基于有纜遙控水下機(jī)器人的水電站檢測(cè)方法

鄒金明

（福建仙游九鯉湖建設(shè)管理委員會(huì),福建 莆田 351200）

0 引言

水下機(jī)器人（UUV）在海洋科學(xué)研究、海洋工程等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,其可分為自主水下機(jī)器人（AUV）和有纜遙控水下機(jī)器人（ROV）。21世紀(jì)開始,AUV 技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展,涌現(xiàn)出產(chǎn)品化AUV 的商業(yè)公司,包括美國(guó)Hydroid 公司的Bluefin 系列、挪威Kongsberg 公司的REMUS系列、美國(guó)Teledyne 公司的Gavia 系列等,標(biāo)志著AUV 進(jìn)入了大規(guī)模應(yīng)用階段[1]。雖然AUV 可自帶動(dòng)力源并自主航行,但在水下作業(yè)時(shí)間、作業(yè)能力、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸性等方面能力有限。ROV 依靠臍帶電纜提供動(dòng)力源,具有水下作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸快等特點(diǎn),但是遙控電纜限制了作業(yè)范圍[2]。相比海基工程的水下檢測(cè)工作,陸基水利水電工程的水下檢測(cè)工作并不需要較大作業(yè)范圍。ROV 自身攜帶多波束測(cè)深技術(shù)可以獲得局部水下待測(cè)目標(biāo)的高精度地形地貌信息,經(jīng)過計(jì)算可對(duì)水下結(jié)構(gòu)特征部位進(jìn)行定量分析,并通過水下高像素?cái)z像機(jī),對(duì)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位連續(xù)的拍照和錄像,為水下檢測(cè)工作提供可視化分析數(shù)據(jù)[3]。世界上已經(jīng)有近百家ROV 制造廠商,ROV 的使用量仍然保持著強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭,其中美國(guó)、加拿大等國(guó)家在ROV 研發(fā)制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,同時(shí)占據(jù)了絕大部分的商業(yè)市場(chǎng)份額[4]。

目前,ROV 已經(jīng)成功應(yīng)用于烏江渡水電站、三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔封堵檢修門[5]、仙游金鐘水庫(kù)大壩[6]、望虞河望亭水利樞紐工作閘門[7]、三渡溪水庫(kù)[8]、金雞攔河閘重建工程[9]等水利水電工程的水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作。本文將ROV 應(yīng)用于福建三明市某水電站的水下檢測(cè)工作,通過定性化圖像分析和評(píng)估了水下結(jié)構(gòu)的具體狀況,將為水電站工程日常運(yùn)行維護(hù)以及缺陷修復(fù)提供詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 檢測(cè)方法

水電站水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作采用了SeaBotix LBV300-5 小型遙控水下機(jī)器人,見圖1。這一型號(hào)的有纜遙控水下機(jī)器人結(jié)合了水下視頻、多波束聲吶、水下定位和機(jī)器人水下操作等功能,具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、圖像清晰等特點(diǎn)。這一型號(hào)的有纜遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)由水下潛器、控制臺(tái)、短基線定位系統(tǒng)、多波束圖像聲吶等單元組成。水下潛器配備有前視攝像頭、后視攝像頭、LED 照射燈具、水平推進(jìn)器、垂直推進(jìn)器、左右推進(jìn)器等部件,最大下潛深度為300 m,通過遙控電纜與控制臺(tái)相連。操作指令由控制臺(tái)下達(dá)并由電纜傳輸：水下潛器得到指令后可進(jìn)行上升下潛、前進(jìn)后退、左右旋轉(zhuǎn)等三維空間作業(yè)；還可進(jìn)行水下懸停、機(jī)械臂控制、攝像頭調(diào)整、輔助燈光和測(cè)距激光的開關(guān)等任務(wù),并將水下拍攝視頻和聲吶探測(cè)結(jié)果回傳儲(chǔ)存至筆記本電腦。

