水下机器人在病险水利工程检测中的应用

李 璐

（湖南省水利水电科学研究所 长沙市 410007；长沙理工大学水利工程学院 长沙市 410004）

前 言

作为我国水利大省的湖南，目前共有水库14 121座，总库容530.72亿m3；共有水电站4 467座，装机容量1 534.81万kW；共有过闸流量1m3/s及以上的水闸34 825座；共有堤防总长度为18 684.87 km。这些为数众多的水利工程不仅在防洪抗旱方面起着极为重要的作用，同时也在一定程度上促进了国民经济和社会的发展。但是，这些水利工程大部分都修建于20世纪50~70年代，受制于当时的条件，质量难以保证，加之年久失修，老化严重，病险日益突显，直接威胁到水利工程的安全运行。因此，对水利工程定期开展检测是非常有必要的。那么，如何有效地开展检测工作，获得准确可靠的检测结果，是我们面临的一个重要课题。

随着科学技术水平的不断发展，特别是电子技术的日新月异，水下机器人作为一种新技术和新方法，在我国水利工程水下检测工作中已逐渐得到应用。湖南省水利水电科学研究所于2013年引进了国际先进的水下机器人综合探测系统（ROV），当时在我国国内仅有两套。该套设备为加拿大水下机器人厂商Shark Marine生产的Stealth 3 ROV（图1），属于该公司最新的第三代产品，它具有体积小、操作方便灵活、图像清晰、功能强大等特点。从2014年开始，水科所利用该套设备先后在宁乡县黄材水库、浏阳市关山水库、城步县白云电站、新宁县田心坝水闸等处开展了水下检测工作，取得良好的技术效果，同时使检测技术人员对水利工程的水下结构的运行状况和病险隐患所在部位及严重程度有了非常直观的了解，有利于技术人员对工程现状获得准确可靠的检测数据。

图1 Stealth 3 ROV

1 水下机器人（ROV）系统简介

ROV（Remote Operated Vehicle），无人遥控潜水器，即我们通常所说的水下机器人。它的工作基本方式是：由水面船只或者岸边上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下作业。目前，无人遥控潜水器主要有有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种。

水下机器人主要由ROV主机、ROV控制通讯脐带、ROV控制平台三部分组成。其中，ROV主机是携带有水下高清摄像头、二维多波束图像声呐、位置及水深传感器等探测传感器的水下运动平台。本文中所使用的Stealth 3ROV主要技术指标见附表。同时，Stealth 3ROV还配备了专业的操控手柄，这为实现水中精确控制水下机器人的位置与姿态提供了有利保障。

附表 Stealth 3 ROV主要技术指标

2 水下机器人（ROV）系统的技术特点

根据水下机器人在黄材水库等水利工程进行水下检测的实际情况表明，水下机器人（ROV）系统具备以下几个主要技术特点：

（1）灵活性。水下机器人在水中能够自由快速的前行或后退、上浮或下潜，同时也能够按照给出的指令，通过自身携带的多个传感器及定位系统在水中任意深度任意位置固定方向进行悬停作业。而且，水下机器人下潜深度可达300m，脐带长度可根据实际工作需要配置，本系统设备配置脐带长度150 m，可以满足湖南省绝大多数水利工程水下检测工作的需要。

（2）高效性。如果是潜水员在深水中作业需要潜水钟，其加压减压时间长，且潜水员在水中工作时间、工作条件、工作环境等都有限制，而用水下机器人替代潜水员，则能够长时间在水中任意深度进行作业。同时，水下机器人能按照指令快速地行进至指定地点并迅速开展工作，因此，大大缩短了工作时间，提高了工作效率。

（3）直观性。通过水下机器人搭载的水下高清摄像头、二维多波束声呐等设备可以全方位、全角度非常直观地实时观测到水下检测实况，同时这些实况信图像能够同步存储在控制平台的电脑中，以便日后进行分析与研究。

（4）可靠性。在较好的水体环境中，水下机器人能够很清晰地显示水下检测实况，如水库大坝的裂缝、破损、钢筋锈蚀情况等，并通过定位系统记录其问题发生的位置，同时保存下来。在水体水质条件比较差的情况下，仍然可以通过水下机器人携带的二维多波束声呐对检测目标进行定位及辨识。

虽然水下机器人系统具备以上特点，但根据我们的应用实践，在其使用过程中仍然存在一定的局限性，如：不适用于水流流速过快，存在漩涡、大量垃圾杂物等复杂的水体当中；在水质浑浊的水体中，无法用水下高清摄像头进行检测，仅能通过声呐来形成一个范围广泛的图像，不利于检测到目标的细部详细情况，如裂缝、破损等；由于水下机器人是有缆遥控的，脐带线缆会跟随水下机器人同时进入水中，所以，如果水中环境或水下工程结构复杂，极易发生脐带线缆缠绕、挂伤等情况；水下机器人的推进动力由螺旋桨推进器提供，若水下存在渔网、比较细的线缆等，有可能会使其缠绕至螺旋桨中，造成故障。

3 资料整理及成果分析

水下机器人（ROV）系统所取得的资料和成果主要包含水下高清摄像头成像和二维多波束声呐扫描结果二部分，二部分结果可以单独进行整理分析，也可以相互结合进行成果分析或相互印证检测结果。

（1）水下高清摄像头成像。水下高清摄像头可以对周边环境、水中结构等进行持续拍摄，并实时显示在控制平台的显示屏幕上并自动保持在电脑中，检测技术人员可以非常直观地通过屏幕看到哪些地方有裂缝、哪些地方有破损、哪些地方有金属锈蚀等等，从而能够快速依据现象做出准确的判断。也可以通过重新调看或回放已检测过的部位成像资料，并对其进行简要现场分析和判断，以决定是否需要补测或对某些部位进一步加密检测部位进行详查。

