錦屏二級水電站引水隧洞水下檢測技術研究與應用

王繼敏，來記桃

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都，610051）

1 研究背景

近年來，我國建成的水利水電長大引水隧洞工程眾多。這些隧洞工程普遍具有圍巖地質條件復雜、洞線長、洞徑大等特點，長年運行可能會出現裂縫、坍塌、露筋等典型缺陷，如不及時檢查并處理可能會嚴重影響工程安全運行。常規放空檢查存在成本高、風險大、效率低等突出問題，部分工程甚至不具備放空檢修條件。受引水隧洞空間封閉、結構異型、高水壓、弱光等復雜環境條件限制，潛水員水下檢查面臨人身安全風險，存在檢查效率低、作業范圍受限等問題。隨著科學技術的發展，水下機器人檢測技術在海洋工程近海勘探中得到了廣泛應用[1-2]，近年來逐漸應用到水電水利工程領域，但一般限于水電站水墊塘、河床、短距離引水、尾水隧洞工程應用[3]，且檢測手段相對單一。

雅礱江錦屏二級水電站引水隧洞工程是世界最大規模水工隧洞群，由4條長約17 km、直徑約12 m的引水隧洞組成。工程建設期，最大實測地應力超過100 MPa，最大外水壓力超過10 MPa，工程水文地質條件極其復雜。4條引水隧洞自運行以來，每兩年放空檢查一次，共經歷了兩輪放空檢修，單次放空僅排水、充水就需要約14 d，檢查耗時長、成本高。放空檢查表明，引水隧洞總體運行情況良好，但隧洞末端富水帶洞段局部襯砌結構及集渣坑淤積狀況仍需要密切關注。為確保引水隧洞結構安全和發電機組運行穩定，減少頻繁放空對隧洞結構的不利影響和發電效益的損失，迫切需要研究代替放空檢查的水下檢查方案進行隧洞例行檢測，以便及時制定運維策略。

2 水下檢測機器人系統

水下機器人也稱無人遙控潛水器，是一種工作于水下的極限作業機器人，通過搭載不同的作業工具，完成特定需求的水下作業，具有效率高、風險低、易于操作等優點，能彌補傳統人工水下檢測的不足[4]。無人遙控潛水器分為有纜遙控潛水器（ROV）、自主式潛水器（AUV）和復合型潛水器（ARV）。AUV依靠自身攜帶電池提供動力，自主進行水下檢測作業，但水下續航能力和負載能力有限，不能實時顯示水下檢測信息，難以實現精細化檢測作業。ARV雖然可以通過通訊光纖進行實時操控，但同樣有自帶供電電池面臨的續航和負載等問題，且光纖易盤繞、折斷，會導致ARV失去通訊和控制。基于錦屏二級水電站引水隧洞結構及環境特點，綜合考慮長時間、長距離水下檢測所需克服的巡航能力和安全回收問題，以及高精度檢測需求，重點研究有纜遙控潛水器水下檢測關鍵技術與工程實踐。

圖1 水下檢測機器人系統組成示意圖Fig.1 Composition of underwater detection robot system

ROV是通過臍帶電纜將潛水器水下作業本體與水面遙控系統連接，由水面實時提供動力和通訊控制，操作人員在水面遙控潛水器工作，具有作業深度大、不受動力供給限制、工作時間長、設備支持功能強、數據實時傳輸顯示以及無水下作業人身安全風險等優點。ROV水下檢測機器人系統主要包括潛水器主機、臍帶纜管理系統、地面控制系統和輔助保障系統四部分。ROV主機實施水下航行推進并提供檢測設備搭載平臺，搭載照明設備、聲吶系統、高清攝像機等多種檢測和作業設備以執行水下作業。臍帶纜管理系統包括絞盤、臍帶纜、TMS裝置等，保障ROV主機的電力、通訊、數據傳輸。地面控制系統包括數據存儲設備、遙控操作系統、數據分析與處理計算機系統等，實現ROV主機的參數監控、指令收發、數據存儲與分析等，是整個水下機器人系統的大腦[5-6]。輔助保障系統包括動力電源、通訊基站、吊運設備和應急系統等。

