基于機器人檢測的引水隧洞結構缺陷特征分析

武彬， 馬芳平， 陳勇旭， 金恩華， 劉育， 謝輝， 李正文

(1.國能大渡河猴子巖發電有限公司， 康定 626100； 2.國能大渡河流域水電開發有限公司， 成都 610041； 3.清華四川能源互聯網研究院， 成都 610071; 4.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室， 北京 100084)

引水隧洞是水利水電工程引水發電及水資源調度的重要建筑物。據統計，中國已建成各類引水隧洞總長度超過500 km，4 km以上的引水發電隧洞20余座，更多20 km乃至100 km以上的引水隧洞規劃建設[1]。水工隧洞深埋地下，地質條件十分復雜，除承受較大的圍巖壓力外，還包括較高的內、外水壓力，常年運行可能會出現裂縫、塌方、漏筋等典型缺陷，而當前引水隧洞的設計建設普遍未考慮后期日常巡檢需求，其運行期安全檢查一直是國內外的一大難題。目前，行業普遍采用人工定期對引水隧洞放空檢查，存在巡檢不及時、作業風險高、人力需求大、檢測周期長、數據隨機性大等問題，并且，洞內無光、有積水環境下，人工巡檢存在很多檢測死角，大坡度斜井段通常難以覆蓋，更無法形成客觀、精準、完整的檢測成果，較難對引水隧洞結構存在缺陷和隱患做到及時全面的發現和消除，嚴重制約了引水隧洞的運維和管控。因此，采用創新手段對引水隧洞進行智能化檢測是行業發展的趨勢。

當前，隨著人工智能行業的發展，機器替人進行水工建筑物安全巡檢在水利行業中得到廣泛應用。 Carneiro等[2]針對引水隧洞檢測任務，研發了一種纜控遙操作的新型遙控水下機器人(remotely operated vehicles，ROV)，采用水下攝像機和聲吶來檢測混凝土壁面的破損以及堆積物，并通過仿真實驗與實物試驗，驗證了新型ROV在引水隧洞應用中的可操控性。來記桃[3]將有纜遙控潛水器水下檢測技術應用在錦屏二級水電站引水隧洞，采用實時三維成像聲吶和光學攝像相結合的方法，完成了大直徑、長引水隧洞表觀全覆蓋水下綜合檢測。王文輝等[4]研制出可在高水頭引水隧洞超過2 km距離范圍內穩定航行檢測的水下機器人,通過現場試驗及在多個水電站的實際應用證明了水下機器人在引水隧洞遠距離航行檢測時的穩定性。楊文果等[5]提出了一種基于慣性導航系統(inertial navigation system, INS)與前視聲吶組合的引水隧洞機器人巡檢定位方法。Wang等[6]結合引水隧洞的巡檢成果，分析了引水隧洞裂縫、鈣化等典型損傷特征及分布規律。文獻[7-10]分別對機器人巡檢在引水隧洞中的應用進行了研究。相關研究成果總結了引水隧洞的特點及巡檢的難點，攻克了機器人巡檢部分關鍵技術，也取得了初步的探索性創新成果。然而，對于引水隧洞斜井段的巡檢依然存在較大調整，巡檢數據的客觀分析成果相對較少，不同結構段引水隧洞的缺陷分布規律需要更進一步研究。

因此，現結合猴子巖水電站引水隧洞上平段、斜井段、下平段等不同結構形式的機器人巡檢數據成果，通過數據拼接獲得缺陷走向、方位的位置信息，在此基礎上，分析引水隧洞結構缺陷分布規律，解決引水隧洞表觀缺陷形態不規則、分布不均、多種缺陷共存的難題，保障引水隧洞安全評價的客觀性、準確性，為引水隧洞結構健康評估與除險加固提供數據支撐,對提高電站安全運行水平和提升電站智能化運營能力具有重要的科學意義與應用價值。

1 引水隧洞巡檢方法

1.1 工程背景

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定市境內大渡河干流上游，上游為丹巴水電站，下游為長河壩水電站。電站工程規模為一等大(1)型，是一座混凝土面板堆石壩，最大壩高223.5 m。工程開發任務為發電，總裝機容量170萬kW·h，多年平均年發電量73.64億kW·h。電站主要樞紐建筑物由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水發電系統等組成。

猴子巖引水隧洞為右岸地下引水發電系統的重要建筑物，共布置4條斜井式壓力管道，管道間平行布置，洞徑為10.50 m。壓力管道沿縱軸線分為漸變段、上平段、上彎段、斜井段、下彎段、下平段、錐管段及過渡段等，管道長544.87～628.64 m，總長2 347.01 m。猴子巖水電站引水隧洞在地下洞室群中的分布及不同結構段尺寸如圖1所示。