圖1 LBV300-5 水下機(jī)器人主要構(gòu)件圖

根據(jù)實(shí)際檢測(cè)工作：SeaBotix LBV300-5 小型遙控水下機(jī)器人雖然具有作業(yè)靈活、工作高效、檢測(cè)直觀、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢(shì)；但是其也具有一些劣勢(shì),具體表現(xiàn)在：①對(duì)流速過快、具有旋渦及雜物垃圾、水質(zhì)渾濁的復(fù)雜水下環(huán)境缺少有效應(yīng)對(duì)措施,在這些水下區(qū)域內(nèi)無法對(duì)待測(cè)目標(biāo)展開詳細(xì)檢測(cè)；②基于遙控電纜的限制,容易發(fā)生電纜纏繞、掛附等狀況,加之不當(dāng)操作,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致水下潛器動(dòng)力系統(tǒng)故障。

2021年,利用LBV300-5 有纜遙控水下機(jī)器人視頻圖像結(jié)合聲吶系統(tǒng)對(duì)水電站的粗柵、前池、進(jìn)水口檢修閘門槽、尾水、大壩溢洪道泄水閘的弧門前上游及下游等局部水下結(jié)構(gòu)和局部區(qū)域的完整性進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)期間水電站水庫(kù)天氣為多云,水位為160.77 m。本次水下實(shí)際檢測(cè)工作的具體檢測(cè)區(qū)域?yàn)榇謻?#～12#孔；前池；進(jìn)水口檢修閘門槽1#～3#機(jī)的左右兩孔（共6 孔）；尾水1#～6#孔；大壩溢洪道泄水閘的弧門前上游閘墩、弧門前堰頂、弧門的溢流面混凝土結(jié)構(gòu)等；大壩溢洪道泄水閘下游閘墩、溢流面混凝土結(jié)構(gòu)等。通常采用的水下檢測(cè)方法是先對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行了聲吶系統(tǒng)的大范圍結(jié)構(gòu)斷面輪廓粗略掃描,而后再利用水下視頻系統(tǒng)對(duì)可疑區(qū)域進(jìn)行細(xì)致掃描。

2 工程概況

某水電站位于福建省三明市將樂縣的金溪河干流上,由擋水壩、泄洪閘、水筏道、電站廠房和開關(guān)站等組成。壩頂交通橋頂高程165.6 m,壩頂總長(zhǎng)約302 m。水電站大壩左右岸擋水壩均為實(shí)體重力壩,壩頂高程為165.5 m,最大壩高為28.5 m；左岸重力壩最大壩高為19 m,最大壩底寬11.8 m。泄洪閘共設(shè)10 孔,每孔凈寬12 m,堰頂高程149 m,上設(shè)開敞式弧形鋼閘門,弧形鋼閘門尺寸12 m×12.3 m。泄洪閘為敞頂式,布置在河床中部,共10 孔,孔口寬12 m,采用消力戽消能。水電站壩址控制流域面積5819 km2,多年平均流量193.1 m3/s,平均年徑流量60.9 億m3。當(dāng)正常蓄水位161 m 時(shí),水庫(kù)面積3.86 km2,干流回水長(zhǎng)度約20 km。壩址河床左側(cè)基巖裸露,右側(cè)主河槽為砂卵石覆蓋,厚5 m～7 m,基巖為云母石英片巖夾石英云母片巖,雖較軟弱,但抗壓強(qiáng)度可滿足閘壩（最大壩高小于30 m）承載力的要求。

3 檢測(cè)結(jié)果

（1）粗柵1#～12#孔。粗柵前淤積厚度為1.8 m～3.8 m；粗柵主梁、柵葉普遍銹蝕明顯,銹包鼓脹；粗柵的柵葉、柵前見較多樹枝、垃圾等淤積（見圖2）。

圖2 粗柵柵葉樹枝及附著物淤積

（2）前池。前池底板混凝土基本完整,表面基本平整；未見明顯的沖刷、開裂、露石、露筋、堆積等現(xiàn)象,僅靠近左岸擋水壩段略有堆積。

（3）進(jìn)水口檢修閘門槽1#～3#機(jī)的左右兩孔共6 孔。進(jìn)水口檢修閘門槽基本完整,未見明顯的沖刷、淘坑、開裂、露石、露筋等現(xiàn)象,底板上局部略有淤積物；閘門槽埋件普遍銹蝕,底檻附近混凝土磨損露石較明顯；攔污柵細(xì)柵普遍銹蝕嚴(yán)重,柵葉上附著較多的垃圾,底檻埋件銹蝕明顯。

