深水、動水環(huán)境下水工建筑物健康檢查技術(shù)研究

朱喜

摘 要：隨著水電站運行發(fā)電時間的不斷累積，其水工建筑物的運維健康檢查成了水工巡檢人員的重要工作之一，其中深水、動水環(huán)境下的水工建筑物的健康檢查一直是行業(yè)內(nèi)的技術(shù)難題。例如，水電站的底孔門前淤積情況及結(jié)構(gòu)完整情況檢查，由于水深往往超過空氣潛水極限深度60 m，使用常規(guī)的潛水探摸方法無法開展檢查工作;水電站的尾水建筑物結(jié)構(gòu)完整性檢查，往往因促生產(chǎn)、保發(fā)電的原則，難以創(chuàng)造停機的靜水環(huán)境，潛水員因水流擾動，無法開展水下檢查工作。因此急需尋求解決深水、動水環(huán)境下的水工建筑物健康檢查問題的新方法新技術(shù)。本文以構(gòu)皮灘水電站放空底孔、構(gòu)皮灘水電站尾水南側(cè)邊坡為典型應(yīng)用場景，研究適用于類似底孔深水、尾水動水環(huán)境的水下檢查技術(shù)，以多波束聲吶、掃描聲吶、水下無人潛航器等新技術(shù)為依托，突破傳統(tǒng)水下探摸技術(shù)的局限性，為水工建筑物的健康診斷增添新的手段。

關(guān)鍵詞：水工建筑物;水下檢查;多波束聲吶;掃描聲吶;水下無人潛航器

中圖分類號：TV698.15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0076-03

Research on Health Inspection Technology of Hydraulic Structures

in Deep Water and Moving Water Environment

ZHU Xi

（Remote Centralized Control Center of Hydropower Station， Guizhou Wujiang Hydropower Development Co.， LTD.， Guiyang Guizhou 550002）

Abstract： With the accumulation of operation time of hydropower station， the operation and maintenance health inspection of hydraulic structures has become one of the more and more important work of hydraulic inspection personnel. Among them， the health inspection of hydraulic structures in deep water and moving water environment has always been a technical problem in the industry. For example， check the siltation and structural integrity in front of the bottom hole of the hydropower station. As the water depth often exceeds the air diving limit of 60m， the conventional diving exploration method cannot carry out the check. Another example is the structural integrity inspection of tailwater buildings in hydropower stations. Due to the principle of promoting production and ensuring power generation， it is often difficult to create a static water environment for stopping. Divers cannot carry out underwater inspection due to the disturbance of water flow. Therefore， it is urgent to seek new methods and technologies to solve the health inspection problems of hydraulic structures in deep water and moving water environment. Based on the empty bottom intake goupitan hydropower station， goupitan hydropower station tail water of the south slope as the typical application scenarios， research is applicable to similar to the bottom hole deep， the tail water dynamic water environment of underwater inspection technology， with multi-beam sonar， scanning sonar， underwater unmanned coupled device and other new technology as the backing， break through the limitations of traditional underwater explored technology， add new means for health diagnosis of hydraulic structures.

Keywords： hydraulic structure;underwater inspection;multi-beam sonar;scanning sonar;underwater drone

構(gòu)皮灘水電站是國家“十五”計劃重點工程、是貴州省實施“西電東送”戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程。構(gòu)皮灘水電站放空底孔布置在大壩3#、4#表孔下方，設(shè)1#和2#共2孔。放空底孔進口段各設(shè)置1扇擋水門，擋水門孔口尺寸4 m×9.5 m，底坎高程EL.490 m，設(shè)計擋水水頭140 m，設(shè)置2扇閘門。庫區(qū)水位高程長期在EL.590 m以上，即水深常年大于100 m。構(gòu)皮灘水電站尾水出口南側(cè)的面板邊坡頂部為EL.445 m馬道，往下依次為1∶1的面板斜坡、EL.428 m馬道、1∶1的面板斜坡、EL.413 m護坦。尾水邊坡常年處在水面以下且受尾水的沖蝕淘刷，因此急需引入新方法新技術(shù)解決深水、動水水下檢查技術(shù)難題[1]。而多波束聲吶、掃描聲吶、水下無人潛航器作為近年來快速發(fā)展的新型技術(shù)手段，在其他領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的應(yīng)用效果。將這三種技術(shù)引入構(gòu)皮灘水電站底孔、尾水邊坡檢查中，行業(yè)內(nèi)還未見典型案例，本研究為類似環(huán)境下的水下檢查積累了寶貴經(jīng)驗。