3 關鍵技術方案研究

3.1 潛水器載體設計

潛水器載體是水下檢測傳感器集成的水下移動終端，統籌兼顧ROV搭載設備、檢測能力、動力與功耗、安全收放、工程邊界等技術要求。針對錦屏二級水電站引水隧洞檢測距離長、進出口通道狹小等特征，潛水器載體采用小體積框架設計，采用零浮力、抗拉、耐磨、傳輸能力強的光電復合臍帶電纜進行供電、通訊控制和應急回收牽引[7]，在載體上安裝四個水平矢量推進器和兩個垂直向推進器，以增強長距離工作的動力保障。

表1 ROV主要技術指標統計表Table 1 Statistical table of main technical indexes of ROV

為了解決長距離、小型化升降壓供電難題，電力傳輸采用400 Hz中頻升降壓電能傳輸技術。臍帶纜按照5 km進行設計，傳輸最大有功功率達5.4 kW，滿足水下檢測機器人所需總功率要求，抗拉能力達2 t。通過研究和優化，確定水下檢測機器人尺寸為長1.53 m、寬0.81 m、高0.75 m，以滿足進出直徑2.1 m的調壓室阻抗孔的限制要求。

3.2 水下檢測方案與定位技術

3.2.1 全覆蓋檢測方案

引水隧洞洞徑10.8～11.8 m，結構型式多變，水體能見度低，水下攝像視角窄。為實現大直徑隧洞內壁全覆蓋檢測，研究采用聲吶掃描普查和光學攝像詳查相結合的隧洞全覆蓋檢測方案，即先通過聲學檢測為主、光學檢測為輔的方式快速普查并判斷缺陷規模和部位，再通過ROV抵近缺陷部位做進一步光學攝像詳查、勘驗。

高精度聲吶掃描普查是全覆蓋檢測的關鍵。通過調研和聯合研制，引進了首臺移動式隧洞專用Blueview-T2250三維掃描聲吶系統，可實現隧洞結構的實時三維掃測并提供連續的高分辨率圖像，分辨率達6 mm，有效探測距離10 m。T2250系統使用高頻率低功耗的聲學多波束技術[8]，可隨ROV行進方向以2.25 MHz的頻率進行移動式三維掃描，發出2100個重疊窄波束連續采集隧洞360°范圍聲波反射點云數據，實時創建一個密集的三維點云圖像，清晰展示隧洞結構細節，以進行損傷評估。通過多波束三維成像聲吶全覆蓋掃描，解譯分析后對重點關注部位進行ROV抵近攝像、激光測距等精細量測，從而實現引水隧洞更高精度的表觀全覆蓋高效檢測。

3.2.2 水下定位技術

在海洋或水庫等開闊水域檢測中，通常采用超短基線定位技術（USBL）進行水下定位。引水隧洞為相對封閉空間結構，邊界繁雜，而USBL受多次反射波干擾及密集鐵磁性結構設施的綜合影響，定位誤差較大。慣性導航定位系統（Inertial Navigation System,INS）是一種不依賴外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統，其工作環境不僅包括空中、地面，還可以在水下。多普勒計程儀（Doppler Velocity Log,DVL）利用發射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測量潛水器相對于水底的航速和累計航程，能夠在沒有外部陸基或星基定位信息支持下實現封閉空間內的準確定位與導航[9-10]。研究確定引入高精度INS與DVL，結合纜長計數器、導引聲吶、高度計等多項定位校正設備進行水下定位，平面定位精度可達50 cm、軸線精度為航行距離的2‰。ROV水下檢測中，還可利用隧洞內可識別的、具有位置信息的特征點，對水下定位進行校正，以減小慣性導航系統定位累積誤差。

