水闸水下结构检测新技术的发展和应用

张洪星 朱俊

摘 要：文章简要介绍了水闸水下结构检测新技术的发展和应用，阐述了水下机器人和三维声呐系统在水闸水下检测中的实际应用，综合描述了新方法相对于以往常规方法检测时存在的优势和缺陷。

关键词：水闸水下结构；水下机器人；三维声呐

中图分类号：TV698.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0143-03

Abstract： This paper briefly introduces the development and application of the new technology for the detection of underwater structure of sluice， and expounds the practical application of underwater robot and three-dimensional sonar system in the underwater inspection of sluice. The advantages and disadvantages of the new method compared with the conventional methods are described.

Keywords： underwater structure of sluice； underwater robot； three-dimensional sonar

1 概述

水閘是内河水利工程中常见的水工建筑物。主要供灌溉、发电、航运、工业和生活供水等不同方向使用，同时具备泄洪排涝，供水等作用。在水利工程中广泛应用，为目前内陆主要水利工程基础设施。

根据资料分析目前全国半数的大中型水闸结构存在各种各样的病险情况[1]。主要因为该类水闸结构修建年代久

远，修建时期因受到技术，经济等多种条件限制，加上长时间受洪水和风暴潮等环境的影响。水闸结构出现多种缺陷，严重影响到其正常的工作。水闸的检测分为水上结构的检测和水下结构检测，水上结构检测方法较为成熟，数据获取方便，水下结构检测受制于水下环境影响，难度较大[2]。

目前，对水闸水上结构部分的检测、探测技术已经很成熟，相关的规范、规程也很完备，而对水闸水下部位的检测、探测技术仍稍有欠缺。如水闸水下病害，如裂缝、冲坑、剥蚀等，通常和地基的抗渗稳定性、地基变形破坏等紧密相连，处于技术管理工作巡视检查的盲区。此类病害的发生和扩展具有隐蔽性，难以及时发现，检测、探测比较麻烦，难度较大。

2 水闸水下病害的种类

由于时间和自然等因素，水闸老化程度逐渐加深，主要病害有以下几种类型：地基渗流破坏，地质结构沉降；结构整体变形，如闸室，岸墙，翼墙的水平移位，沉降与倾斜[3]；上下游消能结构的破坏，导致水闸翼墙，甚至闸室发生倾斜；闸门及其启闭系统老化或垃圾堆积等；上下游河道或闸室淤积等。

3 水下检测新技术新设备

目前对于水闸常规水下检测的主要方法为潜水探摸或水下电视方法，使用潜水员携带设备对水闸结构进行探摸时，岸上人员根据潜水员的描述对水闸的水下情况进行记录，使用水下电视时主要为潜水员携带水下电视根据要求对水闸水下结构进行观察。潜水员作业受制于环境条件影响，作业深度有限，作业时间短，探摸描述时存在主观因素，使用水下电视时因操作问题会经常出现图片模糊等现象。

随着新技术的发展和新设备的投入，逐步使用新型方法对水闸水下结构进行检测工作。主要利用水下机器人和声呐手段相结合的方法对水闸水下结构进行检测。

3.1 水下机器人技术

近年来，随着计算机、光电子技术以及数据处理技术的发展，水下机器人系统在动力推进、整体控制、导航通信等多项关键技术上取得了重大突破，产品已经开始工业化定型生产。水下机器人（ROV）作为新兴的辅助观测工具在水利工程检测中得到了广泛的应用[4]。

使用水下机器人进行水闸水下巡视检查，工作深度可覆盖至0-500米，可使用与多种复杂水下环境，如图1所示。使用水下机器人携带的高清水下相机对闸室，翼墙等结构进行近距离视频观察，可得到清晰的水下视频。因水闸水下结构相邻之间一般距离不是特别大，可使用高分辨率声呐对闸室结构和底板进行扫测，得到闸室水下结构的总体信息。利用RTK和水下定位技术可准确的定位处水闸病害的位置。为后期的缺陷评估及工程修复提供数据依据。

3.2 水下三维扫描声呐技术

水下三维全景成像声呐技术的基本工作原理是通过发射和接收声波进行目标测距定位，采用旋转二维面阵的方式，直接采集到目标外形轮廓的水平、垂直、高度三个方向上的数据，系统接收到目标物反射的信号后结合波束形成、波束指向、振幅及相位检测等技术，得到扇形区域内各点与换能器的位置信息，生成二维声呐图像，再通过计算机控制云台带动声呐头在水平方向上360°旋转，实现检测目标物不同部位的位置信息，并借助三维显示技术，最终生成目标的实时三维立体图像。

