水下无人探测系统在岩坎爆破效果调查中的应用

梁 俊，甘孝清，韩贤权，刘 超

水下无人探测系统在岩坎爆破效果调查中的应用

梁 俊，甘孝清，韩贤权，刘 超

（长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010）

首先讨论了水下无人探测系统的各个组成部分及其功能特点，在某岩坎爆破后的水下调查项目中展开了应用研究。根据现场状况设计了相应的调查方案，采用水下机器人摄像与水声定位系统相结合的方式进行水下调查。使用水下机器人对爆渣块体进行水下拍摄，同时查找有无未爆岩体；使用水声定位系统控制水下机器人的位置和前进方向，通过水下机器人的行走路径确定爆堆的形状、高度和坡度。最后对岩坎爆破效果进行综合评价。

水下无人探测系统；水下机器人；岩坎爆破；水下调查

1 概 述

中国是一个坝工大国，已建成8万多座水库大坝，这些大坝在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面，为我国国民经济发展发挥了巨大作用；而水库大坝一旦出现危险，将给国家和人民的生命财产安全带来不可估量的损失，因此水库大坝在生产建设过程中的水下安全问题，一直受到国内外坝工界的普遍关注。但是，采用常规手段难以及时准确地检测和掌握这些水下隐蔽工程的情况，也难以及时对可能存在的安全隐患进行检修和处理，从而影响水工建筑物的正常运行。如何全面、科学、及时地把握水库大坝的水下安全状况，是一个急待解决的课题。

水下无人探测系统技术为解决水下探查问题提供了一个有效的解决方案。水下无人探测系统集功能强大、作业水深大、作业时间长、安全度高、经济性强等优势于一身，可实时进行水下视频检测和观测，在国外已广泛用于水利水电行业的船闸、坝体、桥墩、排沙口、拦污栅、病险水库等的水下检查，水下工程质量监控，协助水下结构的安装和日常检查检修等。为我国水利电力行业水下工程作业提供了一个全新的解决方案与思路。

2 水下调查设备及方法介绍［1－3］

水下无人探测系统由水下机器人（主机）、脐带管理系统、水面控制台、水声定位系统4部分组成。水下机器人主机是水下摄像头、各种探测或检测传感器、水下作业工具等的运动平台；脐带管理系统通过脐带缆将水面的动力和控制命令下传给水下机器人，将其获得的视频、声纳以及其他传感器数据上传给控制台；水面控制台则可对水下机器人的运动、灯光、云台、焦距、搭载的传感器进行控制、调节，并显示或记录相应的观测数据或水下图像（图1）。

图1 Stealth 2水下无人探测系统Table 1 Stealth 2 Remotely Operated Vehicle（ROV）System

水下无人探测系统主机小巧灵活、控制操作简便（通过控制台上的多个旋钮即可控制机器人的所有动作，包括：前进、后退、转弯、上升、下沉；灯光强弱和摄像头焦距；云台俯仰等）；水下机器人可携带定位声纳、多频或二维图像扫描声纳、多参数水质检测传感器（YSI）、机械手等；可实时进行水下视频检测和观测［4－5］。

上述系统包含水下机器人运动平台、高精度水下声学定位系统、图像扫描声纳、和机械手等，该系统可在最大潜水深度内完成所有水下探测检查作业，具有以下功能特点：

（1）在高能见度环境中可使用高分辨率的前后摄像头对水下地形地物进行视频检测、修复部位检查、辅助水工结构维修、渗流调查和潜水员安全监控。

（2）在低能见度环境中可使用高分辨率的图像扫描声纳对水下地形进行声纳图像扫描、障碍物避碰。配备扫描声纳的机器人可在任何水体（清水或浑水）中进行作业。

（3）可对水下机器人或对所检测的目标进行高精度定位，用于确定病险位置、需要补强和修复的位置；尤其对在水中具有垂直或近似垂直结构的大坝（系统可绘制整个大坝的扫描图）、过江或跨河桥梁的桥墩进行检查时，具有快速、精确的特点。而且，对应于不同的工程需要，用户可灵活选择使用不同精度的定位系统。

（4）遥控机械手可将用户传感器运载到指定位置、可捡起失落在水中的物体、可进行简单的水下作业。

（5）操作人员可遥控操作机器人，不用潜水和到达危险的水域就可完成大面积、大深度的搜索、检查和水下作业。

总之，水下无人探测系统可完成大面积、大深度视频观测、探查、声纳扫描、水下精确定位、简单水下作业、测量结果记录存档和后续分析，具有灵活、快速、安全、可靠，不受季节、地点和水体浑浊与否的限制［6－7］。

3 水下无人探测系统在工程中的应用

3.1 某岩坎爆破工程概况

某电站为Ⅰ等工程大（1）型规模，其永久性主要建筑物包括上库主坝、副坝、库岸防护、上库进（出）水口、引水隧（支）洞、地下厂房抽水发电系统、尾水隧（支）洞、下库出（进）水口等。

下水库尾水隧洞共2条，需要使用爆破方式拆除预留岩坎，如图2所示。经设计反复优化，并通过水工模型试验拆除最大纵深水平长度为50余m，总拆除方量较大（不含围堰削薄及混凝土子围堰等预拆除工作量）。预留岩坎拆除爆破时的最大水深约为20余m。受地质、基础条件限制，预留岩坎与永久建（构）筑物距离较近。

