水下檢測設備分類概述及應用分析

顧紅鷹，董延朋，劉力真

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

水下檢測設備分類概述及應用分析

顧紅鷹，董延朋，劉力真

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

水利工程檢測多指陸地上的工程檢測，這類檢測技術方法多且成熟，而水下工程檢測除特殊要求利用專業的潛水員和放空水后兩種檢測方式外，多是采用海上的設備。由于條件、環境的不同，在應用上存在差異。本文簡要介紹了水利工程的水下檢測設備和相關研發應用技術。

水下工程檢測；水下檢測設備分類；水下檢測平臺研發

目前，水下檢測在海洋工程領域已得到廣泛的應用，并取得較好的成果。在水利工程領域，由于水下部分結構的復雜性及傳統思想的限制，水下檢測技術一直沒有得到很好的發展，仍然習慣采用潛水員入水目視觀察等方法。也有引進水下機器人進行壩前檢測，存在局限性。隨著電子技術、信號處理技術以及水下潛器技術的發展，水下檢測成為必要的也是必須的，水下檢測技術在水利工程領域必將得到廣泛的應用。

1 水下檢測應用的范圍及方式

水下檢測應用廣泛，水利工程是其中重要的應用領域：海洋中的土建工程；水中資源調查、觀測；江河與水庫堤壩的監測及其他水下建筑設施的定期檢查；水下安保和水下考古等。

水下檢測有一是放空檢測，二是入水檢測。放空檢測是將水全面排空，使被檢測體暴露進行檢測，有很多工程不宜采用此方法，如排水成本、放空可能對建筑物產生不利等原因。入水檢測是可采用潛水員攜帶檢測設施檢測，也可采用機器人入水檢測。

水下檢測的關鍵技術除了專用的檢測設施外，其搭載檢測設施的平臺——水下機器人成為水下檢測技術發展的關鍵。

2 水下檢測的關鍵技術

目前，水利工程水上部分的檢測監測技術已較成熟，大部分能以無損方式進行。但水下部分的監測只能依賴預先埋設的固定監測儀器來實施。儀器埋設的固定性決定了只能對有限的幾個部位進行監測，一旦儀器損壞或工程的其他部位出險，只有具備一定條件時，才可借助潛水員入水檢查或排空檢查。一些特殊工程根本不具備潛水員入水或排空檢查條件。隨著中國國民經濟綜合實力的提高，大型水利工程如南水北調等涉及水安全戰略的重點工程建成和投入運行，重要水下節點工程的安全檢測問題更加突出，特別是水利工程中的水下結構的復雜性決定了檢測手段與海洋觀測中的探測技術的差別。目的明確、觀測詳實、定位準確、數據精準等有別于海洋觀測。引進設備在開敞式水域可完成檢測，但對于水下大體積、大管徑、長隧（管）道、管徑漸變物體及狹小空間進行檢測中仍存在很多問題和技術難題。

3 水利工程中的水域環境因素

20世紀90年代開始引進國外的設備，水下機器人代替潛水員進行觀察的，并研發生產水下機器人。水下機器人能否有效完成水下作業任務，除其自身性能外，主要受作業區域水流、水體渾濁度及水深、建筑物本身等客觀條件和操控人員的技術水平等人為因素影響。

3.1 標的水深及距離因素

山東省水庫壩前水深一般為20~30 m，最大水深達60 m；湖泊、渠道和河流水深一般都較小。但在封閉空間則不同于上述的開敞式水域。如倒虹吸、輸水洞、涵洞和長距離輸水建筑物等。

目前，主流的水下機器人系統的工作水深基本上均超過300 m。主要用于海洋的深水域，為適應深水域作業條件需要，通常要增加潛水器及搭載設備的耐壓水深和臍帶纜長度。對水利工程而言，工作水深通常不是制約條件，主要考慮水利工程封閉水域的特點，標的位于空間狹長且曲徑環境，即需要增加潛水器纜線的長度，同時還要考慮設備的靈活性和可操控性能。

