大壩深孔泄水建筑物淤堵物清理技術(shù)探討

李 星，田金章，賈強(qiáng)強(qiáng)

（1.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，430010，武漢；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，430010，武漢）

一、研究背景

水庫大壩是調(diào)控水資源時空分布、優(yōu)化水資源配置的重要工程措施，是流域防洪體系不可替代的重要組成部分。作為大壩壩體重要的泄水結(jié)構(gòu)，深孔泄水建筑物具有孔口尺寸有限、工作水頭大、閘門推力大等特點(diǎn)對保障大壩防洪安全意義重大。

我國各類水庫普遍存在泥沙淤積問題，壩高30 m（含）以上且有深孔泄水建筑物的水庫共有1000余座，其中存在淤堵問題的水庫比例約占四成，表1 統(tǒng)計了國內(nèi)外部分大壩深孔淤堵案例。由表可知，淤堵物以碎石和泥沙為主，最大淤積厚度可達(dá)數(shù)十米，部分水庫深孔閘門前淤堵物為滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害帶來的塊石、樹枝或施工期遺留的鋼筋等雜物。閘門在淤堵物作用下可能無法啟閉，影響大壩防洪安全。

表1 國內(nèi)外大壩深孔淤堵及處理案例統(tǒng)計

隨著運(yùn)行時間累增，我國將會有越來越多的水庫出現(xiàn)深孔閘前淤堵物堆積問題。此外，在氣候風(fēng)險水平趨于上升背景下，地震、強(qiáng)降水等極端事件發(fā)生概率增加，可能發(fā)生壩前滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，導(dǎo)致大壩深孔發(fā)生淤堵。深孔閘門前淤堵物清理是諸多水庫的切實需求，需高度重視。

二、深孔淤堵物清理技術(shù)現(xiàn)狀

1.淤堵閘門啟門力計算模型

閘門淤堵后啟門力會增大，厘清啟門力的影響因素、構(gòu)建啟門力計算模型可為淤堵物清理提供技術(shù)支撐，國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究。夏毓常提出了泥沙淤積對閘門啟門力影響的估算方法；蔡文剛等對西鄭閘閘門啟門力進(jìn)行了原型試驗，認(rèn)為最大啟門力多發(fā)生在閘門開啟的瞬間；徐國賓等進(jìn)一步完善了夏毓常公式，將泥沙淤積對啟門力的影響考慮為粗顆粒間的摩擦剪切應(yīng)力和細(xì)顆粒間的極限剪切應(yīng)力；高仕趙等提出了弧形閘門啟門力數(shù)值計算模型；楊洲等構(gòu)建了考慮單雙面泥沙淤積情況的啟門力計算公式。研究表明，閘門啟門力與淤堵物粒徑級配、淤堵物厚度、淤積時長和淤積狀態(tài)（單面或雙面淤積）等息息相關(guān)。當(dāng)淤堵物粒徑和淤積厚度增大、淤積時間增加時，閘門啟門力相應(yīng)增大，雙面淤積相比單面淤積啟門力更大。閘門啟門力最大值發(fā)生在閘門提動的瞬間，當(dāng)淤堵導(dǎo)致啟門力超過啟閉機(jī)最大荷載時，閘門便無法提起。

當(dāng)前深孔閘門淤堵物啟門力計算模型相關(guān)研究在泥沙淤積條件下閘門啟門力計算公式方面取得了一定進(jìn)展，但存在與實測資料不夠吻合、未考慮泥沙特征（粒徑、淤積時長等）影響等問題，相關(guān)研究結(jié)果未能應(yīng)用于實際閘門前淤堵物的清理作業(yè)。

2.淤堵物水下探測技術(shù)

淤堵物水下探測技術(shù)可界定清理范圍，為選擇合適的清理措施提供決策支撐，是水下淤堵物清理的前提。淤堵物探測技術(shù)主要包括水下目視、水下激光成像、水下高清攝像技術(shù)、水下三維聲吶成像、水下機(jī)器人（ROV）技術(shù)等（見表2）。

表2 淤堵物水下探測技術(shù)比較

水下探測技術(shù)發(fā)展迅速，在水下結(jié)構(gòu)缺陷探測、水下地形探測等方面進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，水下機(jī)器人搭載三維聲吶成像技術(shù)可用于深孔水下淤堵物探測，但目前應(yīng)用相對較少。

