无人潜航器在水电站引水隧洞质量检查中的应用

刘 福，马保东，马 祥，陈 静，董芮佺，李长雁

(1.国网新源控股有限公司，北京 100761；2.湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 黄冈 438600；3.中国船舶重工集团公司七五〇试验场，云南 昆明 650033；4.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033)

0 引言

引水隧洞因具有长距离、大埋深特点，使得隧洞地质条件复杂，工程运行条件差，极易出现不同程度的病害。如果不能及时检测发现并加以修补，会造成输水隧洞断裂垮塌、管路沉降等事故，严重危害社会发展及城市安全[1]。水下无人潜航器是能够在水下环境中长时间作业的高科技装备，尤其是在潜水员无法承担高强度水下作业、不能到达的深度等情况下和危险条件下更显现出其明显的优势，同时解决了人工检测效果差、效率低、危险大等问题，具有广阔的应用前景。

1 工程概况及检测范围

1.1 引水隧洞

锦屏二级水电站引水系统采用4洞8机布置，进水口至上游调压室的平均洞线长度约16.7 km，隧洞中心距60 m，底坡3.65‰，由进口底板高程1 618.00 m降至高程1 564.70 m与上游调压室相接。引水隧洞开挖直径12.4～14.3 m，衬后隧洞跨度10.8～11.8 m，典型断面型式有四心圆断面、四心圆马蹄形断面、平底马蹄形断面。4#引水隧洞设计断面及集渣坑见图1～图2。

图1 4#引水隧洞典型断面尺寸示意图 图2 4#引水隧洞集渣坑尺寸示意图

1.2 检测范围

1.2.1 引水隧洞末端

通过锦屏二级电站4#引水隧洞末端水下检查，判断和定位检查范围内混凝土衬砌表观缺陷的空间位置、集渣坑内淤积情况。检查引水隧洞混凝土内表面有无破损、剥落、露筋、开裂、冲蚀等缺陷，附着物情况，混凝土衬砌结构部位完好性，集渣坑淤积现状。

1.2.2 引水隧洞上游端

锦屏二级水电站4#引水隧洞自进水口事故闸门门槽中心线开始，向引水隧洞下游出口方向2 km长范围。

2 检查技术与方法

2.1 仪器设备

分别采用中船重工ARV无人潜航器系统、美国DOE L5的ROV无人潜航器系统、英国SAAB Seaeye Falcon DR的ROV无人潜航器系统进行检测。水下无人潜航器系统主要包括了潜航器单元、地面控制单元、脐带缆单元及吊放系统四部分。其中，潜航器单元包括了高分辨率彩色摄像机、惯性导航系统、避碰声呐、内置姿态传感器、机械臂、推进器、照明灯等部件；地面控制系统包括了计算机控制系统、DV录像系统等部件。

2.2 检测思路

2.2.1 引水隧洞末端

引水隧洞末端水下潜器检查，根据引水隧洞设计布置情况，在电站4#上游调压室内布置专用工作平台，水下无人潜航器由调压室竖井顶部平台开始吊放，吊放至竖井水面后脱钩，潜航器潜至竖井底部，经过竖井靠上游的阻抗孔，进入待检查隧洞开展水下工作。确认缺陷的性质、规模及分布部位等，查明集渣坑沉渣粒径情况。处理与分析阶段统计混凝土缺陷的性质、规模、分布部位，以及集渣坑淤积等情况，往年检查成果对比分析，查明缺陷或集渣坑淤积的变化情况。

2.2.2 引水隧洞上游端

检查分为覆盖普查及局部详查两个部分，分别为：

(1)普查阶段，采用水下无人潜航器根据作业区域的实际情况科学优化的选择搭载ARIS图像声呐、前视图像声呐、水下惯性导航定位系统等设备进行引水隧洞的声学全覆盖检查，检查测线以平行于隧洞中轴线的方式进行布置，通过解译声学图像初步划分出异常的规模以及分布部位。

(2)详查阶段，根据前期人工踏勘的实测成果，对已发现的异常以及重点部位，采用水下无人潜航器搭载水下光学摄像设备对各个异常以及重点部位逐一进行详查，进一步确认异常的性质、规模、以及分布部位等情况。