3.2 水流狀態因素

水利工程類型不同和運行工況不同其水流狀態也不一。如表面看似平面的明渠，其水流變化也十分復雜。再是輸水隧洞，受工程規模、地形地貌、上下游邊界條件流量等因素決定了水流流態時時變化。有些工程可經過人工干預管理使水靜止或降低流速，但也有特殊的工程難以人工控制。

水下機器人推進系統決定了水下潛器的行進速度和定位與操控能力，水下潛器只有在克服了水流沖擊的基礎上才能逆水行進。如若所選設備計劃在流速大的水域作業，就更須科學、合理配置水下機器人的推進系統。此外，潛水器的自重也直接影響其穩定性和可操控性。因此，需要合理配置潛水器的自重和推進功率。其纜繩的抗拉和抗磨損力也是要考慮的。

3.3 底部及水質因素

水庫、河道、水渠等水利工程的底部多為泥質，涵洞、倒吸虹、隧洞和輸水管道等水工建筑物底部雖多為混凝土結構，但由于水的流動攜帶雜質并沉積，形成了淤積及其他沉積物體，水體易被攪動渾濁。在裝配水下機器人時，必須重點考慮提高光學和聲學成像系統的性能。

4 水下建筑物特點及類型

基于水下工程的復雜性和特殊性，通常要對以下幾種水下情形進行檢測檢查：

1）河道、渠道、湖泊及水庫水面以下淤積、沖刷和岸坡情況檢查；

2）水閘上下游沖刷、水面以下閘體結構和閘門銹蝕、止水等情況檢查；

3）泵站進出水渠、流道等水下各結構物工況檢查；

4）倒虹吸淤積、各箱涵體止水和不均勻沉降等復雜工況檢查；

5）涵洞、暗渠內部隱患排查；

6）隧洞復雜工況檢查。

由于水利工程工況的復雜性、特殊性及各自工程的特性不同，對水下監視檢查設備的要求也是各有不同。

上述的6種情形可分為兩大類：一類為開敞式水域，有河道、渠道、湖泊及水庫和水閘等，即為檢測裝置可直接入水，無其他阻擋物的水域；一類為相對封閉式水域，有泵站、倒虹吸、涵洞、暗渠等隱蔽工況和穿河隧洞復雜工況，即通過檢修口等較狹小空間進入，入水后控制運行水下檢測機器人再轉向需進行檢測的水域。

5 水工建筑物水下檢測應用分析

5.1 水下檢測的設施

水下檢測設施主要有水下攝像機、聲納、側掃聲納、激光尺度儀、磁粉測量儀、電位差儀、多波束測深系統、淺地層剖面儀等。5.2 水下檢測設施的搭載平臺

可搭載以上檢測設施的有輕便的手持桿和水下機器人。手持桿可用于近岸水域的檢測，也可采用潛水員攜帶入水檢測，較復雜水域和復雜水域應選用適宜的水下機器人。水下機器人又分為拖曳式和自主式機器人。拖曳式主要依靠外力進行拖曳行進。自主式則是依靠自身動力進行水下系列的運動，又可分為懸浮式、履帶式和懸浮履帶混合式。

5.3 檢測設備應用在不同的水下建筑物類型

根據檢測目的選用不同檢測設施，并根據不同的檢測環境選用相應的檢測平臺。例如，近岸（壩、堤）可采用手持式設備選用檢測設施進行觀察、觀測等檢測，狹小空間則可選用懸浮式機器人搭載檢測設施進行檢測；特殊水域如大管徑長距離的管道則采用定制的懸浮式機器人搭載多種檢測設施進行檢測；針對底部進行作業及檢測時則可選用履帶式機器人。

（責任編輯 遲明春）

U456.3

B

1009-6159（2017）-10-0075-02

顧紅鷹（1965—），女，高級工程師