水下機器人在北京雨洪工程水下檢測中的應(yīng)用

肖 俊 曹溫博 鄭鴻志

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038;2.北京市城市河湖管理處，北京 100089)

1 引 言

水利工程建設(shè)投資大、周期長、社會效益深遠。近些年隨著社會不斷發(fā)展,技術(shù)不斷進步,對管理水平的要求也在逐漸提高。

目前水利工程水上部分的檢測技術(shù)已經(jīng)比較成熟,大部分能以無損或半破損方式進行[1-3]。在大力開發(fā)海洋自然資源進程中,水下檢測技術(shù)得到了快速發(fā)展。水利工程的水下檢測技術(shù)也應(yīng)運而生,相繼開發(fā)出多種先進、高效的水下檢測設(shè)備及技術(shù)。目前水下檢測多由潛水員攜帶水下檢測設(shè)備進行,或采用水下無人遙控潛水器檢測技術(shù)[4-5]。水下無人遙控潛水器又可稱為水下機器人,廣泛應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域,以及在海洋、內(nèi)湖環(huán)境下的各類水下工程作業(yè)、打撈救生和海洋科學考察等方面[6]。

水下檢測設(shè)備一般由檢測儀器和搭載平臺兩部分組成。檢測儀器有水下超聲測厚儀、水下磁粉探傷儀、水下電位測量儀、水下攝影機、水下無人遙控潛水器、水下無損探傷儀、淺層剖面儀、彩色圖像聲吶、水下測量電視等。搭載平臺以無人水下機器人為主。無人水下機器人主要有有纜遙控機器人(潛水器)和無纜遙控機器人(潛水器)兩種,其中有纜遙控潛水器又分為水中自航式、拖航式和能在海底結(jié)構(gòu)物上爬行的三種[7-8]。

近年來,小型水下機器人檢測技術(shù)日益成熟,其具有體型小巧、安全高效、可搭載多型傳感器及費用低等特點,可有效解決傳統(tǒng)水下檢測作業(yè)難度大、效率低、費用高等難題,有利于開展定期檢查檢測任務(wù),提升水利工程安全管理水平。有纜遙控機器人下潛深度可達100m以上,負載能力也在10kg以上,可以滿足絕大多數(shù)水利工程水下檢測和作業(yè)的需求[9]。

本文結(jié)合北京市西郊蓄滯雨洪工程中暗涵出口檢修閘高水位運行狀態(tài)下水下無損檢測項目,驗證了小型水下機器人在空間狹小區(qū)域進行水下作業(yè)的適用性,積累了水下檢測工程經(jīng)驗,可為今后常態(tài)化檢測和其他類似工程提供參考及經(jīng)驗。

2 水下機器人功能及檢測系統(tǒng)

本次水下檢測采用的智能水下機器人FIFISH PRO V6 PLUS,屬于無人潛水有纜遙控水下機器人(Remote Operated Vehicle,ROV),該水下機器人機身重量5kg,最大潛深150m,體積較小,最厚處僅158mm,靈巧高效,可進行長時間水下作業(yè)。

在操控方面,FIFISH PRO V6 PLUS具有自動定距定高聲吶系統(tǒng),見圖1,可以實時測量前向距離和下向高度,通過距離鎖定和高度鎖定,降低操作難度,使各類檢測工作更高效、精準。同時,該水下機器人具備6個自由度,全向360°運行姿態(tài),可在各個方向上移動以及360°旋轉(zhuǎn)、平移和傾斜。沿任何方向移動時,姿態(tài)鎖定功能可以確保機器人的角度固定。

在定位和測量方面,FIFISH PRO V6 PLUS具有水下快速定位系統(tǒng)(U-QPS),隨時隨地提供水下位置,配備高精密雙重標尺功能:一是基于機器視覺的AR輔助標尺;二是基于傳統(tǒng)激光方式的激光標尺?；跈C器視覺的AR輔助標尺,量測精度1cm,自適應(yīng)測量范圍和可視化測量數(shù)據(jù),并可以移動標尺和自定義標尺顏色。

照明和攝錄像方面,FIFISH PRO V6 PLUS配備6000lx超強光照燈,配備4K超高清相機鏡頭,可真實地呈現(xiàn)高清圖像內(nèi)容。此外,采用閉環(huán)增穩(wěn)算法,可自適應(yīng)外部干擾環(huán)境自動調(diào)節(jié)動力曲線,使ROV拍攝圖像更穩(wěn)定。

