平方向比較窄，但是在水平角度卻相對(duì)比較寬。在接收信號(hào)的過程中，會(huì)在不同的接收陣上設(shè)計(jì)出不同的信號(hào)接收裝置，通過進(jìn)行相應(yīng)的處理，可以獲得回聲信號(hào)，最終通過處理裝置可以獲得圖像信息[7]。

1.3 水下無人潛航器檢測(cè)技術(shù)

水下無人潛航器檢測(cè)技術(shù)為水下無人潛航器搭載檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)統(tǒng)稱。水下無人潛航器(簡(jiǎn)稱“ROV”)采用可重組的開放式框架結(jié)構(gòu)、數(shù)字傳輸技術(shù)、電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是一種全天候水下作業(yè)平臺(tái)?？纱钶d高清攝像頭、三維掃描聲吶、二維圖像聲吶、ROV姿態(tài)、深度傳感器等設(shè)備在其驅(qū)動(dòng)功率和有效載荷允許范圍內(nèi)，可針對(duì)不同的水下任務(wù)，配置不同的外置儀器設(shè)備、作業(yè)工具等，準(zhǔn)確、高效地完成各種水下調(diào)查、水下干預(yù)、勘探、觀測(cè)與取樣等多個(gè)領(lǐng)域工作。水下無人潛航器系統(tǒng)主要包括ROV潛器單元、地面控制單元、通訊供電單元3部分。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

大渡河深溪溝水電站位于四川省漢源縣境內(nèi)，其上接瀑布溝水電站，下接枕頭壩水電站，電站壩址處公路里程上距烏斯河鎮(zhèn)10 km。水庫(kù)正常蓄水位660.00 m，正常蓄水位以下庫(kù)容3 200萬(wàn)m3，庫(kù)水位年變化5 m左右，庫(kù)容較小，為上游瀑布溝水庫(kù)反調(diào)節(jié)水庫(kù)，調(diào)節(jié)庫(kù)容800萬(wàn)m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站共安裝4臺(tái)單機(jī)容量165 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量660 MW。樞紐工程主要建筑物沿壩軸線方向自左至右依次布置左岸接頭壩、3孔泄洪閘、1孔排污閘、廠房壩段(4臺(tái)機(jī)組)、右岸接頭壩、窯洞式安裝間和2條泄洪沖沙洞，壩頂高程662.50 m，廠房壩段最大壩高106.0 m(含回填混凝土)，泄洪閘最大閘高49.5 m，壩頂全長(zhǎng)222.5 m。泄洪沖沙洞由塔式進(jìn)水口、洞身和出口段組成。

2.2 檢測(cè)技術(shù)思路與方式

(1)采用多波束檢查技術(shù)和側(cè)掃聲吶檢查技術(shù)對(duì)消力池進(jìn)行全覆蓋檢查，獲取水下結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化資料，分析混凝土結(jié)構(gòu)表觀缺陷的空間分布情況以及規(guī)模，并劃分出重點(diǎn)缺陷以及存在疑問的部位。

(2)以多波束以及水下三維聲吶的實(shí)測(cè)成果為基礎(chǔ)，使用水下無人潛器搭載二維圖像聲吶、水下高清光學(xué)攝像設(shè)備對(duì)已發(fā)現(xiàn)的重要缺陷以及存在疑問的部位逐一進(jìn)行詳查，進(jìn)一步分析缺陷的類型、空間分布情況以及規(guī)模。

(3)采用潛水員水下探摸對(duì)本已發(fā)現(xiàn)的重要缺陷進(jìn)行驗(yàn)證檢查，與其他檢查技術(shù)的檢查成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

(4)綜合多種水下檢查技術(shù)的實(shí)測(cè)成果，統(tǒng)計(jì)并分析混凝土缺陷的現(xiàn)狀，包含缺陷的類型、規(guī)模及空間分布情況，以及較前期檢查資料的發(fā)展變化情況，為后續(xù)工作部署提供依據(jù)。

