工程結(jié)構(gòu)物水下檢測技術(shù)及其應(yīng)用

甘 進(jìn) 李世楨 王 彬 吳振磊 葉云凌

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢長江航道救助打撈局武漢理工大學(xué)水下檢測技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (武漢長江航道救助打撈局3) 武漢 430014)

0 引 言

水下檢測是指對港口碼頭、水庫大壩、橋梁等工程結(jié)構(gòu)的水下部分結(jié)構(gòu)物的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行的檢測作業(yè).隨著我國已建涉水工程結(jié)構(gòu)物的服役期限逐漸增長，其水下結(jié)構(gòu)在不斷經(jīng)受沖刷、侵蝕，結(jié)構(gòu)的劣化程度逐漸加重，為保障涉水結(jié)構(gòu)物，特別是后服役期的工程結(jié)構(gòu)物的服役安全，其水下結(jié)構(gòu)的檢測及養(yǎng)護(hù)必須引起足夠的重視.

目前針對水下結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)種類繁多，水下檢測已成為集成潛水檢測技術(shù)、聲學(xué)成像技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)與斷裂力學(xué)等多種學(xué)科的綜合性工程學(xué)科，為應(yīng)對復(fù)雜的水下檢測環(huán)境和水下結(jié)構(gòu)，水下檢測技術(shù)及裝備應(yīng)用也得到了充分的發(fā)展.

本文在對國內(nèi)外主流水下檢測技術(shù)進(jìn)行全面綜述的基礎(chǔ)上，分析各類技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)物水下檢測中的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際工程提出典型工程結(jié)構(gòu)物的水下檢測技術(shù)方案和建議，為水下結(jié)構(gòu)檢測作業(yè)提供切實(shí)可行的技術(shù)支持和指導(dǎo).

1 水下檢測分類

國外的水下檢測技術(shù)起步較早，1985年美國弗羅里達(dá)州Chickasawbogue橋發(fā)生坍塌事故，推動交通管理局針對水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷發(fā)布評估規(guī)范[1]，常規(guī)的水下檢測可分為I類、II類和III類檢測[2]：

I類檢測指檢查人員通過目視、探摸或者攜帶水下攝像設(shè)備對水下待檢測結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查，通常是最基本的檢測方式.檢測目的通常為對水下結(jié)構(gòu)的損傷、破壞的定性檢查，如裂紋、機(jī)械損傷、結(jié)構(gòu)變形等.

II類檢測又稱詳細(xì)的目視檢查，指具有檢測資質(zhì)的檢查人員對相應(yīng)部位進(jìn)行詳細(xì)的檢查，待檢測部位通常為實(shí)施作業(yè)方案中規(guī)劃的檢測部位、在I類檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷部位.其中按病害類型又可分為以下4類：

1) 機(jī)械性損傷、變形、裂縫檢查 對在I類檢測過程中的異常部位和重點(diǎn)檢查部位進(jìn)行目視檢查，并記錄檢測到的機(jī)械性損傷、變形、裂縫.檢測內(nèi)容包括：對結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷、變形與裂縫進(jìn)行詳細(xì)記錄，還需使用測量工具對病害進(jìn)行直線性測量，對于結(jié)構(gòu)大變形部位進(jìn)行攝像處理.

2) 結(jié)構(gòu)腐蝕檢查 對I類檢測中發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重腐蝕部位及規(guī)劃中的重要易腐蝕部位進(jìn)行II類水下構(gòu)件腐蝕檢查.對于水下結(jié)構(gòu)的腐蝕檢查通常通過檢測構(gòu)件的蝕余厚度為依據(jù)，對于全面腐蝕部位，可通過選取具有代表性、類比性和規(guī)律性的測點(diǎn)進(jìn)行測厚及加密點(diǎn)測電位來獲得蝕余厚度.對于局部腐蝕，一般使用測量工具如焊縫檢測尺進(jìn)行直接深度測量，可以測出蝕坑的深度，進(jìn)而得到年腐蝕速度.

3) 水生物檢查 水生物除覆蓋在水下結(jié)構(gòu)表面，對結(jié)構(gòu)自重造成影響外，對結(jié)構(gòu)的性能也會產(chǎn)生巨大影響.目前水生物檢查的主要內(nèi)容為：不同水深條件下的水生物硬質(zhì)、軟質(zhì)、覆蓋率、最大厚度及壓縮厚度.具體的操作方法：設(shè)置一定尺寸的矩形框架，使用工具將框架內(nèi)的水生物刮下裝袋，對于軟質(zhì)水生物，應(yīng)由檢測人員按壓測量厚度，并記錄其覆蓋范圍、尺寸、位置.