4 新型设备在水闸检测中的应用

使用水下机器人对闸室水下结构进行检测时，主要针对水下的特点，先将结构划分为不同的区块，使用水下机器人对每个区块进行网格化的检测作业，网格密度根据作业位置的水下能见度调整，最终保证视频覆盖全部水闸结构，一般相邻两条检测线应保持约为15%的覆盖比较合适。

笔者近期应用水下机器人技术对上海和浙江等地多个水闸进行检测，如上海某水闸结构，该水闸在90年代建设，受制于当时材料，工艺等因素影响，常年累月的使用后，水闸结构产生了一定的病害，主要表现为闸室翼墙产生裂缝，闸室上下游有较多的淤积，闸室内部严重积渣等。具体见下图3所示和图4所示，图3中左侧图中翼墙结构施工缝间距过大，右图翼墙表面附着有大量贝类生物。图4左侧图为水闸翼墙混凝土出现裂缝，通过水下机器人自带的激光测量工具，可在作业时测量出裂缝的宽度和长度，右图为水闸闸门结构与翼墙相接区域截图，可从图中看出水下淤泥淤积的形态和高度，利用ROV自身的深度计高度计和激光测距等设备，可测量出淤积量等重要信息，最终通过三维软件，可将视频结果处理为三维视频图像信息，形象具体的展现出。

使用三维扫描声呐对闸室水下结构或上下游河道进行检测时，可使用定点作业式或移动式两种方法，定点式作业一般为水下机器人携带声呐在水下某位置保持不动，利用声呐自身的旋转功能对周围的结构进行扫描，最终形成该点水下的形态数据，通过多个点的扫描，最终利用相对关系将所有的点拼接在一起，形成水下结构的全部形态，成果形式可见图5所示。移动式主要为水下机器人携带该声呐设备，操作水下机器人按照一定的路线进行航行，最终根据声呐的数据对应水下机器人的位置信息将声呐的数据进行拼接，形成水闸水下的三维形态点云模型。移动式作业方式对水下机器人水下定位信息要求较高，目前主要使用超短基线和高精度姿态仪和计程仪相互作用给出ROV的精确位置信息。因移动式作业要求水下机器人能力强，搭载的仪器多，所以在三维声呐使用时采用定点式作业方法比较常规。定点式作业设备少，易操作，但站点布置需要人员在水面支持船上进行作业，需要使用船舶或其他工作平台支持，且定点式作业因为需要在水闸检测区域内的不同位置布置足够多的测点，所以工作时相对于移动式作业方式更耗费时间。

5 结束语

虽然新技术的应用给水闸检测带来巨大的便利，但每一种方法都具有自身的局限性，水下机器人和声呐在水闸检测中也存在一定的缺陷，如在某些老旧水闸中，因河道内部垃圾较多，水下机器人在检测过程中易被垃圾缠绕，导致水下机器人出现故障；如水闸内水中悬浮颗粒较多，使用声呐检测时，声波因悬浮颗粒的阻挡会产生一定的折射和反射，所以声呐检测中声呐的噪声较多，因此会对检测成果造成一定的影响；新型技术目前并未广泛应用于水閘的检测中，作业的费用与潜水员作业相比稍高，很多水闸检测作业时因考虑到经济性的因素往往会考虑使用传统潜水员方法，使新技术新方法在水闸检测的应用和推广中存在一定的困难。

水下机器人系统（ROV）和三维声呐技术在水闸检测中作为一种新的检测工具，正在水利工程检测中发挥着越来越大的作用。相对于传统的潜水员水下作业来说，水下机器人系统作业效率更高、数据直观性强、结果更可靠，技术优势明显。因此，应用水下机器人技术开展水闸水下检测工作将会是未来的主要发展方向，但要达到广泛的使用水下机器人和三维声呐进行水闸检测还需要一个较长的过程。

参考文献：

[1]郑海远.涵闸加固工程中的固结及温度应力研究[D].河海大学，2008.

[2]鄢丽丽，张旭辉，吕雯丽，等.水闸工程病害分析及安全鉴定[D].广东省水利水电科学研究院.

[3]董海林.既有建筑整体移位安全技术性能指标分析与应用[D].同济大学土木工程学院，2009.

[4]郑发顺.遥控水下机器人在我省水利水电工程水下检测中的应用[J].水利科技，2014（01）：40-42+44.