2.3 檢測(cè)成果分析

2.3.1消力池檢測(cè)成果

2.3.1.1 缺陷基本情況

消力池探測(cè)范圍內(nèi)，左側(cè)導(dǎo)墻、右側(cè)導(dǎo)墻、消力坎及尾坎未見明顯大規(guī)?；炷寥毕?，左側(cè)導(dǎo)墻與護(hù)坦之間、右側(cè)導(dǎo)墻與護(hù)坦之間接縫良好，但在消力池護(hù)坦、消力坎背水面與海漫護(hù)坦接觸范圍、海漫護(hù)坦發(fā)現(xiàn)3處具有一定規(guī)模的缺陷，多波束水下檢測(cè)成果見圖2。

圖2 深溪溝消力池多波束檢查異常區(qū)分布

2.3.1.2 缺陷解譯與分析

①、②、③號(hào)缺陷以①號(hào)缺陷范圍最大且位于消力池的正中間，最為典型，以下針對(duì)①號(hào)缺陷進(jìn)行具體分析。

(1)①號(hào)缺陷現(xiàn)狀。①號(hào)缺陷為長(zhǎng)33.7 m(順?biāo)鞣较?、寬30 m(左右岸方向)、深0.5 m的混凝土凹陷，體積為405 m3，多波束實(shí)測(cè)成果見圖3，側(cè)掃聲吶實(shí)測(cè)成果見圖4，二維圖像聲吶實(shí)測(cè)成果見圖5，ROV水下攝像成果見圖6，從ROV水下攝像成果可知凹陷邊緣呈現(xiàn)陡坎狀，局部有鋼筋出露。

圖3 ①號(hào)缺陷多波束成果

圖4 ①號(hào)缺陷側(cè)掃聲吶成果

圖5 ①號(hào)缺陷二維圖像聲吶成果

圖6 ①號(hào)缺陷ROV水下攝像成果

(2)①號(hào)缺陷變化情況。將2018年多波束數(shù)據(jù)與2017年進(jìn)行差異分析，①號(hào)缺陷掏蝕邊緣有擴(kuò)大的趨勢(shì)，差異分析成果見圖7。從圖7可知，①號(hào)缺陷上游側(cè)掏蝕往上游稍有擴(kuò)大，往下游側(cè)擴(kuò)大較明顯，邊緣新掏蝕的最大深度約20 cm，下游側(cè)往下游方向掏蝕最大寬度約3 m。此外，①號(hào)缺陷其他部位的掏蝕深度基本不變，①號(hào)缺陷掏蝕面積擴(kuò)大了約79 m2，掏蝕方量擴(kuò)大了約5 m3。

圖7 2018年與2017年差異成果

(3)①號(hào)缺陷潛水員水下探摸驗(yàn)證檢查。潛水員攜帶水下攝像機(jī)、鋼卷尺、水深表對(duì)消力池護(hù)坦凹陷進(jìn)行驗(yàn)證檢查，在探摸路線首尾點(diǎn)用鋼卷尺直接量測(cè)凹陷的深度，沿路線探摸過程中用水深表讀取凹陷底部深度，通過實(shí)時(shí)水位高程換算量測(cè)點(diǎn)的高程，探摸路線潛水員量測(cè)凹陷高程值與多波束實(shí)測(cè)高程值對(duì)比曲線見圖8。

圖8 Q2探摸路線多波束實(shí)測(cè)成果與潛水探摸成果對(duì)比

綜合分析潛水探摸路線和最深點(diǎn)潛水探摸成果可知：潛水員水下探摸缺陷①的凹陷深度與多波束檢查成果得出的缺陷①凹陷深度吻合較好；潛水員水下攝像發(fā)現(xiàn)缺陷①內(nèi)部大量鋼筋出露，與ROV水下攝像成果相一致。

2.3.2多波束檢查成果精度分析

多波束對(duì)消力池范圍進(jìn)行了全覆蓋掃描，潛水員水下探摸按照規(guī)劃的5條路線進(jìn)行水下探摸量測(cè)，對(duì)兩種方法實(shí)測(cè)的護(hù)坦底板凹陷高程及誤差統(tǒng)計(jì)分析可知，多波束實(shí)測(cè)高程和潛水員實(shí)測(cè)高程存在一定的誤差，多波束與潛水員實(shí)測(cè)中誤差為0.034 m，兩種方法實(shí)測(cè)高程高度吻合。潛水員水下探摸檢查有效驗(yàn)證了多波束檢查技術(shù)、ROV檢查技術(shù)等方法探測(cè)成果的可靠性。