圖1 聲吶自動定距定高

檢測作業(yè)時,根據(jù)檢測內(nèi)容及要求、現(xiàn)場水質(zhì)能見度、水體內(nèi)水生物分布情況等因素確定測線間距布設(shè)及檢測路徑,確保完全覆蓋檢測面。在巡游檢測過程中,對發(fā)現(xiàn)的缺陷利用水下快速定位系統(tǒng)(U-QPS)和高精密雙重標尺系統(tǒng)詳細記錄缺陷尺寸、位置及性狀,具體檢測流程見圖2。

圖2 水下檢測流程

3 ROV系統(tǒng)在北京市西郊雨洪蓄滯工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

北京市西郊雨洪蓄滯工程是為確保北京中心城區(qū)的防洪安全,不讓八大處溝流域及北八排溝、瑯黃溝流域27km2的100年一遇洪水下泄入城,解決其洪水出路的工程,是北京“西蓄、東排、南北分洪”的城市防洪體系中的重要組成部分。

阜石路分洪暗涵出口檢修閘為2孔,出口閘在地面52.00m高程以下為2座豎井,見圖3。閘室底板建在原狀砂礫石土層上。檢修閘門為潛孔式平面閘門,孔口尺寸為4.0m×3.8m,閘門尺寸為4.0m×3.8m-7.8m(寬×高-設(shè)計水頭),閘門雙向擋水,靜水閉門,動水起門。

檢修閘暗涵出口修建有檢修平臺,同時可以作為觀賞平臺。平臺采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),平臺頂高程58.00～59.25m,平臺下部高程52.10m。

由于近年北京市頻繁降雨,同時利用南水北調(diào)來水進行地下水回補,西郊雨洪蓄滯工程的蓄水水位和累計蓄水總量均達到歷史最高。不僅在防洪方面,西郊雨洪蓄滯工程在回補地下水以及生態(tài)治理方面也發(fā)揮了重要作用,為保障首都人民生命財產(chǎn)安全做出了重要貢獻。

阜石路分洪暗涵出口檢修閘是西郊雨洪蓄滯工程的重要組成部分,該閘建成后已運行超過5年。根據(jù)《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管〔2008〕214號)的要求,為加強水閘安全管理,保障水閘安全運行,需對其進行一次全面的安全鑒定。由于持續(xù)高水位運行,閘門金屬結(jié)構(gòu)和涵洞混凝土的情況無法掌握,加上水閘檢修平臺和兩側(cè)填土出現(xiàn)較大沉降,可能對閘室側(cè)墻產(chǎn)生影響,因此,需要對檢修閘水下部分進行水下檢測,為后期的安全運行提供科學依據(jù)。

圖3 阜石路分洪暗涵出口檢修閘照片

3.2 檢測方案

通過收集原設(shè)計資料、原始地形資料,結(jié)合工程高水位狀態(tài)和庫區(qū)水生植物多的特點,采用從閘門兩側(cè)狹小空間進入的方法,對兩側(cè)墻、暗涵及閘門底檻進行巡查,重點對側(cè)墻頂部、伸縮縫、暗涵與水閘閘室連接處,出口消力池進行檢測,并對存在的典型缺陷尺寸進行了測量。

檢測時水閘處于高水位狀態(tài)且上游涵洞持續(xù)補水,利用FIFISH PRO V6 PLUS體積較小的特點,從閘門兩側(cè)及底部狹小空間穿行至重點檢測位置,見圖4?？傮w檢測思路為“面積性普查與局部詳查”。

水下作業(yè)時,從閘門開始由上至下、從左到右檢測至底部,閘門檢測完成后進行底板檢測,然后檢測側(cè)墻及頂部,見圖5。每個區(qū)域的測線間距根據(jù)水質(zhì)情況及能見度情況設(shè)定,確保視頻視角能夠全面覆蓋巡游范圍,見圖6。對重點檢測部位,如暗涵與水閘連接處等,可加密測線以確保更細致的觀測。

圖4 水下檢測區(qū)域剖面

圖5 水下巡游路線

檢測過程中發(fā)現(xiàn)缺陷需要測量尺寸時,水下機器人懸停,利用高精密雙重標尺進行精確測量,見圖7。激光標尺由左右兩個激光發(fā)射器組成,兩個激光發(fā)射器定距寬為12cm,在水下作業(yè)時可以根據(jù)紅外線激光標尺結(jié)合AR算法來測量目標的尺寸,量測精度為1cm。