(3)处理与分析阶段，统计混凝土缺陷的性质、规模、分布部位。

3 检查成果分析

3.1 引水隧洞末端详查部位成果与分析

锦屏二级水电站4#引水隧洞末端水下详查，确定了表观缺陷的类型，复核了缺陷的空间定位以及表观现状。通过采用水下无人潜航器以光学摄像手段抵近观察隧洞内部缺陷情况，水下检查逐一复核了重点详查部位混凝土表观运行现状，重点详查部位混凝土表观现状统计见表1。

表1 典型区域水下检查情况

由表1可得以下结论：

(1)锦屏二级水电站4#引水隧洞末端2.0 km范围内，共发现45处缺陷，其中，混凝土表层脱落7处，灌浆孔遗留16处，混凝土表观不平整14处，底板磨蚀1处，骨料出露3处，钢管出露2处，钢板出露1处，裂缝1处。缺陷集中在隧洞底板，未发现明显结构性破损现象，混凝土衬砌表观情况整体良好。

(2)经过水下无人潜航器抵近复核观察的15处部位表观现状，查明此15处部位无结构性破损现象，混凝土衬砌表观情况整体良好，与往年的检查情况无较大差异；

(3)检查中对特殊隧道段执行了加密环视检查，覆盖范围为上下游各100 m。通过检查，在特殊隧洞段范围内，未发现隧洞混凝土内壁存在破损、剥落、露筋、开裂、冲蚀等缺陷现象，混凝土衬砌表观结构良好，同时，在隧洞底板可见零星小范围混凝土不平整现象。

3.2 集渣坑沉积情况现状与分析

综合声学探测成果以及光学摄像成果，计算出集渣坑沉积情况。根据测距声呐成果，4#引水隧洞末端集渣坑沉积现状统计见表2，上游集渣坑、下游集渣坑各沉渣室沉积现状见图3、图4。

表2 引水隧洞集渣坑淤积现状统计表

图3 上游集渣坑各沉渣室沉积现状 图4 下游集渣坑各沉渣室沉积现状

通过分析对比，由上述图件可得以下结论：

(1)4#引水隧洞末端集渣坑各沉渣室淤积厚度为：

4-1#-1#沉渣室淤积厚度介于1.9～2 m之间，平均厚度为1.95 m，基本淤满。

4-1#-2#沉渣室淤积厚度介于1.75～2 m之间，平均厚度为1.88 m，基本淤满。

4-1#-3#沉渣室淤积厚度介于1.6～2 m之间，平均厚度为1.8 m，基本淤满。

4-2#-1#沉渣室淤积厚度介于1.8～2 m之间，平均厚度为1.9 m，基本淤满。

4-2#-2#沉渣室淤积厚度介于1.6～2 m之间，平均厚度为1.8 m，基本淤满。

4-2#-3#沉渣室积厚度介于1.8～2 m之间，平均厚度为1.9 m，基本淤满。

(2)根据集渣坑各个沉渣室的设计尺寸进行计算，截止2021年5月，4#引水隧洞末端集渣坑(含上游集渣坑4-1#、下游集渣坑4-2#)沉积体积为493.22 m3，占集渣坑总体积(526 m3)的94%。

(3)沉渣粒径(短轴)普遍小于5 cm。

3.3 引水隧洞上游端成果与分析

锦屏二级水电站4#引水隧洞上游段2 km水下详查，采用美国DOE L5定制改进型ROV水下无人潜航器系统搭载了水下彩色摄像设备、多波束三维扫描声呐、前视图像声呐、水下惯性导航定位系统等以抵近检查的方式完成混凝土衬砌表观局部部位的水下光学摄像详查，确定了表观缺陷的类型，复核了缺陷的空间定位以及表观现状，得出如下结论：

(1)锦屏二级水电站4#引水隧洞上游端2.0 km范围内，共发现22处缺陷，两处钢筋出露，其余多为混凝土表层剥落，检查范围内未发现明显结构性破损现象，混凝土衬砌表观情况整体良好。

(2)事故闸门右侧高程在1 624.4～1 624.6 m处混凝土破损损伤，长约20 cm；事故闸门槽底部鹅卵石堆积，长约10 cm，宽约30 cm，厚度约15 cm。

4 结语

近年来，水下无人潜航器由于其高度集成化和智能化，逐渐在水工隧洞病害检测中得到了广泛应用。利用中船重工定制改进型ARV无人潜航器系统、美国DOE L5定制改进型ROV无人潜航器系统和英国SAAB Seaeye Falcon DR定制改进型ROV无人潜航器对锦屏二级电站4#引水隧洞进行了全面检测，得出了可靠的评价成果，可为工程运营安全评价，病害处理提供全面的技术支撑。