（2）二维多波束声呐扫描。二维多波束声呐类似于我们生活当中使用的手电筒，声呐发射的声波以一定的方向和角度发射出去，当声波遇到前方障碍物时部分声波能量又反射回声呐的表面。当声呐系统接收到反射回来的声呐以后，会根据从声波发射到回波被接收这段时间的长短来测量目标距离声呐系统的距离。同时，可以根据回波的强度大小来获得目标反射声波能力的强弱，从而形成声呐图像。在形成的声呐图像上，可以看到有明有暗，通常情况下，回波信号强的用亮色，回波信号弱的用暗色。而在声学中，硬目标（如混凝土、钢板）反射声波能力强，软目标（如水、橡胶、薄壳空气腔等）反射声波能力弱。因此，根据这些原理，我们可以对水下的各个目标物体进行准确的辨识与定位。

4 工程应用实例

（1）宁乡县黄材水库。黄材水库位于湘水一级支流沩水上游，主坝坝址位于宁乡县黄材镇以西的铁山里，下距宁乡县城52.5 km。坝址控制流域面积240.8 km2，多年平均降雨量1 481.2mm，多年平均径流量 1.92亿 m3，水库总库容 1.53亿 m3，正常蓄水位 166.0m，相应库容 1.26亿m3，库容系数 0.68，为多年调节水库。该水库是一座以灌溉为主，兼有发电、防洪、养殖等综合效益的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。该枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、输水隧洞、电站及引水坝等建筑物组成。

近些年来，位于主坝右岸山体的输水隧洞进水闸门出现较为突出的渗漏问题，闸门启闭也存在困难，加之闸门启闭台排架水下部分存在老损问题，使该水库枢纽工程的安全运行受到威胁。出于这种情况，于2015年7月，对黄材水库进行了一次水下检测。

此次水下检测的主要内容是获取输水隧洞进口检修闸与启闭工作台排架老损的情况。根据现场的实际情况，本次检测共布置3条检测线路：第一条是从启闭台前方100m处开始下潜至库底，顺着主埋管方向，由远及近进行详细的巡查，检查埋管段地表有无明显结构问题。最终靠近排架底部（检修闸门附近），检查闸门及其周边结构外观情况；第二条是顺启闭台排架逐个深度近距离检查排架的外观情况；第三条是采用声呐对进口进行扫描检查。

该次水下机器人水下检测结果表明：在对进口段进行声呐扫描时能够清楚的看到进口处中间存在一处约7m×5m（长×宽）大小黑色近似多边形的黑色区域，通过分析判断，该处为塌陷区（图2）；主埋管段上部地表通过水下高清摄像头可以看出有零星凹坑的存在，有可能为管身结构破损造成；启闭台排架结构严重老损，通过水下高清摄像头进行仔细排查，发现了排架各支柱普遍存在混凝土老化剥落、钢筋外漏锈蚀严重、顺筋向裂隙发育等现象（图3）。

图2 进口塌陷区

图3 主埋管段地表凹坑、启闭台排架老化破损情况

（2）浏阳市关山水库。关山水库位于浏阳市社港镇，系湘江一级支流捞刀河源头水库，距浏阳市38 km，大坝控制集雨面积31.8 km2，正常蓄水位170.13m，正常库容1 570万m3，总库容2 480万m3，是一座以灌溉为主兼顾防洪、发电、供水等多种综合效益的中型水利工程。该水库枢纽工程包括主坝、两座副坝、溢洪道、高涵与低涵灌溉隧洞。

该工程经过多年来的运行，目前，位于大坝左岸端山体的低涵隧洞出现较为严重的渗漏险情，工程安全受到威胁。为了进一步确定渗漏异常区域的水下情况，于2015年5月，对左岸低涵隧洞渗漏位置进行水下检测。

该次水下检测的主要内容是对其它检测方法确定的疑似渗漏异常区域在水下进行进一步检测。因此，依据疑似渗漏异常区域的情况，该次主要有两条检查线路：一是在异常渗漏点进行定点下潜检查；二是沿低涵闸门启闭拉杆从水面开始往下逐个深度详细普查。

通过水下机器人水下检测的结果表明：通过水下高清摄像头，可以清晰的看到在闸门左底角处渗漏迹象明显，同时此处门槽处存在明显的缺陷；闸门门板左侧与门槽接触处存在一条缝隙，宽（0.5～1.0）cm，为闸门闭合不到位；闸门门板右侧门槽外侧存在一处混凝土剥落区，剥落面积约为0.1m2；闸门启闭杆金属结构锈蚀、老化严重；闸门消力井盖处存在一条约1 cm宽水平裂缝（图4）。

5 结 语

图4 关山水库闸门水下检测

水利工程检测工作本来就是一项复杂的综合性工作，需要通过多种检测方法进行综合判断，而水下机器人（ROV）系统在水利工程检测应用中的引入，利用其具有的灵活性、高效性、直观性、可靠性等众多技术优势，将大大缩短水下检测工作的周期，提高工作效率。因此，应用水下机器人广泛开展水利工程水下检测工作，将会对湖南省水利工程安全隐患排查、除险加固效果检查等诸多工作起到非常重要的作用。

[1]郑发顺.遥控水下机器人系统在水库大坝水下检查中的应用[J].水利信息化，2014，（2）：45-49.

[2]李钟群，孙从炎，蒋晓旺，葛双成.水下机器人在浙江省水库大坝检测中的初步应用 [J].浙江水利科技，2010，169（3）：57-59.