4) 基礎(chǔ)沖刷檢查 修建水利工程的水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)會對所處河床的自然環(huán)境造成影響，例如水庫大壩的壩前堆淤、壩后沖淤，對大壩基礎(chǔ)的沖刷會造成基礎(chǔ)沉降、掏空現(xiàn)象.檢查內(nèi)容有：對基礎(chǔ)上下游沖淤高度及范圍進(jìn)行測量，與往年檢查結(jié)果一并記錄.目前多使用多波束掃測系統(tǒng)對河床基礎(chǔ)進(jìn)行掃測，可以直接得到河床圖像并獲得相關(guān)數(shù)據(jù).

III類檢測指水下無損檢測技術(shù)，主要包括交流磁場法技術(shù)(AFMC)、電場特征檢測法(FSM)、X射線探傷、水下渦流探傷、水下超聲波成像等檢測方法.

2 水下檢測手段及方法

2.1 排水檢測

在進(jìn)行水下檢測作業(yè)前，應(yīng)針對施工環(huán)境選擇合理的檢測方法，除對常規(guī)時段的水利工程和大型橋梁的水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測外，河流汛期進(jìn)行的檢測作業(yè)面臨更大的困難，為保障檢測效果，一般采用排水檢測方法形成無水環(huán)境，并使用設(shè)備對外露水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，便于后續(xù)維修作業(yè)的進(jìn)行.

2.1.1圍堰法

圍堰法是使用次數(shù)較多的導(dǎo)流方法，見圖1，通過設(shè)置單壁、雙壁鋼圍堰形成無水環(huán)境以便于對水下基礎(chǔ)進(jìn)行檢測.按適用環(huán)境的不同，可將圍堰法分為分段圍堰法和全段圍堰法兩類.其中分段圍堰法是指將作業(yè)部位所在部分河床修建圍堰阻擋水流，需要考慮允許水流速限制，適用于河床寬闊、水流量較大的施工環(huán)境.施工前需估算束窄段河床平均水流速及束窄段前水位雍高值，并引入面積束窄度

式中：A1為原河床水流面積；A2為圍堰所占河床水流面積.

典型的圍堰工程河床束窄度一般在45%～70%.

圖1 鋼板樁圍堰

全段圍堰法則是將全部河道攔截，將水流導(dǎo)入提前修建好的泄水建筑物如明渠、隧道、涵洞等中，以制造無水環(huán)境.適用于水流較小、河床狹窄的河流水下結(jié)構(gòu)檢測[3].

在進(jìn)行圍堰法對水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測時，需注意以下兩個方面：①經(jīng)濟(jì)性方面，水下檢測施工的成本是工程需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，修建圍堰的成本相較于其他檢測方式較高，雖然檢測效果較好，但經(jīng)濟(jì)效益低；②安全性方面，在修筑圍堰前，需要根據(jù)水利工程特點(diǎn)、施工地形對施工方案和圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選擇，并掌握水文地理情況[4-5].進(jìn)行施工準(zhǔn)備和現(xiàn)場施工時要嚴(yán)格遵守相關(guān)安全規(guī)定，并做好防范措施，如防水、加固措施.

2.1.2放空檢測法

放空檢測法主要應(yīng)用于水電站引水隧洞、壓力管道、上下游水道等復(fù)雜水工建筑物的水下結(jié)構(gòu)檢測.針對此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測工作量大的水工建筑物，無論是潛水員進(jìn)行水下探摸、目視檢查，還是使用ROV水下機(jī)器人搭載水下成像設(shè)備進(jìn)行檢測，因?yàn)橐矶幢旧韽?fù)雜的洞內(nèi)地形、惡劣的水流條件，以及缺少照明光源等等因素，檢測效果不理想，因此在對其進(jìn)行檢測時，往往采用放空檢查的方式.