图2 周边建筑物分布示意图Fig.2 Schematic diagram of building distribution

该电站下库出（进）水口岩坎结构特殊，周边环境复杂，拆除方量大，在国内同类拆除爆破工程中，其拆除单一岩坎拆除方量位居前列，该岩坎拆除属A级拆除爆破工程（图2）。

3.2 岩坎爆破水下调查的目的和内容

本次水下调查的主要目的是对岩坎爆破效果进行初步评价，为水下清渣施工提供指导。水下调查的内容包括爆渣大小摸查和爆堆形状调查。

3.3 岩坎爆破水下调查方法与相关措施

岩坎爆破水下调查采用水下机器人摄像及水声定位系统相结合的方式。水下机器人对爆渣块体进行水下拍摄，同时查找有无未爆岩体；水声定位系统控制水下机器人的位置和前进方向，通过水下机器人的行走路径确定爆堆的形状、高度和坡度。其工作现场见图3所示。

图3 水下无人探测系统现场工作示意图Fig.3 ROV operation photograph in site

3.4 调查断面划分及水下机器人行进方向

本次水下调查分别沿爆堆横向和纵向2个方向进行。

横向的检测分为多个断面，在每个拦污栅柱处设置一个断面。每个横向断面调查时先将水下机器人沉到堰内最底部，然后向堰外方向前进，顺爆堆内坡往上爬，翻过堆顶后，顺爆堆外坡下沉，直至爆堆底。

纵向也分为多个断面，在进行纵向断面调查时，先将水下机器人置于左岸，下沉至预定高程后，由左至右贴着爆堆行进，最终到达出（进）水口右岸，这样就能够得到纵向的水底地形剖面曲线。

4 水下无人探测系统的调查结果

4.1 爆渣情况调查

通过多个横向断面和纵向断面的调查结果来看，可将爆渣分为4大类型：较碎块体（粒径基本在30 cm以下）、一般块体（粒径以30 cm以下为主，少量夹杂30～60 cm粒径块体）、较大块体（粒径60～100 cm）和大块体（粒径大于100 cm）。4类块体中较碎块体和一般块体为主，约占88%左右，大块体约占总量的2%左右，详见图4和图5。从录像资料可以看出，爆堆内缘（堰内）以较碎块体和一般块体为主，夹杂少量较大块体，基本无大块体；爆堆外缘（堰外）以较大块体和大块体为主。从清挖施工的角度来看，目前爆堆内缘及堆顶等大部分部位的爆渣可以满足当前设备清挖的要求，爆堆外缘的部分大块石可能要采取相应的措施予以清挖。

图4 各类块体数量统计图Fig.4 Different kinds of blocks statistical graph

4.2 岩坎爆破效果综合评价

使用水下无人探测系统结合水声定位装置，对岩坎爆破后的水下状况勘察的结果是：从爆堆形状及爆渣大小来看，岩坎没有尚未爆破的地方，爆渣基本符合设计要求，以较碎块体和一般块体为主，满足清挖施工的要求。从水声定位系统的数据以及水下机器人拍摄的视频资料的分析来看，爆堆形状合理，符合爆破设计的要求。爆堆内缘坡度约30°～40°，爆堆外缘坡度约35°～45°，外缘坡度略高于内缘坡度。水下三维地形详细请见图6。经过水下无人探测系统进行水下探查后，可以直观地看到岩坎爆破的效果较好，但局部仍存在一些大块体，相对于所采用的清挖设备而言具有较大的清挖难度，须制定专门的施工措施。

图5 爆渣各类块体影像图Fig.5 Images of various blocks

图6 水下三维地形假彩色模拟图Fig.6 Underwater 3D terrain pseudocolor simulation graph

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Application Research of Remotely Operated Vehicle for Underwater Exploration of Rock Bar Blasting

LIANG Jun，GAN Xiao-qing，HAN Xian-quan，LIU Chao
（Yangtze River Scientific Research Institute，Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of MWR，Wuhan 430010，China）

Firstly，each part of the unmanned detection system underwater and their function characteristics were discussed in detail.And then this system was used in reserved rock bar blasting underwater exploration of some project.Corresponding investigation scheme was designed，which included conducting the camera shooting by ROV（remotely operated vehicle）and underwater positioning by acoustic positioning system.Moreover，this ROV did not only take the photograph underwater on broken rock blocks，but also could look for unblasting rock mass.The ROV position and forward direction were determined by the acoustic positioning system.And the shape，height，slope and profile of a muck-pile were determined by ROV forward path.Finally，the effect of rock bar blasting was comprehensive evaluated.

unmanned detection system underwater；remotely operated vehicle（ROV）；rock bar blasting；underwater exploration

TP242.6；TV698.1

A

1001－5485（2010）02－0016－04

2009-02-17

水利部“948”项目水下无人探测系统技术（200710）；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研项目（YWF0906）

梁 俊（1977-），男，浙江临海人，工程师，博士，主要从事 GIS遥感图像处理、三维数据处理等方面的应用研究，（电话）13476285125（电子信箱）keyindex＠163.com。

（编辑：曾小汉）

长江科学院三项成果获湖北省优秀工程咨询成果奖

湖北省工程咨询协会2009年会暨湖北工程咨询论坛在武汉召开，会上颁发了2009年度湖北省优秀工程咨询成果奖。长江水利委员会长江科学院有3项成果获奖，其中“华能岳阳电厂三期工程水资源论证与防洪评价报告”获一等奖，“天门凯迪生物质能发电厂（1×25 MW）水土保持方案研究报告”和“武汉经济技术开发区神龙公司第三工厂一期场平工程2008年度吹填采砂可行性论证报告”获三等奖。

（摘自《长江水利科技网》）