圖1 猴子巖水電站引水隧洞分布及結構尺寸圖[11]Fig.1 Distribution and structural dimensions of diversion tunnel of Houziyan Hydropower station[11]

1.2 巡檢設備

針對猴子巖引水隧洞的巡檢需求，采用爬行機器人搭載三維激光掃描儀及微光高清攝像設備進行巡檢。特種爬行機器人系統的潛器單元為各種檢測傳感器等集成的運動平臺，地面控制單元通過臍帶纜將動力和控制命令下傳到爬行器單元，將獲取的傳感器數據上傳到地面控制單元，地面控制單元控制爬行器單元的運動、燈光、調節搭載的傳感器，顯示并記錄檢測數據。主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標Table 1 Main technical indicators

巡檢機器人搭載的三維激光掃描具有實時性、主動性、適應性好的特點。利用三維激光，全景測量的成果形成隧洞三維模型，并在三維模型的基礎進行監測、檢測、調查等相關數據分析。

1.3 巡檢方案

猴子巖水電站引水隧洞放空狀態下內部全段黑暗無光且濕滑，上平段底部約有5 cm的積水，局部存在點狀、線狀裂縫滲水等現象，其中洞頂、洞洞底、滲水較為明顯；斜井段因上游大量滲水匯集而下故底部水流量增大且流速較快；下平段因檢測時水泵停止抽排故積水達1.5 m以上，不具備檢測條件。洞壁局部存在滴水、涌水現象，洞底濕滑。巡檢現場作業如圖2所示。

圖2 巡檢機器人現場作業圖Fig.2 Field operation diagram of inspection robot

本次巡檢采用巡檢機器人搭載微光高清攝像設備及三維激光傳感器，結合云臺控制實現對引水隧洞混凝土結構進行全覆蓋掃描檢測工作。通過專業高空吊籃設備將檢測裝備吊放至引水隧洞內，對上彎段、斜井段及下彎段部位引水隧洞表面進行全覆蓋掃描檢測，查明裂縫、滲水、結構縫淘刷、鋼筋頭等詳細情況。

2 檢測成果數據處理

2.1 數據處理

三維重建主要是利用特定算法對圖像序列進行特征提取與匹配，并結合圖像特征實現稠密重建，最終利用點云網格化與紋理映射得到所需的三維模型。數據拼接方法為特征點云拼接法，具體可簡述為：相鄰兩站數據通過一定數量的相同特征點云進行拼接，第一站作為基準站，依次完成各測站的數據拼接，最終將各測站數據拼成一個整體。

將已經拼接完成的三維點云模型導入相關處理軟件中，沿隧洞三維點云中軸線展開，再根據激光反射率的強弱將帶有信息的缺陷對應進行標注，制作正射影像圖。數據處理流程及正射影像圖如圖3所示。圖3中上下兩側為隧洞洞底展開部位，中間為洞頂部位，洞頂和洞底之間為隧洞的兩邊墻及洞腰位置。

圖3 數據處理流程及正射影像成果Fig.3 Data processing flow and orthophoto results

2.2 缺陷數據解析

根據激光反射率信號強弱和三維坐標進行隧洞缺陷檢測和定位，并將帶有缺陷信息的激光影像圖輸出到AutoDesk Navisworks中進行人工校核，最后編輯整理成果，如圖4所示。

圖4 缺陷數據解析示例Fig.4 Defect data analysis example

從上彎段開始，由左至右依次對裂縫和露筋進行命名，裂縫的標識字母為L，露筋的標識字母為J，混凝土表觀沖蝕的標識字母為W，混凝土滲漏點的標識字母為LP，缺陷的命名方法為：日期+工程部位+缺陷標識字母+缺陷編號，如20210419-SPD-L-01表示上平段正射影像圖編號為1的裂縫。根據缺陷數據解析，分析引水隧洞缺陷分布規律。

3 引水隧洞缺陷分布規律

3.1 分段檢測成果

(1)上平段。通過巡檢機器人搭載三維激光掃描儀對猴子巖水電站引水隧洞進行全覆蓋掃描檢測。整理數據得出，在上平段共發現的67處缺陷中，有50條裂縫滲水和17處混凝土滲漏點。其中頂洞有34處缺陷，左洞腰有18處缺陷，右洞腰有12處缺陷，洞底有3處缺陷。上平段缺陷主要分布在洞頂以及左洞腰、右洞腰附近，主要以裂縫、滲水較為突出，其中有明顯水流出或明顯滲水現象的裂縫和滲漏點共有33處，其余34處均為輕微滲水現象。上平段典型缺陷檢測成果如圖5(a)所示。