王和章[6]對浙江省內(nèi)三座引水式高水頭電站進(jìn)行放空檢查并與之前12次檢查情況進(jìn)行對比，檢查后發(fā)現(xiàn)電站隧洞的地質(zhì)及水文條件未發(fā)生變化，并在歷次檢查中記錄混凝土裂縫的數(shù)量、尺寸、走向及滲水情況，對鋼板內(nèi)襯板鼓泡情況和鋼管腐蝕情況進(jìn)行檢查，檢查過程中對發(fā)現(xiàn)的病害缺陷進(jìn)行及時處理；龍?zhí)端娬静灰r砌隧洞于初試運(yùn)行及運(yùn)行1年后進(jìn)行放空檢測，黃洪[7]對傍山洞、底板和集石坑等結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查.在此次放空檢查中，洞內(nèi)底板部分落石脫落痕跡新鮮，表明放空水流速度較快造成內(nèi)外滲透壓差大，需要引起注意；謝琛等[8]對北京抽水蓄能電站壓力管道進(jìn)行放空檢查，在對鋼管進(jìn)行放空處理時，需要考慮外管壁受壓情況，因此在放空前需要對鋼管運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行評估，并制定實(shí)時監(jiān)控方案，確定排水與充水速率，最終成功完成檢測作業(yè)，此次檢測為我國高水頭壓力管道放空檢查積累寶貴實(shí)際經(jīng)驗(yàn)；王衛(wèi)疆等[9]對高原水電站引水隧洞進(jìn)行放空檢查后，發(fā)現(xiàn)隧洞拱頂部分的噴錨段存在局部滲漏，滲漏水流量較大；左右肩和拱頂部分出現(xiàn)貫通性裂縫漏水和灌漿孔滴水等病害缺陷.針對局部滲漏情況，采用灌漿的方式填充，對已出現(xiàn)的水流通道布置防水幕布，治理取得了良好效果.

放空檢測同樣存在經(jīng)濟(jì)性和安全性兩個方面的問題：①經(jīng)濟(jì)性上，在對水工建筑物進(jìn)行放空檢查過程中，設(shè)施處于停止運(yùn)營狀態(tài)，因此整個排水檢查過程應(yīng)盡量加快檢測效率，減少停運(yùn)時間；②安全性上，檢查放水過程中需要注意排水速率過快會造成內(nèi)外壓力快速變化的問題，因此在排水前應(yīng)評估設(shè)施狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境制訂施工計劃，確定排水方式、排水速率和順序控制.此外水位快速下降會引起機(jī)組空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致設(shè)備受損.

2.1.3排水檢測技術(shù)評價

排水檢測主要通過使被檢建筑物處于無水環(huán)境以便于檢測人員進(jìn)行作業(yè)，相比于其他檢測方式檢測結(jié)果直觀，檢測范圍廣，無檢測死角，效果好；檢測過程中發(fā)現(xiàn)病害缺陷后即可進(jìn)行修補(bǔ)治理，施工便捷，對建筑物的安全更有保障.其在水下檢測質(zhì)量的保證方面優(yōu)勢明顯，但也存在下列不足：

1) 檢測效率低 在進(jìn)行檢測作業(yè)前需要修筑圍堰或者進(jìn)行排水作業(yè)，施工時間長，往往需要幾個月的作業(yè)時間.

2) 經(jīng)濟(jì)性差 相較于潛水探摸等檢測方式，修筑圍堰的建筑成本較高，排水過程設(shè)備、人工費(fèi)用高，且檢測過程中水利設(shè)施無法運(yùn)營，經(jīng)濟(jì)效益損失大.

2.2 人工潛水檢測

水下結(jié)構(gòu)的外觀檢測通常由潛水員進(jìn)行水下目視檢測、探摸作業(yè)完成，潛水員直接靠近待檢測部位，對構(gòu)件表面進(jìn)行清理、觀察、探摸、攝像等作業(yè)，最終完成水下結(jié)構(gòu)表觀檢測.人工潛水檢測是目前使用次數(shù)最多、分布范圍最廣的檢測方式，在海洋平臺、沉管隧道、大型橋梁、水利工程等各種水下結(jié)構(gòu)的檢測作業(yè)中均有運(yùn)用.

潛水檢測在可見度高、水流平緩的水下環(huán)境能取得良好的檢測效果，對被檢部位的檢測較為全面，除潛水員目視檢查和進(jìn)行水下探摸檢查外，還可攜帶水下相機(jī)或者水下攝像系統(tǒng)進(jìn)行攝像.而記錄人員在岸上通過通信設(shè)備對潛水員拍攝的病害圖像進(jìn)行記錄，并對結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)的機(jī)械性損傷、裂縫、鋼筋外露、金屬銹蝕等進(jìn)行定性、定量測量[10].

天津海洋石油工程公司[11]對“海洋石油117號”單點(diǎn)系泊系統(tǒng)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，由于海洋平臺受海浪影響處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且單點(diǎn)平臺空間狹窄，潛水員難以進(jìn)行水下作業(yè)，使用潛水支持船運(yùn)送潛水員至單點(diǎn)區(qū)域后潛水員入水對水下立管進(jìn)行GVI檢查，并對結(jié)構(gòu)表面海生物狀況測量；廣州洲頭咀沉管隧道工程的施工過程中[12]，在管道對接前和管道對接后由潛水員對管段鋼端殼和GINA止水帶進(jìn)行表面清理及水下探摸、錄像，檢測結(jié)果表明：管段對接準(zhǔn)確、GINA帶布置符合止水要求，確保了施工質(zhì)量與安全.