3.淤堵物清理技術(shù)裝備

目前水下淤堵物清理主要有人工清理、泄洪清理、機(jī)械設(shè)備清理等方法。人工清理一般通過人工潛水進(jìn)行水下作業(yè)，操作方便，適用于水深不大、淤堵不嚴(yán)重工況，但往往受限于水下環(huán)境，清理效率不高且存在安全風(fēng)險。如鴨河口水庫泵站進(jìn)口通過潛水員清淤，2個月僅完成工程量的1/6，工程共耗時8個月，潛水員下水作業(yè)1286次。泄洪清理通過開啟閘門泄洪，利用水流帶走淤積物，適用于淤堵不嚴(yán)重且淤堵物松散的情況，對板結(jié)淤堵物清理效果較差。如勾山水庫、劉家峽水電站、三門峽水庫等采用合理調(diào)度、水流排沙等措施清理淤積物后，閘門可正常啟閉。機(jī)械設(shè)備清理一般通過吹掃或泵吸設(shè)備進(jìn)行淤堵物清理，適用于松散淤堵物，存在定位與檢查困難、能耗大、適用性不高等問題，不適用于水壓大、可見度差、空間局促的深水閘門環(huán)境。

隨著水下清淤技術(shù)的發(fā)展，采用水下清淤機(jī)器人替代傳統(tǒng)人工進(jìn)行深孔水下檢查、清理、修復(fù)等相關(guān)作業(yè)成為行業(yè)熱點(diǎn)，水下清淤機(jī)器人具有自動化程度高、功能多、操作靈活等特點(diǎn)，既保證人員安全，又能提高工作效率。程陽銳等設(shè)計研發(fā)了具備水下清淤、行走、定位、動力及智能控制等功能的“達(dá)諾一號”清淤機(jī)器人樣機(jī)，機(jī)身裝備絞吸頭，可替換搭載抓取及破碎切割裝置，在馬鹿塘水庫進(jìn)水口開展了清淤作業(yè)。單宇翥等利用搭載機(jī)械手的ROV 對三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔封堵檢修門槽和底檻進(jìn)行了水下清理。黎宙等以及彭建平等研制了適用于200 m級深水環(huán)境和孔洞的自行式履帶清淤車，可攜帶絞吸頭、抓斗等作業(yè)工具，適應(yīng)深水受限空間（含各種孔洞等），在小浪底水利樞紐進(jìn)行了應(yīng)用試驗。熊新宇等研發(fā)了一種具備水下探測、絞吸淤泥等功能的水下清淤機(jī)器人，可在水深30 m以內(nèi)水體中工作，在南水北調(diào)干渠閘門進(jìn)行了水下清淤。此外，浙江大學(xué)、中船重工中南裝備有限責(zé)任公司發(fā)明了具有絞吸等功能水下清淤機(jī)器人，可用于涵洞內(nèi)淤泥清理。

三、深孔淤堵物清理技術(shù)難點(diǎn)及對策

深孔淤堵物清理技術(shù)和裝備目前仍處于研究和測試階段，在深孔水下環(huán)境高精度重構(gòu)技術(shù)、閘門啟門力數(shù)值計算模型、深孔清淤機(jī)器人等方面仍有不少技術(shù)難點(diǎn)，需進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

1.水下環(huán)境高精度重構(gòu)技術(shù)

水下環(huán)境重構(gòu)技術(shù)指基于聲學(xué)、光學(xué)等方法對水下環(huán)境信息進(jìn)行采集，根據(jù)圖像的映射原理獲得三維坐標(biāo)，進(jìn)而對水下環(huán)境進(jìn)行三維重構(gòu)，是淤堵物清理的前提。與水上環(huán)境三維重構(gòu)不同，水下三維環(huán)境重構(gòu)具有以下難點(diǎn)：

①水下環(huán)境水深變化大，目標(biāo)物種類多。目前已有的大壩深孔最大水深超過100 m，水下存在多類型淤堵物，探測采集設(shè)備需有較好的耐壓性及較高的分辨率，以準(zhǔn)確獲取水下目標(biāo)信息。

②水下環(huán)境能見度低，生成的圖像存在大量噪聲或圖像畸變，水下諸多目標(biāo)無法準(zhǔn)確辨識，嚴(yán)重影響水下環(huán)境重構(gòu)。

③深孔內(nèi)空間有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對孔洞內(nèi)結(jié)構(gòu)識別與重構(gòu)提出更高的要求。

基于深孔水下環(huán)境特點(diǎn)，需研發(fā)水下環(huán)境高精度重構(gòu)技術(shù)，以準(zhǔn)確識別水下空間、規(guī)劃水下作業(yè)路徑。當(dāng)前，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對水下環(huán)境重構(gòu)技術(shù)開展的研究，大多基于圖像或聲吶采集水下地形原始數(shù)據(jù)，形成水下環(huán)境三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)再集成至三維軟件，實現(xiàn)水下環(huán)境的圖像拼接與三維建模。在圖像噪聲處理、圖像特征提取、重構(gòu)精度等方面仍需進(jìn)一步開展研究，應(yīng)結(jié)合慣導(dǎo)綜合導(dǎo)航定位技術(shù)，構(gòu)建水下作業(yè)參數(shù)和作業(yè)區(qū)域環(huán)境感知系統(tǒng)，準(zhǔn)確定位機(jī)器人位置及姿態(tài)，計算出最優(yōu)的操作模式。