3.3 檢測成果分析

通過對暗涵出口檢修閘1孔、2孔的閘室底板,閘室側(cè)墻、閘室相連的上下游段涵洞側(cè)墻的全覆蓋檢測,主要缺陷表現(xiàn)為裂縫、混凝土脫落、防水層破損、閘門底檻銹蝕、底板淤積物較多等。

圖6 水下檢測測線

圖7 高精度尺度測量

a.1號孔閘室上、下游側(cè)墻基本完好,下游底板淤積物較多,涵洞右側(cè)墻有一條縱向裂縫,可見長度約3m;一條豎向裂縫,可見長度約2.6m,無其他明顯缺陷,見圖8;1號孔涵洞下游右側(cè)墻伸縮縫處混凝土局部脫落,見圖9,面積為0.3m×1.6m,底板基本完好,無其他明顯缺陷。

b.2號孔閘室及上、下游側(cè)墻基本完好,閘門底檻金屬結(jié)構(gòu)有輕微銹蝕現(xiàn)象,見圖10,閘室底板下游側(cè)淤積物較多,見圖11,無其他明顯缺陷;2號孔涵洞側(cè)墻及底板基本完好,無明顯缺陷。

c.出口消力池沉積物較多,無較大可見缺陷。本次全覆蓋檢測未發(fā)現(xiàn)較大變形、較寬裂縫、大面積混凝土脫落等嚴重缺陷,未發(fā)現(xiàn)影響水閘整體安全運行的重大缺陷。

圖8 混凝土裂縫

圖9 混凝土局部脫落

圖10 金屬結(jié)構(gòu)輕微銹蝕

3.4 不同檢測方法對比

本次采用水下機器人對北京市西郊蓄滯雨洪工程暗涵出口檢修閘進行檢測取得了較好效果,從經(jīng)濟性、安全性、作業(yè)效率及檢測效果等方面和常規(guī)水下檢測方法進行對比,結(jié)果見表1。

圖11 底板淤積物較多

表1 不同檢測方法對比

由表1比對可見:經(jīng)濟性上,圍堰法、放空法、人工潛水等傳統(tǒng)常規(guī)檢測手段成本較高,且圍堰法、放空法需要停止生產(chǎn),會造成一定經(jīng)濟損失;安全性上,圍堰法對防水、加固等措施要求極高[10],稍有不慎容易發(fā)生事故,放空法對檢測人員友好但設(shè)施突然放空對設(shè)施本身帶來一定的安全隱患[11],人工潛水對檢測人員素質(zhì)有極高要求,屬于危險作業(yè);作業(yè)效率上,搭圍堰、放空耗時較長,人工潛水有嚴格的時間和潛水深度規(guī)定,極大影響檢測效率。

綜上所述,使用水下機器人進行水下檢測具有成本低、風險低、效率高、檢測效果好等傳統(tǒng)水下檢測不具備或很難同時具備的優(yōu)點。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

a.通過水下機器人成像系統(tǒng)可以對水下建筑物的缺陷進行全面檢測。通過“面積性普查與局部詳查”的檢測思路,普查和詳查相結(jié)合的方式提高水下檢測覆蓋度,當發(fā)現(xiàn)局部缺陷時進行懸停檢測,記錄信息,檢測效率較高。

b.根據(jù)需求,水下機器人可搭載聲吶系統(tǒng)、機械臂、取樣裝置、視蹤裝置等,根據(jù)檢測要求靈活使用,提高檢測適用性。

c.水下機器人在深水作業(yè)、危險區(qū)域作業(yè)、通過狹小空間等方面具有極大優(yōu)勢,搭載岸電系統(tǒng),水下機器人可實現(xiàn)連續(xù)長時間不間斷水下作業(yè)。

d.水下機器人進行水下檢測具有成本低、風險低、效率高、檢測效果好等傳統(tǒng)水下檢測不具備或很難同時具備的優(yōu)點。

4.2 建議

a.水下機器人操控受水流流速、流態(tài)影響明顯,當水流流速超過2節(jié)(約1m/s)時操控就較為困難,建議增加機器人自穩(wěn)系統(tǒng),進一步提高機器人的穩(wěn)定性。

b.鑒于南水北調(diào)來水入京后,北京市諸多水利工程常年處于高水位運行狀態(tài),很難具備無水檢測的條件,建議對該類建筑物水下部位采用水下機器人檢測技術(shù)進行定期檢測,確保工程安全平穩(wěn)運行。