丹江口水下埋件檢測作業(yè)中[13]，由潛水員攜帶高壓水槍等水下清理工具去除了結(jié)構(gòu)表面附著的水生物、淤積物以達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)，之后潛水員攜帶水下電視系統(tǒng)對檢查部位攝像完成水下觀測；吳勝亮[14]分別采用人工水下檢查和ROV機(jī)器人對電站消力戽進(jìn)行定期檢查后發(fā)現(xiàn)，潛水員水下檢查雖然受水下環(huán)境的影響，但檢查結(jié)果更可靠并能夠?qū)C(jī)器人不能達(dá)到的區(qū)域進(jìn)行水下探摸詳查，最終采用ROV機(jī)器人進(jìn)行全面檢查、人工局部詳查的檢測方案.

楊曉明等[15]采取潛水檢測、水下機(jī)器人檢測及組合式水下攝像檢測三種方式對安徽潛水7號大橋水下基礎(chǔ)進(jìn)行檢測，對比發(fā)現(xiàn)潛水檢測對水下環(huán)境的可見度要求較低，可實(shí)現(xiàn)全方位檢查，并可對缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，但對作業(yè)環(huán)境的安全性要求高，作業(yè)時間也有限制，因此適用于一般大橋及特大橋水下檢測.

綜上所述，潛水檢測法在實(shí)際工程中存在以下不足：

1) 對潛水人員專業(yè)素質(zhì)要求較高，在實(shí)際工程中難以識別對水下結(jié)構(gòu)危害較大或?qū)ξ磥磉\(yùn)營存在巨大威脅的缺陷.

2) 在能見度較低的水下環(huán)境中，水下攝像效果差，即使在渾水中使用照明設(shè)備也毫無效用；而在潛水員對水下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫進(jìn)行探摸時，清理構(gòu)件表面附著物會將細(xì)小裂縫覆蓋，導(dǎo)致檢測人員很難發(fā)現(xiàn).

3) 在深水、水流湍急及河床有沉船區(qū)域，考慮到潛水作業(yè)的安全性、檢測效率等，在實(shí)際工程中有所限制.

4) 樁基結(jié)構(gòu)受到撞擊后的破壞大部分出現(xiàn)在泥面以下部分，而目前的水下探摸及攝像技術(shù)對泥面以下的樁基基礎(chǔ)缺陷檢測缺乏有效手段[16].

面對以上問題，國內(nèi)外很多研究人員在水下檢測技術(shù)、裝備方面進(jìn)行了一些創(chuàng)新嘗試，對目前既有的潛水檢測技術(shù)的缺陷進(jìn)行改進(jìn).例如，針對潛水員水下檢測人身安全風(fēng)險，研發(fā)使用ROV水下機(jī)器人、檢測支架、測量船等搭載平臺代替潛水員攜帶水下攝像系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行全面檢測，與潛水員對局部重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)探摸檢查相結(jié)合[17]；面對在能見度較低的水質(zhì)渾濁環(huán)境下潛水員水下目視檢查效果差的不足，開展對水下聲波系統(tǒng)、微光及激光主動成像技術(shù)和水下觸摸成像技術(shù)[18]等對渾濁水成像并能代替潛水目視檢查的新型水下成像技術(shù)的研究.

2.3 水下聲吶成像檢測

由于水下結(jié)構(gòu)檢測工程的復(fù)雜性，多種聲學(xué)、光學(xué)水下成像設(shè)備被運(yùn)用于水下檢測中，包括實(shí)時三維聲吶系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、水下側(cè)掃聲吶及雙頻識別聲吶等檢測設(shè)備.

水下聲吶成像是通過發(fā)射和接收聲波信號以測距定位的檢測方式，其中較為常見的有三維成像聲吶、多波束測深系統(tǒng)和水下側(cè)掃聲吶.三維成像聲吶通過向待檢測區(qū)域發(fā)射聲信號并接收反射信號，經(jīng)過計算機(jī)成像軟件生成三維圖像，具有高覆蓋、檢測結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)；多波束測深系統(tǒng)相較于單波束系統(tǒng)能夠同時發(fā)射和接收多束聲波，并通過回波信號計算得出被檢測部位的位置與水深，檢測區(qū)域全面、效率更高.