3.3 復雜工程邊界條件ROV布放

電站上游調壓室井筒及2.1 m直徑阻抗孔是ROV進入引水隧洞末端的唯一通道。上游調壓室豎井總高139 m，開挖直徑23 m，調壓室分流墩上部阻抗板厚3 m，阻抗板兩側共布置四個直徑2.1 m的圓形阻抗孔。ROV需穿過上游調壓室阻抗孔到達隧洞底板，經直角轉彎往上游方向航行，臍帶纜在阻抗孔邊緣易產生剮蹭破損甚至斷裂，影響ROV供電與通訊，存在一定的安全隱患。為消除直角結構對臍帶纜的剮蹭損傷，降低彎段處與臍帶纜的摩擦力[11]，保障ROV的安全運行，設計了一種適應該阻抗孔的中繼引導裝置（TMS）。TMS自上而下由托盤、圓柱框架、導向滑輪和導向定位錐組成，托盤將該裝置卡在阻抗孔上端，圓柱框架落入3 m厚阻抗孔中，導向滑輪控制臍帶纜方向并增大轉彎半徑，導向定位錐在吊放時便于導向并對準阻抗孔口，并在TMS裝置上安裝燈光、視頻攝像，以觀察TMS下放狀態和潛水器行進狀況。

圖2 上游調壓室及阻抗孔布置示意圖Fig.2 Layout of the upstream surge chambers and impedance hole

圖3 阻抗孔布放TMS裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of TMS device in impedance hole

3.4 水下檢測實時監控技術

操控人員基于ROV姿態傳感器監測數據和檢測信息感知，判斷ROV行進狀態和隧洞檢測環境，在隧洞結構多變、空間密閉、能見度低等復雜水下環境中，檢測作業依然存在較大安全風險，時常需要借助隧洞結構特征進行分析、校驗，以保障檢測的高效全面。基于此，根據隧洞BIM模型與前期已有的檢測數據，構建典型作業區三維場景和作業目標模型數據庫，引入VR實時可視化重構技術，融合模型數據庫數據和ROV實時回傳的水下地形點云數據，構建高逼真的ROV水下作業虛擬環境，實現全方位視角切換監控ROV實時作業狀態，可以極大提高水下作業安全保障和檢測效率。

圖4 ROV水下檢測狀態監控及仿真模擬Fig.4 State monitoring and simulation of ROV underwater de?tection

4 工程檢測應用

4.1 工程概況

雅礱江錦屏二級水電站為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站，利用長150 km大河灣的天然落差，通過長約16.7 km的引水隧洞截彎取直，獲得水頭約310 m。電站總裝機容量4800 MW，多年平均發電量242.3億kW·h。4條引水隧洞具有埋深大、洞線長、洞徑大等特點，工程水文地質條件極其復雜，為世界埋深最大、規模最大的水工隧洞群工程。4條引水隧洞中心距60 m，隧洞底坡3.65‰，自進口底板高程1618.00 m降至高程1564.70 m與上游調壓室相接，開挖直徑12.4～14.3 m，襯后隧洞跨度10.8～11.8 m。引水隧洞末端15 km樁號附近各布置一組集渣坑，各組集渣坑均由左右兩個集渣坑組成，每個集渣坑設3室。

4.2 水下檢測目的與內容

為及時、全面掌握引水隧洞結構運行狀況，基于水下檢測技術調研情況和工程現階段運行實際，以引水隧洞末端水下檢測為切入點，探索常態化例行檢查手段。檢查內容為引水隧洞末端襯砌混凝土表觀有無新增破損、剝落、露筋、表面附著等缺陷，缺陷修復部位運行情況，以及集渣坑淤積狀況。重點檢查引水隧洞樁號15+200 m附近隧洞段混凝土襯砌運行情況及下游集渣坑淤積狀況。

4.3 現場檢測實施

ROV與TMS裝置經引水隧洞末端上游調壓室井筒吊放入水并下潛約70 m，TMS固定在?2.1 m阻抗孔邊壁，ROV穿過阻抗孔進入引水隧洞，向上游方向分全覆蓋普查和局部詳查2個階段進行檢測。為確保現場檢測順利進行，現場配備了2臺檢測ROV和1臺救援ROV，該多設備、多模式作業潛水器方案設計為引水隧洞水下檢測提供了足夠的安全冗余保障。

圖5 錦屏二級水電站地下引水發電系統隧洞群布置示意圖Fig.5 Layout of underground water diversion tunnels and pow?er generation system at JinpingⅡhydropower station

