基于有纜遙控水下機器人的水電站檢測方法

鄒金明

（福建仙游九鯉湖建設管理委員會,福建 莆田 351200）

0 引言

水下機器人（UUV）在海洋科學研究、海洋工程等領域已經(jīng)得到了廣泛應用,其可分為自主水下機器人（AUV）和有纜遙控水下機器人（ROV）。21世紀開始,AUV 技術(shù)得到了進一步發(fā)展,涌現(xiàn)出產(chǎn)品化AUV 的商業(yè)公司,包括美國Hydroid 公司的Bluefin 系列、挪威Kongsberg 公司的REMUS系列、美國Teledyne 公司的Gavia 系列等,標志著AUV 進入了大規(guī)模應用階段[1]。雖然AUV 可自帶動力源并自主航行,但在水下作業(yè)時間、作業(yè)能力、數(shù)據(jù)實時傳輸性等方面能力有限。ROV 依靠臍帶電纜提供動力源,具有水下作業(yè)時間長、數(shù)據(jù)實時傳輸快等特點,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工作,陸基水利水電工程的水下檢測工作并不需要較大作業(yè)范圍。ROV 自身攜帶多波束測深技術(shù)可以獲得局部水下待測目標的高精度地形地貌信息,經(jīng)過計算可對水下結(jié)構(gòu)特征部位進行定量分析,并通過水下高像素攝像機,對水下結(jié)構(gòu)進行全方位連續(xù)的拍照和錄像,為水下檢測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勁的增長勢頭,其中美國、加拿大等國家在ROV 研發(fā)制造領域處于領先地位,同時占據(jù)了絕大部分的商業(yè)市場份額[4]。

目前,ROV 已經(jīng)成功應用于烏江渡水電站、三峽水利樞紐導流底孔封堵檢修門[5]、仙游金鐘水庫大壩[6]、望虞河望亭水利樞紐工作閘門[7]、三渡溪水庫[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)檢測工作。本文將ROV 應用于福建三明市某水電站的水下檢測工作,通過定性化圖像分析和評估了水下結(jié)構(gòu)的具體狀況,將為水電站工程日常運行維護以及缺陷修復提供詳細的基礎數(shù)據(jù)。

1 檢測方法

水電站水下結(jié)構(gòu)檢測工作采用了SeaBotix LBV300-5 小型遙控水下機器人,見圖1。這一型號的有纜遙控水下機器人結(jié)合了水下視頻、多波束聲吶、水下定位和機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。這一型號的有纜遙控水下機器人系統(tǒng)由水下潛器、控制臺、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、水平推進器、垂直推進器、左右推進器等部件,最大下潛深度為300 m,通過遙控電纜與控制臺相連。操作指令由控制臺下達并由電纜傳輸：水下潛器得到指令后可進行上升下潛、前進后退、左右旋轉(zhuǎn)等三維空間作業(yè)；還可進行水下懸停、機械臂控制、攝像頭調(diào)整、輔助燈光和測距激光的開關(guān)等任務,并將水下拍攝視頻和聲吶探測結(jié)果回傳儲存至筆記本電腦。

圖1 LBV300-5 水下機器人主要構(gòu)件圖

根據(jù)實際檢測工作：SeaBotix LBV300-5 小型遙控水下機器人雖然具有作業(yè)靈活、工作高效、檢測直觀、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢；但是其也具有一些劣勢,具體表現(xiàn)在：①對流速過快、具有旋渦及雜物垃圾、水質(zhì)渾濁的復雜水下環(huán)境缺少有效應對措施,在這些水下區(qū)域內(nèi)無法對待測目標展開詳細檢測；②基于遙控電纜的限制,容易發(fā)生電纜纏繞、掛附等狀況,加之不當操作,嚴重時可導致水下潛器動力系統(tǒng)故障。

2021年,利用LBV300-5 有纜遙控水下機器人視頻圖像結(jié)合聲吶系統(tǒng)對水電站的粗柵、前池、進水口檢修閘門槽、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)域的完整性進行檢測。檢測期間水電站水庫天氣為多云,水位為160.77 m。本次水下實際檢測工作的具體檢測區(qū)域為粗柵1#～12#孔；前池；進水口檢修閘門槽1#～3#機的左右兩孔（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方法是先對待測區(qū)域進行了聲吶系統(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)對可疑區(qū)域進行細致掃描。

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,壩頂總長約302 m。水電站大壩左右岸擋水壩均為實體重力壩,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10 孔,每孔凈寬12 m,堰頂高程149 m,上設開敞式弧形鋼閘門,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。當正常蓄水位161 m 時,水庫面積3.86 km2,干流回水長度約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,但抗壓強度可滿足閘壩（最大壩高小于30 m）承載力的要求。

3 檢測結(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）進水口檢修閘門槽1#～3#機的左右兩孔共6 孔。進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；攔污柵細柵普遍銹蝕嚴重,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（見圖4）。

圖4 9#孔左側(cè)閘墩表面露筋區(qū)域

通過上述檢測結(jié)果表明：水電站粗柵、前池、進水口檢修閘門槽、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)保持運行狀態(tài)。針對局部水下結(jié)構(gòu)存在的銹蝕區(qū)域要加以注意,針對局部水下區(qū)域出現(xiàn)的附著物淤積情況要進行及時的清理工作。本次利用有纜遙控水下機器人的檢測工作為水電站定期維護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器人在檢測水電工程水下結(jié)構(gòu)方面具有明顯的優(yōu)勢。通過有纜遙控水下機器人可清晰地檢測水電站水下粗柵、前池、進水口檢修閘門槽、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,為后期水電站運行制度和排除安全隱患提供了詳實的基礎信息。今后要逐步探索并完善水下機器人的檢測區(qū)域,以期為水下結(jié)構(gòu)的精準檢測提供可靠的技術(shù)支撐。