隋海琛[19]采用多波束測深系統(tǒng)與三維掃描系統(tǒng)相結(jié)合的檢測方式，獲取了水下沉船姿態(tài)及附件海床地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)；朱駿等[20]使用BV5000-1350三維聲吶系統(tǒng)對混凝土重力壩水下垂直結(jié)構(gòu)面缺陷進(jìn)行水下精細(xì)檢測；代兆立等[21]采用Echoscope實(shí)時三維聲吶系統(tǒng)對灘海區(qū)域海洋平臺樁基基礎(chǔ)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果滿足工程要求；章家保等[22]對沉箱碼頭岸壁展開水下檢測時，通過調(diào)節(jié)多波束測深系統(tǒng)換能器角度向靠岸邊向上調(diào)高15°提高了對岸壁接縫的檢測質(zhì)量；楊志等[23]將三維全景成像聲吶分別應(yīng)用于泵站、碼頭樁柱、崩岸岸坡等典型水工建筑物水下結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了三維全景成像聲吶在水下細(xì)部檢測中的實(shí)用性.

2.3.1檢測環(huán)境

水下成像設(shè)備以其高精度、高覆蓋的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于能見度低、含沙量大的復(fù)雜水域.在港口碼頭、水庫大壩、水工隧洞、大型橋梁及海洋油氣設(shè)施等水下結(jié)構(gòu)的檢測工程均有應(yīng)用[24-26].

水下聲吶成像技術(shù)常用于以下檢測用途：

1) 基床地形檢測 包括河床、湖泊、渠道等地形沖刷、淤積情況檢查，水下構(gòu)筑物上下游沖淤情況檢查等.

2) 構(gòu)件表觀病害 包括水下基礎(chǔ)沖刷掏空、鋼筋外露、蜂窩表面、水生物附著等情況檢查，混凝土裂縫位置、尺寸、走向觀察記錄等.

3) 結(jié)構(gòu)變形檢測 包括水下結(jié)構(gòu)物經(jīng)受船只、漂浮物碰撞導(dǎo)致的變形；混凝土劣化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂縫、收縮徐變；地基下沉、變形引起的殘余變形等.

4) 河床斷面檢測，繪制河床斷面圖.

2.3.2檢測流程

1) 設(shè)備固定 嚴(yán)格按照設(shè)備安裝規(guī)范固定于檢測平臺如測量船、水下機(jī)器人等，對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行測試，避免檢測過程中發(fā)生故障，及時解決測試過程中出現(xiàn)的問題.

2) 系統(tǒng)校準(zhǔn) 作業(yè)開始前需對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).通過測量船沿固定軌跡航行等方式進(jìn)行自動校準(zhǔn)，直到滿足系統(tǒng)要求精度為止.不同的作業(yè)環(huán)境有不同的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作通常包括橫搖校準(zhǔn)、艏向校準(zhǔn)、縱搖校準(zhǔn)、坐標(biāo)校準(zhǔn)等，以提高測量精度.

3) 數(shù)據(jù)采集 測量船沿規(guī)劃測線對檢測區(qū)域來回進(jìn)行掃測，在測量過程中根據(jù)水流、風(fēng)浪情況合理調(diào)整船只姿態(tài)、換能器閾值等參數(shù)使測量船盡量沿測線直線行駛，最終得到測量數(shù)據(jù).在測量過程中，當(dāng)某段區(qū)域測量完畢時，檢查數(shù)據(jù)完整性，并對缺漏部分進(jìn)行補(bǔ)測.

4) 數(shù)據(jù)處理 首先進(jìn)行圖像拼接，通過專業(yè)軟件將圖像單元進(jìn)行拼接，并對拼接后的圖像進(jìn)行點(diǎn)云去噪，即完成噪聲一級、二級處理工作.確保最終得到的聲學(xué)圖像干凈、準(zhǔn)確.

5) 圖像分析 通過最終得到的直觀三維圖像，對水下結(jié)構(gòu)存在病害進(jìn)行分析.

3 基于搭載平臺的水下檢測技術(shù)

針對深水、大流速水域及水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測環(huán)境下潛水員無法入水進(jìn)行水下目視檢查及水下探摸檢測的問題，可用手持桿、測量船、ROV水下機(jī)器人等搭載平臺攜帶水下成像設(shè)備對水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測.

