水下检测设备分类概述及应用分析

顾红鹰，董延朋，刘力真

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

水下检测设备分类概述及应用分析

顾红鹰，董延朋，刘力真

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

水利工程检测多指陆地上的工程检测，这类检测技术方法多且成熟，而水下工程检测除特殊要求利用专业的潜水员和放空水后两种检测方式外，多是采用海上的设备。由于条件、环境的不同，在应用上存在差异。本文简要介绍了水利工程的水下检测设备和相关研发应用技术。

水下工程检测；水下检测设备分类；水下检测平台研发

目前，水下检测在海洋工程领域已得到广泛的应用，并取得较好的成果。在水利工程领域，由于水下部分结构的复杂性及传统思想的限制，水下检测技术一直没有得到很好的发展，仍然习惯采用潜水员入水目视观察等方法。也有引进水下机器人进行坝前检测，存在局限性。随着电子技术、信号处理技术以及水下潜器技术的发展，水下检测成为必要的也是必须的，水下检测技术在水利工程领域必将得到广泛的应用。

1 水下检测应用的范围及方式

水下检测应用广泛，水利工程是其中重要的应用领域：海洋中的土建工程；水中资源调查、观测；江河与水库堤坝的监测及其他水下建筑设施的定期检查；水下安保和水下考古等。

水下检测有一是放空检测，二是入水检测。放空检测是将水全面排空，使被检测体暴露进行检测，有很多工程不宜采用此方法，如排水成本、放空可能对建筑物产生不利等原因。入水检测是可采用潜水员携带检测设施检测，也可采用机器人入水检测。

水下检测的关键技术除了专用的检测设施外，其搭载检测设施的平台——水下机器人成为水下检测技术发展的关键。

2 水下检测的关键技术

目前，水利工程水上部分的检测监测技术已较成熟，大部分能以无损方式进行。但水下部分的监测只能依赖预先埋设的固定监测仪器来实施。仪器埋设的固定性决定了只能对有限的几个部位进行监测，一旦仪器损坏或工程的其他部位出险，只有具备一定条件时，才可借助潜水员入水检查或排空检查。一些特殊工程根本不具备潜水员入水或排空检查条件。随着中国国民经济综合实力的提高，大型水利工程如南水北调等涉及水安全战略的重点工程建成和投入运行，重要水下节点工程的安全检测问题更加突出，特别是水利工程中的水下结构的复杂性决定了检测手段与海洋观测中的探测技术的差别。目的明确、观测详实、定位准确、数据精准等有别于海洋观测。引进设备在开敞式水域可完成检测，但对于水下大体积、大管径、长隧（管）道、管径渐变物体及狭小空间进行检测中仍存在很多问题和技术难题。

3 水利工程中的水域环境因素

20世纪90年代开始引进国外的设备，水下机器人代替潜水员进行观察的，并研发生产水下机器人。水下机器人能否有效完成水下作业任务，除其自身性能外，主要受作业区域水流、水体浑浊度及水深、建筑物本身等客观条件和操控人员的技术水平等人为因素影响。

3.1 标的水深及距离因素

山东省水库坝前水深一般为20~30 m，最大水深达60 m；湖泊、渠道和河流水深一般都较小。但在封闭空间则不同于上述的开敞式水域。如倒虹吸、输水洞、涵洞和长距离输水建筑物等。

目前，主流的水下机器人系统的工作水深基本上均超过300 m。主要用于海洋的深水域，为适应深水域作业条件需要，通常要增加潜水器及搭载设备的耐压水深和脐带缆长度。对水利工程而言，工作水深通常不是制约条件，主要考虑水利工程封闭水域的特点，标的位于空间狭长且曲径环境，即需要增加潜水器缆线的长度，同时还要考虑设备的灵活性和可操控性能。

3.2 水流状态因素

水利工程类型不同和运行工况不同其水流状态也不一。如表面看似平面的明渠，其水流变化也十分复杂。再是输水隧洞，受工程规模、地形地貌、上下游边界条件流量等因素决定了水流流态时时变化。有些工程可经过人工干预管理使水静止或降低流速，但也有特殊的工程难以人工控制。

水下机器人推进系统决定了水下潜器的行进速度和定位与操控能力，水下潜器只有在克服了水流冲击的基础上才能逆水行进。如若所选设备计划在流速大的水域作业，就更须科学、合理配置水下机器人的推进系统。此外，潜水器的自重也直接影响其稳定性和可操控性。因此，需要合理配置潜水器的自重和推进功率。其缆绳的抗拉和抗磨损力也是要考虑的。

3.3 底部及水质因素

水库、河道、水渠等水利工程的底部多为泥质，涵洞、倒吸虹、隧洞和输水管道等水工建筑物底部虽多为混凝土结构，但由于水的流动携带杂质并沉积，形成了淤积及其他沉积物体，水体易被搅动浑浊。在装配水下机器人时，必须重点考虑提高光学和声学成像系统的性能。

4 水下建筑物特点及类型

基于水下工程的复杂性和特殊性，通常要对以下几种水下情形进行检测检查：

1）河道、渠道、湖泊及水库水面以下淤积、冲刷和岸坡情况检查；

2）水闸上下游冲刷、水面以下闸体结构和闸门锈蚀、止水等情况检查；

3）泵站进出水渠、流道等水下各结构物工况检查；

4）倒虹吸淤积、各箱涵体止水和不均匀沉降等复杂工况检查；

5）涵洞、暗渠内部隐患排查；

6）隧洞复杂工况检查。

由于水利工程工况的复杂性、特殊性及各自工程的特性不同，对水下监视检查设备的要求也是各有不同。

上述的6种情形可分为两大类：一类为开敞式水域，有河道、渠道、湖泊及水库和水闸等，即为检测装置可直接入水，无其他阻挡物的水域；一类为相对封闭式水域，有泵站、倒虹吸、涵洞、暗渠等隐蔽工况和穿河隧洞复杂工况，即通过检修口等较狭小空间进入，入水后控制运行水下检测机器人再转向需进行检测的水域。

5 水工建筑物水下检测应用分析

5.1 水下检测的设施

水下检测设施主要有水下摄像机、声纳、侧扫声纳、激光尺度仪、磁粉测量仪、电位差仪、多波束测深系统、浅地层剖面仪等。5.2 水下检测设施的搭载平台

可搭载以上检测设施的有轻便的手持杆和水下机器人。手持杆可用于近岸水域的检测，也可采用潜水员携带入水检测，较复杂水域和复杂水域应选用适宜的水下机器人。水下机器人又分为拖曳式和自主式机器人。拖曳式主要依靠外力进行拖曳行进。自主式则是依靠自身动力进行水下系列的运动，又可分为悬浮式、履带式和悬浮履带混合式。

5.3 检测设备应用在不同的水下建筑物类型

根据检测目的选用不同检测设施，并根据不同的检测环境选用相应的检测平台。例如，近岸（坝、堤）可采用手持式设备选用检测设施进行观察、观测等检测，狭小空间则可选用悬浮式机器人搭载检测设施进行检测；特殊水域如大管径长距离的管道则采用定制的悬浮式机器人搭载多种检测设施进行检测；针对底部进行作业及检测时则可选用履带式机器人。

（责任编辑 迟明春）

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1009-6159（2017）-10-0075-02

顾红鹰（1965—），女，高级工程师