圖6 檢測現場布置圖Fig.6 Layout of detection site

4.4 水下檢測成果及評價

2018年11 月至2020年1月，結合發電機組停機檢修，共計完成了6次錦屏二級水電站4條引水隧洞末端水下檢測，其中1號、2號引水隧洞完成了兩次水下檢測對比，3號、4號引水隧洞完成了水下檢測與放空檢查對比驗證。單次水下檢測時間約3 d，引水隧洞最大檢測距離達2.3 km。檢測結果表明，引水隧洞末端總體運行情況良好（三維聲吶掃描典型成果見圖7），未發現影響隧洞運行安全的隱患和缺陷，水下檢測結果與放空檢查基本吻合，較好地指導了引水隧洞的運行檢修維護工作，實現了常態化水下無人檢測。針對重點關注的15+200 m附近洞段和末端集渣坑運行狀況，總體情況如下。

圖7 引水隧洞水下三維聲吶掃描典型成果圖Fig.7 Typical result of underwater 3D sonar scanning of diver?sion tunnel

4.4.1 引水隧洞混凝土結構表觀缺陷檢查

通過全覆蓋普查、抵近詳查對比分析，2018年12月，1號引水隧洞15+210 m附近隧洞底部混凝土保護層局部剝落約6 m2，局部環向鋼筋出露；2019年12月，缺陷范圍擴大至32 m2，剝落深度未見明顯變化。

圖8 1號引水隧洞15+210 m段混凝土保護層脫落范圍變化對比（2018～2019年）Fig.8 Peeling of concrete cover in the 15+210 m section of No.1 diversion tunnel(2018～2019)

2號引水隧洞運行狀況良好，兩次對比檢測未見明顯變化。檢測3號引水隧洞發現底板混凝土局部磨蝕露筋，主要分布在樁號16+100 m、15+950 m和14+900 m處，與次月計劃外放空檢查結果一致，典型缺陷水下檢測與放空檢查對比見圖9。4號引水隧洞僅發現隧洞底板混凝土局部磨蝕，未見混凝土保護層脫落、鋼筋出露等情況，且當月進行了計劃內放空檢查，檢查結果與水下檢測一致。

4.4.2 集渣坑淤積狀況

2018年12 月和2019年12月兩次水下檢測1號引水隧洞下游集渣坑表明，經過1年的運行，集渣坑淤積體積由17.4%增至25.9%，沉渣空間仍較大。

2號引水隧洞集渣坑除下游3號沉渣室外，其余5個沉渣室均已基本淤滿，淤積總量占集渣坑總體積的91.4%。2019年11月再次檢查發現，淤積略有增加，總量占集渣坑總體積的97%。

3號、4號引水隧洞集渣坑的6個沉渣室均已淤滿，并及時進行了放空檢查及清理，放空檢查淤積情況與水下檢測結果基本吻合。

圖9 3號引水隧洞底板混凝土磨損水下檢測與放空檢查對比（2019年）Fig.9 Comparison between underwater detection and empty?ing inspection of abrasion of bottom slab concrete in diversion tunnel No.3(2019)

圖10 2號引水隧洞下游集渣坑沉渣室淤積水下三維聲吶掃描縱斷面圖Fig.10 Underwater 3D sonar scanning profile of deposition in the settling chamber of sediment pit downstream of diversion tunnel No.2

圖11 3號引水隧洞集渣坑沉渣室水下檢測與放空檢查對比Fig.11 Comparison between underwater detection and empty?ing inspection of the settling chamber of sediment pit in diver?sion tunnel No.3

5 結論與展望

（1）針對大直徑、長隧洞水下檢測需求和技術難題，創新性開展了潛水器載體長距離巡檢設計與控制、大斷面全覆蓋高精度檢測、水下精準定位、復雜工程邊界條件布放與回收等關鍵技術方案研究，形成了大直徑、長隧洞水下全覆蓋檢測成套裝備和解決方案。

（2）采用ROV首次完成了錦屏二級引水隧洞末端2 km級長度水下全覆蓋常態化檢測，查明了隧洞末端襯砌結構運行情況及集渣坑淤積狀況，檢測成果直觀、可靠，有效指導了引水隧洞運維策略。

（3）對于更長距離的引水隧洞多傳感器組合水下檢測，以及進一步提高檢測精度，還需要依靠科技發展，進一步研究探索。