其中手持桿的應(yīng)用范圍最小，僅可應(yīng)用于近岸水域，且只適用于質(zhì)量及體積較小的檢測設(shè)備，安全性差；測量船可根據(jù)攜帶設(shè)備的種類、重量及尺寸選擇，能搭載大型水下檢測設(shè)備，但檢測范圍受航行水域限制，無法在狹小的區(qū)域行駛，為保證船只安全，水下檢測設(shè)備往往無法靠近待檢測部位，對檢測結(jié)果精確度有影響；水下機(jī)器人適用于復(fù)雜的水域，且可攜帶目前大部分主流的檢測設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性高，因此廣泛于各種水下結(jié)構(gòu)檢測工程中.

水下機(jī)器人，又稱無人遙控潛水器，可通過搭載不同的設(shè)施完成各種水下作業(yè)，市場上主流的ROV水下機(jī)器人下潛深度可達(dá)到100 m，搭載設(shè)備重量達(dá)到10 kg，已成為水下檢測設(shè)備的主要搭載平臺.

國內(nèi)工程師和學(xué)者已開展了ROV在水下檢測工程中的實(shí)踐和應(yīng)用研究.其中，李鐘群等[27]在浙江省內(nèi)多座水庫大壩的水下檢測工程中應(yīng)用ROV水下機(jī)器人，對大壩面板表面病害進(jìn)行攝像記錄，結(jié)果表明：水下機(jī)器人檢測效率高，在渾水環(huán)境下仍能得到較直觀的檢測圖像.左玲玲等[28]對混凝土面板堆石壩水下滲漏區(qū)域檢測中，使用ROV進(jìn)行水下噴墨示蹤并對滲漏點(diǎn)位置、流向進(jìn)行攝像，驗(yàn)證了聲吶檢測效果.楊曉明等在對橋墩基礎(chǔ)病害檢測過程中分別采用組合式水下攝影、潛水檢測、水下機(jī)器人檢測，對比發(fā)現(xiàn)水下機(jī)器人適用于深水檢測，但在水流湍急的環(huán)境下無法完成檢測任務(wù).周夢樊等[29]在對“Z字形”水工隧洞檢修過程中發(fā)現(xiàn)水下機(jī)器人的臍帶纜會受到垂直拐角處的剮蹭而造成磨損，因此對線纜管理系統(tǒng)(TMS)進(jìn)行重設(shè)計，避免了隧洞直角結(jié)構(gòu)對臍帶纜的磨損.

綜上可知，水下機(jī)器人在水下檢測工程中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1) 深水環(huán)境下，相比于潛水員攜帶潛水鐘需要長時間下浮并具有一定危險，水下機(jī)器人能夠下潛到水面以下至少100 m的位置，且下潛與上浮速度極快，優(yōu)勢明顯.

2) 水下機(jī)器人能夠搭載10 kg以上的重物，可以搭載大多數(shù)主流的水下檢測聲吶完成檢測任務(wù).

3) 水下機(jī)器人能夠長時間浮在某一固定位置，并能在多約束空間內(nèi)接近被檢部位進(jìn)行檢測.

由于目前主流的水下機(jī)器人只能抵抗2～4 kn水流沖擊，因此在水流湍急、存在漩渦的水下環(huán)境無法完成檢測任務(wù)；同時ROV水下機(jī)器人在水下作業(yè)過程中，電纜易發(fā)生纏繞、磨損等情況，更會限制水下機(jī)器人的運(yùn)動半徑[30].這些不足亦是在今后專業(yè)水下檢測機(jī)器人研發(fā)需要重點(diǎn)攻克的難題.

針對大型結(jié)構(gòu)物水下檢測的特點(diǎn)，總結(jié)歸納了水下機(jī)器人的三個發(fā)展方向：

1) 智能化 在收集水工建筑物的歷年檢測資料和水下結(jié)構(gòu)圖紙后，規(guī)劃檢測路線，使水下機(jī)器人能夠按預(yù)定路線進(jìn)行檢測，并做到自動懸停、攝像，將資料上傳到數(shù)據(jù)庫中，完成檢測任務(wù).在整個檢測過程中，無需檢測人員對水下機(jī)器人進(jìn)行操縱，可以提高檢測精度和效率，提高檢測質(zhì)量.

2) 無纜化[31]ROV水下機(jī)器人攜帶的電纜不僅限制了其在水下檢測作業(yè)中的檢測半徑，同時還會在行駛過程中發(fā)生線纜纏繞、剮蹭等事故，為作業(yè)帶來困擾.新型無纜水下機(jī)器人的開發(fā)需要解決以下問題：取消線纜后的數(shù)據(jù)傳輸方式、水下機(jī)器人脫離控制后的回收.