1 方法技術(shù)簡介

1.1 多波束聲吶技術(shù)原理

多波束聲吶探測系統(tǒng)也稱三維掃描聲吶系統(tǒng)，近年來廣泛應(yīng)用于海洋探測中，其技術(shù)指標(biāo)也在不斷地提升。其最大掃描寬度可達(dá)180°，波束數(shù)量可達(dá)1 024個，波束寬度可達(dá)0.5°，因此其探測精度和水下分辨能力也得到了質(zhì)的提升。通過掃描獲取的水下三維點云數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)水下地形、結(jié)構(gòu)的三維重現(xiàn)，達(dá)到水下探測、檢測、檢查的目的[2]。

1.2 掃描聲吶技術(shù)原理

掃描聲吶也稱旁掃聲吶，是一種主動源探測聲吶，通過發(fā)射、接收水底聲波信號獲取水底的聲學(xué)影像信息，從而獲取水底地貌或者水下結(jié)構(gòu)的表觀情況信息。其掃測寬度與頻率和水深相關(guān)，工作方式有拖曳安裝和規(guī)定安裝兩種，是實現(xiàn)水下掃測的一種快速、便捷的新方法[3]。

1.3 水下機器人技術(shù)原理

水下無人潛航器（ROV）是可以在水下自由航行的水下機器人，可以突破常規(guī)水下檢查的距離和深度，通過搭載水下攝像機和水下聲吶，完成水下探測和勘察的任務(wù)。其系統(tǒng)組成主要有ROV本體、ROV甲板單元、ROV臍帶纜單元。根據(jù)任務(wù)的不同，其搭載的傳感器也有所差異，但是普遍都會搭載水下攝像機、水下聲吶、壓力傳感器、磁羅經(jīng)傳感器等，根據(jù)特殊任務(wù)還會搭載水下三維聲吶、水下激光尺度儀、水下貫導(dǎo)等傳感器[4]。

2 深水環(huán)境下水工建筑物健康檢查技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 深水環(huán)境水下檢查前的準(zhǔn)備工作

因檢查部位最大水深超過100 m，所以必須采用水下無人潛航器搭載水下攝像頭、水下聲吶等多種傳感器對1#、2#放空底孔擋水閘門結(jié)構(gòu)進行檢查，確認(rèn)閘門門體銹蝕和門前積渣情況，同時對閘門吊桿銹蝕情況進行檢查。

為確保水下無人潛航器在100 m水深的高壓下仍能正常工作，在正式開展工作前，需進行ROV本體的密封性能檢查、通電性能檢查、操作功能檢查。

2.1.1 密封性檢查。使用真空泵將主機內(nèi)的空氣抽出，進行密封性檢查。半小時后觀察氣壓泵的讀數(shù)是否有變化，如無變化則表明主機內(nèi)部密封正常，無泄漏，可以正常使用。

2.1.2 通電性能檢查。按照一定的順序連接水下潛器單元、甲板控制單元等各個組成部分。將地面控制臺放置在水面工作船上的專用工作平臺，依次連接臍帶纜、地面控制臺、電源線、外置記錄與監(jiān)視設(shè)備，打開主電源，測試各部分設(shè)備通電是否正常。

2.1.3 操作功能檢查。通過地面控制單元對水下潛器單元進行攝像頭上下移動測試、照明燈測試、羅盤和深度計測試、推進器異物纏繞測試、推進器工作狀態(tài)測試等。

2.2 技術(shù)思路

下放水下機器人沿閘門吊桿下潛，并在下潛過程中對閘門吊桿進行檢查，確認(rèn)閘門吊桿是否存在銹蝕、缺陷等異?，F(xiàn)象。水下機器人下潛至放空底孔擋水閘門位置時，對閘門結(jié)構(gòu)進行全方位視頻檢查。閘門結(jié)構(gòu)為鋼板，確認(rèn)閘門是否存在銹蝕情況，并對閘門底部淤積情況進行檢查。完成1#放空底孔擋水閘門區(qū)域檢查后ROV回至水面區(qū)域，移船至2#放空底孔區(qū)域，對2#放空底孔擋水閘門吊桿、閘門及閘門區(qū)域淤積情況進行檢查，方法與1#放空底孔擋水閘門作業(yè)方法相同。