2.4 抽干實(shí)測(cè)情況

2019年，消力池內(nèi)積水抽干進(jìn)行修復(fù)，多年運(yùn)行沖刷形成的沖坑完全顯現(xiàn)，修復(fù)前對(duì)沖坑進(jìn)行了測(cè)量，并繪制了地形圖。消力池沖坑多波束探測(cè)與抽干實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見表1。從表1可知，沖坑最大長(zhǎng)度、最大寬度兩種測(cè)量成果極為吻合，差異率在1%以內(nèi)；沖坑最大深度、方量?jī)煞N測(cè)量成果差異率稍大，但維持在8%以內(nèi)，主要由于沖坑深度值較小，差異率被放大。總體來看，通過與抽干實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，多波束協(xié)同多元探測(cè)技術(shù)能夠直觀、定量地查明水下缺陷，檢測(cè)結(jié)果真實(shí)客觀、準(zhǔn)確可靠，能夠?yàn)槿毕菪扪a(bǔ)方案精準(zhǔn)制定提供可靠的技術(shù)支撐。

表1 消力池沖坑多波束探測(cè)與抽干實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)論與建議

本文依托深溪溝水電站消力池缺陷水下檢測(cè)，基于“面積性普查、局部性詳查、多手段精查”的檢測(cè)思路，直觀、準(zhǔn)確、定量地查明了消力池的運(yùn)行現(xiàn)狀，為水電工程大壩安全管理、水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化、缺陷修補(bǔ)方案精準(zhǔn)制定提供了可靠的技術(shù)支撐。主要結(jié)論及建議如下：

(1)通過多波束探測(cè)系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、水下無人潛航器等多種檢測(cè)手段相互配合、支撐，互相驗(yàn)證，直觀、定量地查明了水下缺陷運(yùn)行現(xiàn)狀(位置、尺寸及方量)，經(jīng)潛水員下潛人工探摸和抽干檢查驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果真實(shí)客觀、準(zhǔn)確可靠。

(2)相較傳統(tǒng)的采用圍堰抽水或潛水員下潛進(jìn)行人工探摸、錄像的方式，多元探測(cè)技術(shù)聯(lián)合使用縮短了檢測(cè)時(shí)間、節(jié)約成本、不影響機(jī)組運(yùn)行，并且極大降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其適用于重大缺陷水下檢測(cè)；對(duì)于常規(guī)水下缺陷檢測(cè)，可根據(jù)成本控制、檢測(cè)部位及環(huán)境、檢測(cè)需求等因素適當(dāng)選擇搭配組合檢測(cè)手段。

(3)聯(lián)合采用多波束探測(cè)系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、水下無人潛航器等形成了一體化檢測(cè)新技術(shù)手段，建立了水工建筑物高精度、全覆蓋水下三維數(shù)字化成果庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了水工建筑物水下缺陷精確定位與定量分析，解決了深水、渾水及動(dòng)水環(huán)境下水工建筑物水下檢測(cè)技術(shù)難題，突破了傳統(tǒng)人工下潛等水下檢測(cè)的技術(shù)瓶頸，成功實(shí)現(xiàn)了在大中型水電站水庫(kù)大壩三維數(shù)字化中的集成創(chuàng)新應(yīng)用。

(4)一體化水下檢測(cè)技術(shù)可與三維激光、無人機(jī)等水上監(jiān)測(cè)檢測(cè)新技術(shù)相集成，融合水庫(kù)大壩水上水下高精度掃描點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)和水庫(kù)大壩三維模型數(shù)據(jù)，建立水電站水庫(kù)大壩三維數(shù)字化與三維模型化合成動(dòng)態(tài)可視化成果庫(kù)，實(shí)現(xiàn)大壩異常區(qū)域及庫(kù)區(qū)水上水下地形信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示和提取，準(zhǔn)確指導(dǎo)水工建筑物水下缺陷修補(bǔ)及水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度。