3) 水下結(jié)構(gòu)維修加固 目前水下機(jī)器人大多加裝機(jī)器夾手，可以完成水下清理、固定、簡單檢修的工作，未來可以通過加裝更多的水下檢修工具，以替代潛水員完成更加艱巨的水下結(jié)構(gòu)維修和加固工作.例如惠州海洋平臺出現(xiàn)光纖通信中斷故障，通過水下機(jī)器人完成檢修前觀測及維修中對故障電纜進(jìn)行水下固定同時配合跟蹤著泥點(diǎn)[32].

4 水下檢測技術(shù)典型應(yīng)用案例

4.1 水電站壩體結(jié)構(gòu)水下檢測

以某水電站混凝土重力壩壩體結(jié)構(gòu)水下檢測項(xiàng)目為例，為了解水電站消力池、壩前泄洪引水設(shè)施、地下廠房機(jī)組尾水洞和尾水渠的沖刷、磨損等缺陷情況和壩前泥砂淤積情況，需要進(jìn)行水下檢查工作，掌握水下建筑物和結(jié)構(gòu)設(shè)施的運(yùn)行狀況.

檢測采用的設(shè)備主要有多波束測深系統(tǒng)、三維圖像聲吶和水下機(jī)器人，其中多波束測深系統(tǒng)是Teledyne RESON公司的R2Sonic 2024型多波束探測系統(tǒng)，安裝方便、操作易用；三維圖像聲吶設(shè)備為Teledyne公司的Blue View 5000，該設(shè)備可生成水下地形、結(jié)構(gòu)和目標(biāo)物的高分辨圖像，掃描聲吶頭和集成的云臺可以生成扇形掃描和球面掃描數(shù)據(jù)；水下機(jī)器人為海豚II型機(jī)器人，該機(jī)器人性能穩(wěn)定，抗流能力強(qiáng)，可以滿足水電站各類檢測業(yè)務(wù).圖2為大壩壩體結(jié)構(gòu)水下檢測主要裝備.

圖2 壩體結(jié)構(gòu)水下檢測主要裝備

為應(yīng)對水電站大壩復(fù)雜的水下檢測環(huán)境，水下檢測采用“水下機(jī)器人攜帶二維、三維聲吶設(shè)備全面檢測+潛水員水下探摸局部補(bǔ)測”的檢測方法：首先水下機(jī)器人搭載多波束測深系統(tǒng)和三維聲吶進(jìn)行全覆蓋檢測，以探明異常規(guī)模以及分布情況，如出現(xiàn)水下無人潛航器系統(tǒng)無法詳查異常部位等情況，則采用潛水員下水探查.

檢測結(jié)果與前次實(shí)測水底地形對比發(fā)現(xiàn)，壩前檢測區(qū)域整體呈現(xiàn)淤積態(tài)勢，左岸側(cè)淤積情況要明顯于右岸側(cè).消力池范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處明顯結(jié)構(gòu)異常，在上游壩面共發(fā)現(xiàn)4處異常，可推斷疑似混凝土局部破損.圖3為大壩壩體上游壩面掃測結(jié)果.

圖3 大壩壩體上游壩面三維點(diǎn)云圖

4.2 橋梁墩柱結(jié)構(gòu)水下檢測

以某大橋墩柱結(jié)構(gòu)水下檢測項(xiàng)目為例，通過檢測橋墩河床的沖刷情況，對橋墩基礎(chǔ)外觀狀況進(jìn)行全面檢測，以掌握承臺及樁基是否存在病害及其程度，相關(guān)水下檢測數(shù)據(jù)可為橋梁健康狀態(tài)評估提供依據(jù).

檢測使用設(shè)備主要有多波束測深系統(tǒng)、三維圖像聲吶、三維實(shí)時聲吶、聲速剖面儀、測量船和水下機(jī)器人.

檢測作業(yè)采用大噸位航道測量船作為設(shè)備載體進(jìn)行測量，使用多波束探測技術(shù)與水下攝像檢查技術(shù)進(jìn)行“面積性普查與局部詳查”聯(lián)合探測.以多波束掃測和實(shí)時三維聲吶探查成果為基礎(chǔ)(見圖4)，使用潛水員及水下無人潛航器系統(tǒng)為載體，搭載水下成像設(shè)備對探測區(qū)內(nèi)的各個異常點(diǎn)及存在疑問的區(qū)域逐一進(jìn)行詳查，并獲得的病害空間分布信息.