(2)斜井段。斜井段主要包括上彎段、斜井段、下彎段，發現的34處缺陷中，共有28條裂縫，3處混凝土滲漏點，3處遺留鋼筋頭。其中頂洞有10處缺陷，左洞腰有9處缺陷，右洞腰有4處缺陷，洞底有11處缺陷。該區間缺陷主要分布在上彎段的洞頂、左洞腰及洞底附近，其中有明顯水流出及滲水現象的裂縫及滲漏點共有6處，有輕微滲水現象的裂縫及滲漏點共有25處，其余有3處前期施工遺留鋼筋頭位于上彎段洞底部位。斜井段典型缺陷檢測成果如圖5(b)所示。

圖5 不同區段缺陷分布正射影像圖Fig.5 Orthophoto map of defect distribution in different sections

3.2 檢測數據分析

通過整理上平段不同斷面位置的缺陷類型及數量，得出表2，并作出上平段裂縫和滲漏點不同位置的對比圖如圖6所示。可以發現，上平段缺陷主要以裂縫為主，共有50條裂縫。而裂縫大部分分布在洞頂部位，長度在0.38～11.88 m。

圖6 上平段缺陷分布特征對比圖Fig.6 Comparison of defect distribution characteristics of upper flat section

表2 上平段缺陷類型與分布表Table 2 Defect types and distribution of upper flat section

整理斜井段不同斷面位置的缺陷類型及數量，得出表3，并作出該段裂縫和滲漏點不同位置的對比圖如圖7所示。可以發現，該段缺陷仍以裂縫為主，隧洞斷面不同位置的裂縫數量差別不大，但裂縫主要位于上彎段，下彎段的裂縫數量相當較少。此外，該段還存在部分滲漏點和前期施工遺漏的鋼筋頭。

圖7 斜井段缺陷分布特征對比圖Fig.7 Comparison of defect distributioncharacteristics of inclined shaft section

表3 斜井段缺陷類型與分布表Table 3 Defect types and distribution of inclined shaft section

3.3 引水隧洞缺陷分布規律

將引水隧洞上平段和斜井段缺陷進行對比，可以發現，上平段缺陷數量明顯多于斜井段，且斜井段的缺陷也主要分布于上平段和斜井段相交的上彎段，說明缺陷集中分布與引水隧洞高程更高的位置，包括上平段和上彎段，而高程較低的斜井段和下彎段缺陷數量相對較少。

將引水隧洞全段缺陷成果統一對比分析，做出不同缺陷類型的數量占比如圖8所示。可以發現，所有缺陷中裂縫占比77%，是引水隧洞主要的缺陷類型，裂縫長短不一，出現裂縫的位置常伴有滲水和鈣質析出。在后期的工程運行與安全巡檢過程中應該主要關注裂縫的擴展情況。

圖8 引水隧洞不同缺陷類型對比圖Fig.8 Comparison diagram of different defect types of diversion tunnel

為進一步分析裂縫的走向，將上平段和斜井段裂縫按橫向、縱向、斜向進行分類對比，如圖9所示。其中橫向裂縫表示裂縫走向垂直洞軸線，縱向裂縫表示其走向平行洞軸線，斜向則表示與洞軸線大角度向交。由圖9可以發現，上平度的裂縫以橫向裂縫居多，斜井段的裂縫以斜向裂縫居多，受圍壓應力與水流特性的影響，上平度和斜井段裂縫走向特性呈現明顯的差異。

圖9 上平段和斜井段裂縫方向對比圖Fig.9 Comparison of fracture directions in upper horizontal section and inclined section

4 結論

針對引水隧洞不同結構段的機器人巡檢數據成果，通過數據拼接獲得缺陷位置、走向、長度等信息，分析引水隧洞結構缺陷分布規律，是智能技術在水工隧洞領域的應用創新，具備顯著的研究價值和推廣意義，得出如下結論。

(1)采用爬行機器人搭載三維激光掃描儀及微光高清攝像裝備進行巡檢，可解決隧洞光滑傾斜壁面檢查的難題，實現引水隧洞斜井段盲區的安全高效檢測。

(2)引水隧洞內存在的缺陷包括裂縫、滲漏、漏筋等，而裂縫是引水隧洞主要的缺陷類型。隧洞內不同區段缺陷數量差異較大，上平段缺陷數量明顯多于斜井段，且斜井段的缺陷也主要分布于上平段和斜井段相交的上彎段。

(3)上平段和斜井段裂縫特征存在較大差異。上平段裂縫主要分布在洞頂位置，裂縫多以垂直洞軸線的橫線裂縫存在。斜井段裂縫均勻分布在洞周各個位置，走向以斜向裂縫居多。在后期的安全巡檢過程中應該主要關注裂縫的擴展情況。