（4）尾水1#～6#孔。尾水檢修閘門槽、閘墩、底板等混凝土結(jié)構(gòu)基本完整,表面附著大量的水生生物,未見明顯的沖刷、淘坑、開裂、露石、露筋、堆積等現(xiàn)象；閘門槽埋件普遍銹蝕；尾水閘墩墩尾下游8 m 起普遍存在塊石堆積。

（5）大壩溢洪道泄水閘的弧門前上游閘墩、弧門前堰頂、弧門的溢流面混凝土結(jié)構(gòu)基本完整,未見明顯的沖刷、淘坑、開裂、露石、露筋等現(xiàn)象,但局部也存在缺陷,如1#右側(cè)閘墩上游墩頭局部剝蝕、1#右側(cè)閘墩局部孔洞（約15 cm×25 cm×6 cm）、4#孔左側(cè)閘墩表面局部孔洞（約10 cm×10 cm×6 cm）、6#孔右側(cè)閘墩表面較深孔洞（約40 cm×20 cm×12 cm）、7#孔左側(cè)墩閘門埋件附近上下方向長(zhǎng)條狀孔洞（約8 cm×25 cm×5 cm）；閘門槽埋件略有銹蝕,閘門止水座板、螺栓也存在銹蝕（見圖3）。

圖3 溢洪道閘門槽埋件銹蝕區(qū)域

（6）大壩溢洪道泄水閘下游閘墩、溢流面混凝土結(jié)構(gòu)總體上基本完整,未見明顯的淘坑、開裂等現(xiàn)象,但閘墩的水位波動(dòng)區(qū)普遍存在沖刷、露石,9#孔左側(cè)閘墩表面1 處露筋70 cm 長(zhǎng)（見圖4）。

圖4 9#孔左側(cè)閘墩表面露筋區(qū)域

通過上述檢測(cè)結(jié)果表明：水電站粗柵、前池、進(jìn)水口檢修閘門槽、尾水、大壩溢洪道泄水閘的弧門前上下游局部水下結(jié)構(gòu)和區(qū)域的完整性良好,可以繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)局部水下結(jié)構(gòu)存在的銹蝕區(qū)域要加以注意,針對(duì)局部水下區(qū)域出現(xiàn)的附著物淤積情況要進(jìn)行及時(shí)的清理工作。本次利用有纜遙控水下機(jī)器人的檢測(cè)工作為水電站定期維護(hù)工作提供了必要的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

水電站工程表明有纜遙控水下機(jī)器人在檢測(cè)水電工程水下結(jié)構(gòu)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過有纜遙控水下機(jī)器人可清晰地檢測(cè)水電站水下粗柵、前池、進(jìn)水口檢修閘門槽、尾水、大壩溢洪道泄水閘的弧門前上游及下游閘墩、溢流面混凝土等區(qū)域的實(shí)際情況,包括柵葉上的附著物、前池底板混凝土、攔污柵和尾水閘門側(cè)軌的銹蝕區(qū)域。雖然大壩溢洪道泄水閘的弧門前上游及下游閘墩、弧門前堰頂、弧門的溢流面混凝土結(jié)構(gòu)等區(qū)域未見明顯的沖刷、淘坑、開裂、露石、露筋等現(xiàn)象,但局部也存在缺陷,為后期水電站運(yùn)行制度和排除安全隱患提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)信息。今后要逐步探索并完善水下機(jī)器人的檢測(cè)區(qū)域,以期為水下結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)檢測(cè)提供可靠的技術(shù)支撐。