圖4 橋位區(qū)域水下地形實(shí)測點(diǎn)云圖

由三維實(shí)時聲吶探查擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)狀態(tài)情況可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大基礎(chǔ)底部混凝土有較為明顯的沖刷現(xiàn)象，混凝土表面劣化嚴(yán)重，已經(jīng)產(chǎn)生了不同程度的侵蝕.在墩柱探查中發(fā)現(xiàn)一定規(guī)模的異常區(qū)域以及凹陷處的不明結(jié)構(gòu)搭接等情況.圖5為橋墩與河床交界處實(shí)時聲吶掃測圖及部分異常位置標(biāo)記.

圖5 橋墩與河床交界處實(shí)時聲吶掃測圖

4.3 水下檢測技術(shù)難點(diǎn)分析

通過多項(xiàng)橋梁和水利工程水下檢測工程實(shí)踐，已充分驗(yàn)證了潛水檢測技術(shù)、水下聲吶成像技術(shù)和水下機(jī)器人等水下檢測技術(shù)及裝備的檢測效果，并形成了以測量船搭載二維、三維掃測聲吶進(jìn)行全面檢測，潛水員水下探摸或水下機(jī)器人攜帶水下攝像系統(tǒng)對存在異常部位進(jìn)行補(bǔ)測的水下檢測技術(shù)方案，檢測結(jié)果表明在符合聲吶檢測設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的情況下能夠較好的完成檢測任務(wù).

同時水下檢測技術(shù)在工程中應(yīng)用還存在諸多難點(diǎn)，亟待科研和技術(shù)工作者進(jìn)一步解決.主要技術(shù)難點(diǎn)包括：

1) 在大流速水下作業(yè)環(huán)境中，潛水員及水下機(jī)器人難以到達(dá)指定檢測地點(diǎn)，更無法進(jìn)行水下探摸、攝像作業(yè).這種情況下，潛水員和水下機(jī)器人難以定位、穩(wěn)定姿態(tài)，造成檢測效率低下、檢測結(jié)果可靠性不高，且存在安全隱患.

例如，針對三維掃測聲吶在水電站上游壩面已發(fā)現(xiàn)的異常，由于受到機(jī)組進(jìn)水口流影響，導(dǎo)致潛水員和水下機(jī)器人無法靠近待檢測部位，影響對異常區(qū)域的復(fù)核.在對某大橋橋墩異常部位安排潛水員進(jìn)行水下探摸時，因?yàn)闃蚨罩車嬖诶@流，潛水員和水下機(jī)器人難以定位、穩(wěn)定姿態(tài)，造成檢測效率低下、檢測結(jié)果可靠性不高，且存在安全隱患.

2) 在使用船載二、三維圖像聲吶等檢測儀器的工程中，作業(yè)船只過大無法靠近待檢測部位，為完成對水下結(jié)構(gòu)的完整掃測，需要不斷調(diào)整船體姿態(tài)，如在對大橋橋墩基礎(chǔ)檢測掃測中，不僅需要駕駛船只分別順流、逆流對墩柱兩側(cè)測量，在行駛過程中還需要不停調(diào)整搭載聲吶與墩柱表面的角度，檢測效率低，易出現(xiàn)安全事故.

5 結(jié) 論

1) 排水檢測適用于引水隧洞、大型橋梁水下結(jié)構(gòu)的檢測工程，檢測效果良好，能夠在檢測過程中對病害進(jìn)行處理，但檢測成本較高.

2) 人工潛水檢測是目前應(yīng)用最多的檢測技術(shù)，在淺水、水質(zhì)好的環(huán)境中檢測效果良好，但在深水、水流湍急及河床有沉船區(qū)域作業(yè)風(fēng)險大.

3) 水下聲吶成像檢測的應(yīng)用范圍廣，受檢測環(huán)境的影響小，檢測結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定，檢測設(shè)備需固定于搭載平臺，檢測效果受搭載裝備制約.

針對傳統(tǒng)水下檢測方法中所存在的檢測效率低、人員和既有設(shè)備均難以到達(dá)待檢測結(jié)構(gòu)部位、既有檢測手段獲取的檢測效果不理想、檢測信息難以用于后續(xù)的結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評估等關(guān)鍵問題，結(jié)合實(shí)際水下檢測工程實(shí)踐，提出了一套應(yīng)用先進(jìn)水下技術(shù)和裝備，大范圍全面檢測和異常部位精細(xì)檢測相結(jié)合的水下檢測技術(shù)方案，并明確了水下檢測相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，為進(jìn)一步形成可應(yīng)用、可推廣、經(jīng)濟(jì)性好的工程結(jié)構(gòu)物水下檢測技術(shù)提供技術(shù)支撐和研究方向.