2.閘門啟門力數(shù)值計算模型

針對泥沙淤積條件下閘門啟門力計算已開展了相關(guān)研究，但目前閘門啟門力影響規(guī)律尚未完全清晰，目前研究較少考慮淤堵物特征、淤堵時間等因素的影響，理論計算與實測資料吻合程度不高，且尚未在淤堵物清理中進(jìn)行實際應(yīng)用，需進(jìn)一步開展閘門啟門力數(shù)值模型研究。

考慮淤堵物淤積影響時，閘門上的作用力包括水體和淤堵物對閘門的水平壓力Fs、閘門支承摩阻力Tzc、止水摩阻力Tzs、閘門自重G、外壓塊重力Gw、閘門上水柱壓力Ws、下吸力Px、淤堵物對閘門的附著力等。閘門啟門力FQ主要與淤堵物特性、閘門特征、止水特征、軸承特征等4類參數(shù)密切相關(guān)，可構(gòu)建為關(guān)于上述參數(shù)的函數(shù)，如下式所示：

式中：hs為淤堵物深度，A為淤堵物與閘門接觸面積，Ks為淤堵物自身特性（包括滲透系數(shù)、極限剪切力等），hw為水深，Gzm為閘門特征（包括閘門尺寸、重度等），px為下吸引力，Lzs為止水特征（包括止水間距離、止水與主梁下翼緣距離等），Rzc為軸承特征（包括滾輪半徑、滾輪軸半徑等）。

基于上述模型，分析已有深孔閘門啟門力與淤堵物特征、閘門特征等因素之間的關(guān)系，求解相關(guān)參數(shù)，探究閘門啟門力的變化規(guī)律，計算分析不同淤堵物粒徑、淤積厚度、淤積形態(tài)等條件下的閘門啟門力分布規(guī)律，探究不同淤堵物條件下，閘門提取臨界淤積深度和形態(tài)，為閘門前淤堵物清理提供理論支撐。

3.深孔清淤機(jī)器人

目前針對深孔清淤機(jī)器人已開展了相關(guān)研究并進(jìn)行了水下淤堵物探測及清理實踐。但深孔清淤機(jī)器人受孔壁、淤堵物、深水等環(huán)境因素干擾較大，面臨以下難點(diǎn)：①淤堵物種類多。深孔閘門淤堵物以泥沙、碎石為主，也存在大粒徑塊石或混凝土塊、鋼筋或樹枝等雜物，要求清淤機(jī)器人具備多種清淤功能，并可根據(jù)不同類型淤堵物切換作業(yè)模式。②深孔空間有限。深孔斷面面積一般為30～40 m2，大型設(shè)備無法進(jìn)入孔洞內(nèi)進(jìn)行淤堵物清理，要求清淤機(jī)器人尺寸和深孔斷面相匹配。③淤堵物清理時效要求高。淤堵物在深孔閘門前淤堵影響閘門正常啟閉，若短時間內(nèi)無法清理將對大壩防洪安全造成威脅，要求清淤機(jī)器人可以高效作業(yè)，及時清理淤堵物。

目前水下清淤機(jī)器人在功能方面以絞吸為主，少數(shù)具有機(jī)械手抓取、耙子耙取功能，幾乎沒有破碎大粒徑石塊的功能。此外，大多數(shù)水下清淤機(jī)器人僅可搭載單種作業(yè)裝置，當(dāng)水下淤堵物種類較多或遇突發(fā)狀況時，需更換作業(yè)裝置，耗時且效率低，難以滿足清理時效的要求，因此亟須研發(fā)一種多類型淤堵物一體化清理機(jī)器人。該機(jī)器人能將破碎、絞吸、抓取等作業(yè)裝置集成于一體，可根據(jù)淤堵物類型切換工作模式，實現(xiàn)多工具協(xié)同作業(yè)：針對粒徑較大的巖石或混凝土塊，利用破碎裝置進(jìn)行破碎；對于泥沙等淤堵物，通過絞吸抽取—輸送系統(tǒng)，進(jìn)行泥沙及碎石絞吸；針對樹木、雜物等，通過機(jī)械手裝置進(jìn)行抓取清理，對多種類型淤堵物進(jìn)行高效清理。

四、結(jié) 語

深孔建筑物淤堵是庫壩運(yùn)行管理中亟待解決的關(guān)鍵問題。我國針對淤堵物探測、淤堵物清理技術(shù)裝備等已開展大量研究，取得了重要成果，但在水下環(huán)境重構(gòu)技術(shù)、閘門啟門力數(shù)值計算模型、深孔清淤裝備等方面仍存在技術(shù)難點(diǎn)，亟須進(jìn)一步開展相關(guān)研究，以提高深水閘門淤堵物清理能力，提升水庫大壩應(yīng)對災(zāi)害的能力。