水下機器人及三維聲吶技術在水閘安全鑒定中的應用研究

許可 安徽省建筑工程質量監督檢測站

在水利工程中，水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物應用廣泛。我國是水利大國，所建成的水閘數量全球最多，根據國家2010-2012年第一次全國水利普查的結果，過閘流量1立方米每秒及以上水閘268476座，橡膠壩2685座。其中規模以上（過閘流量≥5立方米每秒）水閘97019座。由于人類活動和環境荷載的影響以及日常管理缺失等原因，我國許多水閘，特別是上世紀90年代前建設的部分水閘，存在嚴重的安全隱患。

水閘安全鑒定作為水閘排險加固工作的基礎和重要環節，是水閘運維管理不可或缺的部分。現場檢測結果是水閘安全鑒定的重要依據和復核計算基礎，同時也直接關系到水閘安全等級的最終評價。水閘現場安全檢測分水上部分和水下部分，水上部分檢測技術已相對成熟，但水下部分檢測還主要依靠潛水員水下探摸或圍堰排水后檢測，檢測效率、檢測質量均不甚理想。

水下機器人技術作為近年快速發展的應用技術，可作為水下檢測平臺搭載相應的水下檢測儀器設備高效快速的完成水下結構檢測工作；水下三維聲吶技術，利用水下三維掃描成像技術，獲取水下結構外觀輪廓的精細點云數據，為水下結構測量及外觀質量判斷提供數據依據。水下機器人和三維聲吶技術的綜合應用可為水閘安全鑒定現場檢測提供高效、高質量的水下檢測成果。

1.水閘安全鑒定

為加強水閘安全管理，規范水閘安全鑒定工作，保障水閘安全運行，水利部2008年印發了《水閘安全鑒定管理辦法》（水建管〔2008〕214號）。根據管理辦法的要求，水閘實行定期安全鑒定制度。首次安全鑒定應在竣工驗收后5年內進行，以后應每隔10年進行一次全面安全鑒定。如遇特殊運行情況，如超標洪水、強烈地震等，應及時進行安全檢查。

現場安全檢測針對水下部分，重點檢測水下部位有無淤積、接縫破損、結構斷裂、混凝土腐蝕、地基土或回填土流失、沖坑和塌陷等異常現象。水下工程檢測目前主要依靠潛水員潛入水下采用探摸、觀察及樹下照相等技術對水下結構物進行檢測。但潛水員檢測對檢測深度、檢測工作時間，檢測水下環境有較多限制，對潛水員有一定的人身安全風險，同時對潛水員個人經驗依賴程度高。因為潛水員檢測需要潛水員一點點探摸，主要集中在局部進行檢測觀察，無法對水下結構進形成整體的探查結果。

2.水下機器人系統

AUTO200ER水下機器人系統（ROV）是一款結構緊湊、易維護、可靠穩定的定制化水下機器人系統，具有推力大、功能齊全等特點。該系統主要包括水下機器人水下主體、地面控制系統兩部分；其中，水下主體標準配置深度計、姿態傳感器、高清水下攝像頭、水下照明、推進器等部件，采用框架結構，結實可靠，本體示意圖如圖1；地面控制系統包括控制系統、電源控制單元等部件。該系統最大耐壓深度為200米，采用模塊化設計，可以方便快捷地對各種功能模塊和單元進行配置和更換，并支持多種外置傳感器設備；其推進及控制系統采用網絡通訊結構，操作簡單方便，擁有多個微處理器，可有效提高系統性能。

AUTO200ER 水下機器人系統（ROV）可廣泛應用于水利水電，水務等水下結構和設施的觀察和檢測，搜救，水環境和水下生物的觀測、研究及教學，海洋科研，水下娛樂，水下考古，深水網箱漁業養殖，人工漁礁調查等。

3.水下三維聲吶系統

水下三維聲吶系統利用水下聲學測距原理掃描水下目標結構物，水下聲納以一 定頻率發射聲波波束，波束經過障礙物反射，聲納頭接收聲波反射信號，將其轉化為電信號并傳輸至聲納控制單元，聲納控制單元利用聲納的操作軟件把聲納頭掃描到的信息以點云形式存儲并顯示。

BV5000三維聲吶系統是美國Teledye公司開發的一款水下掃描探測三維聲吶系統，如圖2。該系統可生成高分辨率、360度全景的三維點云數據，可精確獲取水下結構、物體等測量數據，并可以提供工程和測量圖像。

4.水下檢測技術方案

在水下機器人系統實施檢測前對待測區域環境、水流條件、下水能見度進行先期調查、勘察，以配置和調整檢測設備，使檢測達到良好效果。

4.1 水流條件

水下機器人系統具備一定抗流能力，當水流速度過大，ROV操控將非常困難，易出現ROV無法保持水下位置，偏航迷航等問題，嚴重時可能會導致設備與閘室內結構發生碰撞，對閘室內結構和設備造成損害。

4.2 能見度條件

在水下能見度較高時，可以選擇高清攝像頭作為水下檢測設備進行檢測。當水下能見度低時，建議先進行水下聲吶普查，通過聲吶普查確定水下結構異常或疑似存在異常區域，再利用攝像頭對異常區域進行詳查，能見度差時水下機器人在進行檢測時應盡可能貼近目標，確認異常的形態、尺寸和發育走向等。

檢測工作首先利用水下三維聲吶系統對水閘水下結構進行全覆蓋三維掃描，通過點云成圖模式，將水下結構物外觀形態展現出來。通過對三維聲吶系統掃描成果分析，查明水閘水下結構及周邊結構是否存在異常。根據分析結果，利用水下機器人對結構異常或疑似存在異常區域進行局部詳查。同時，對水閘水下結構關鍵部位進行近距離觀察，獲取狀態特征。

圖1 水下機器人系統本體示意圖

圖2 BV5000三維聲吶系統

圖3 閘室三維點云模型圖

5.水下檢測技術工程應用

某節制閘位于某運河泄水出口處，最大泄洪量4，600立方米/秒；最大蓄水庫容量7.78億立方米，該節制閘共31孔閘，單孔凈寬12m，配弧形鋼閘門。閘室為開敞式倒Π形結構，閘墩、底板均為鋼筋混凝土結構。為保障節制閘安全運營及水閘管理需要，水閘管理部門組織對該節制閘進行安全鑒定評價，現場安全檢測水下部分，采用水下機器人和三維聲吶技術來進行水下檢測。檢測之前，所有閘門需全部關閉，水下環境為無水流，處于靜水狀態，首先對單個閘室進行三維掃描聲吶掃描，根據閘門寬度及向下游延伸長度，每個閘室設置一個測站，過程中利用換能器對水下結構進行掃描，最終通過點云成圖的模式將水下結構內壁的形態展現，如圖3。

6.結語

水下機器人和三維聲吶技術的綜合應用可以有效完成水閘安全鑒定中的水下檢測工程，可以提供水閘水下結構整體數據，還可以根據檢測需要來完成關鍵部位的局部詳查，為水閘安全鑒定提供詳細數據。隨著技術的發展，利用水下機器人作業平臺可以搭載更多水下檢測儀器，為水閘及其他水下設施檢測提供更準確、更高效的檢測成果。