2.3 水下檢查綜合分析

經(jīng)對構(gòu)皮灘水電站1#放空底孔和2#放空底孔擋水閘門門體、吊桿銹蝕和門前積渣情況進行檢查表明：①1#放空底孔擋水閘門和2#放空底孔擋水閘門本體結(jié)構(gòu)表觀未見明顯銹蝕現(xiàn)象;②1#放空底孔擋水閘門吊桿和2#放空底孔擋水閘門吊桿有少量油漆開裂的現(xiàn)象，油漆開裂處內(nèi)部有少量銹蝕，部分吊桿法蘭結(jié)構(gòu)周圍有輕微生銹現(xiàn)象;③1#放空底孔擋水閘門和2#放空底孔擋水閘門頂部和底部前方存在一定量的淤積物和雜物等混合堆積物，典型成果圖見圖1。

通過上述水下檢查成果可知，水下無人潛航器搭載攝像機、聲吶可實現(xiàn)深水環(huán)境的水下檢查，達(dá)到水下檢查定性、定量分析的目的。

3 動水環(huán)境下水工建筑物健康檢查技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1 動水環(huán)境水下檢查前的準(zhǔn)備工作

因尾水影響區(qū)域水流速較大、水流較紊亂，所以水下多波束聲吶和掃描聲吶檢查均需利用船載的方式開展，以定制沖鋒舟為多波束聲吶、掃描聲吶的載體，安裝水下聲吶系統(tǒng)水下發(fā)射及接收換能器。

3.2 技術(shù)思路

構(gòu)皮灘水電站尾水明渠的多波束聲吶掃描成像檢查，使用掃描聲吶、多波束聲吶檢查技術(shù)聯(lián)合進行。其中，多波束聲吶檢查獲取水下結(jié)構(gòu)的三維體型信息，掃描聲吶檢查獲取水下結(jié)構(gòu)的聲學(xué)影像信息，兩種方法相互驗證開展水下檢查工作。

多波束聲吶探測系統(tǒng)對尾水明渠進行全覆蓋掃測，對邊坡掃描時需偏轉(zhuǎn)波束角，旁向測線重疊度大于30%;掃描聲吶相鄰測線需有30%的重疊度，根據(jù)現(xiàn)場水深情況實時調(diào)整測線間距，測線需覆蓋上一條測線的“水柱”區(qū)域。

3.3 水下檢查綜合分析

經(jīng)過對多波束聲吶和掃描聲吶的成果進行精細(xì)化處理及分析可知得到以下結(jié)論。①尾水明渠EL.445 m馬道以下邊坡、馬道、邊坡與馬道轉(zhuǎn)角部位、邊坡與護坦轉(zhuǎn)角部位、護坦靠近邊坡的第一個分縫均未見明顯破損、變形等缺陷;局部可見面板分縫，但未見分縫明顯的破損情況;水下面板未見明顯的鼓包現(xiàn)象。②下基坑公路與邊坡的拐角處雜物堆積較多，EL.428 m馬道與邊坡的拐角處局部可見雜物堆積。典型成果圖見圖2、圖3。

通過上述水下檢查成果可知，聯(lián)合多波束聲吶、掃描聲吶可實現(xiàn)動水環(huán)境的水下檢查，多波束聲吶獲取水工結(jié)構(gòu)的三維體型信息，側(cè)掃聲吶獲取水工結(jié)構(gòu)的聲學(xué)影像信息，同樣可達(dá)到水下檢查定性、定量分析的目的。

4 結(jié)語

針對深水、動水環(huán)境下的水工建筑物健康檢查問題，分別在構(gòu)皮灘水電站的放空底孔和尾水邊坡兩個場景進行了探索，形成了深水環(huán)境下水下無人潛航器的工作技術(shù)路線及注意事項，首次提出了在動水環(huán)境下聯(lián)合多波束聲吶、掃描聲吶進行水下檢查的工作方式，最終形成整套深水、動水環(huán)境下水下檢查解決方案，為水電站水工建筑物的健康提供技術(shù)保障。本次研究成果可為類似深水、動水環(huán)境下水下檢查提供借鑒，具有較強的理論指導(dǎo)意義和廣泛的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙后雨.潛水環(huán)境暴露對職業(yè)潛水員基本認(rèn)知能力的影響[D].上海：中國人民解放軍海軍軍醫(yī)大學(xué)，2021：58.

[2]劉新華，吳猛.多波束測深系統(tǒng)在海上風(fēng)電場測量中的應(yīng)用[J].南方能源建設(shè)，2021（3）：51-57.

[3]王曉.側(cè)掃聲吶圖像精處理及目標(biāo)識別方法研究[J].測繪學(xué)報，2021（2）：282.

[4]張震.基于改進ROV技術(shù)的水工建筑物水下檢測應(yīng)用[J].自動化與儀表，2021（9）：40-44.