大坝深孔泄水建筑物淤堵物清理技术探讨

2023-12-27田金章贾强强

中国水利 2023年22期

李星，田金章，贾强强

（1.国家大坝安全工程技术研究中心，430010，武汉；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

一、研究背景

水库大坝是调控水资源时空分布、优化水资源配置的重要工程措施，是流域防洪体系不可替代的重要组成部分。作为大坝坝体重要的泄水结构，深孔泄水建筑物具有孔口尺寸有限、工作水头大、闸门推力大等特点对保障大坝防洪安全意义重大。

我国各类水库普遍存在泥沙淤积问题，坝高30 m（含）以上且有深孔泄水建筑物的水库共有1000余座，其中存在淤堵问题的水库比例约占四成，表1 统计了国内外部分大坝深孔淤堵案例。由表可知，淤堵物以碎石和泥沙为主，最大淤积厚度可达数十米，部分水库深孔闸门前淤堵物为滑坡、泥石流等地质灾害带来的块石、树枝或施工期遗留的钢筋等杂物。闸门在淤堵物作用下可能无法启闭，影响大坝防洪安全。

表1 国内外大坝深孔淤堵及处理案例统计

随着运行时间累增，我国将会有越来越多的水库出现深孔闸前淤堵物堆积问题。此外，在气候风险水平趋于上升背景下，地震、强降水等极端事件发生概率增加，可能发生坝前滑坡、泥石流等次生灾害，导致大坝深孔发生淤堵。深孔闸门前淤堵物清理是诸多水库的切实需求，需高度重视。

二、深孔淤堵物清理技术现状

1.淤堵闸门启门力计算模型

闸门淤堵后启门力会增大，厘清启门力的影响因素、构建启门力计算模型可为淤堵物清理提供技术支撑，国内学者开展了相关研究。夏毓常提出了泥沙淤积对闸门启门力影响的估算方法；蔡文刚等对西郑闸闸门启门力进行了原型试验，认为最大启门力多发生在闸门开启的瞬间；徐国宾等进一步完善了夏毓常公式，将泥沙淤积对启门力的影响考虑为粗颗粒间的摩擦剪切应力和细颗粒间的极限剪切应力；高仕赵等提出了弧形闸门启门力数值计算模型；杨洲等构建了考虑单双面泥沙淤积情况的启门力计算公式。研究表明，闸门启门力与淤堵物粒径级配、淤堵物厚度、淤积时长和淤积状态（单面或双面淤积）等息息相关。当淤堵物粒径和淤积厚度增大、淤积时间增加时，闸门启门力相应增大，双面淤积相比单面淤积启门力更大。闸门启门力最大值发生在闸门提动的瞬间，当淤堵导致启门力超过启闭机最大荷载时，闸门便无法提起。

当前深孔闸门淤堵物启门力计算模型相关研究在泥沙淤积条件下闸门启门力计算公式方面取得了一定进展，但存在与实测资料不够吻合、未考虑泥沙特征（粒径、淤积时长等）影响等问题，相关研究结果未能应用于实际闸门前淤堵物的清理作业。

2.淤堵物水下探测技术

淤堵物水下探测技术可界定清理范围，为选择合适的清理措施提供决策支撑，是水下淤堵物清理的前提。淤堵物探测技术主要包括水下目视、水下激光成像、水下高清摄像技术、水下三维声呐成像、水下机器人（ROV）技术等（见表2）。

表2 淤堵物水下探测技术比较

水下探测技术发展迅速，在水下结构缺陷探测、水下地形探测等方面进行了广泛应用，水下机器人搭载三维声呐成像技术可用于深孔水下淤堵物探测，但目前应用相对较少。

3.淤堵物清理技术装备

目前水下淤堵物清理主要有人工清理、泄洪清理、机械设备清理等方法。人工清理一般通过人工潜水进行水下作业，操作方便，适用于水深不大、淤堵不严重工况，但往往受限于水下环境，清理效率不高且存在安全风险。如鸭河口水库泵站进口通过潜水员清淤，2个月仅完成工程量的1/6，工程共耗时8个月，潜水员下水作业1286次。泄洪清理通过开启闸门泄洪，利用水流带走淤积物，适用于淤堵不严重且淤堵物松散的情况，对板结淤堵物清理效果较差。如勾山水库、刘家峡水电站、三门峡水库等采用合理调度、水流排沙等措施清理淤积物后，闸门可正常启闭。机械设备清理一般通过吹扫或泵吸设备进行淤堵物清理，适用于松散淤堵物，存在定位与检查困难、能耗大、适用性不高等问题，不适用于水压大、可见度差、空间局促的深水闸门环境。

随着水下清淤技术的发展，采用水下清淤机器人替代传统人工进行深孔水下检查、清理、修复等相关作业成为行业热点，水下清淤机器人具有自动化程度高、功能多、操作灵活等特点，既保证人员安全，又能提高工作效率。程阳锐等设计研发了具备水下清淤、行走、定位、动力及智能控制等功能的“达诺一号”清淤机器人样机，机身装备绞吸头，可替换搭载抓取及破碎切割装置，在马鹿塘水库进水口开展了清淤作业。单宇翥等利用搭载机械手的ROV 对三峡水利枢纽导流底孔封堵检修门槽和底槛进行了水下清理。黎宙等以及彭建平等研制了适用于200 m级深水环境和孔洞的自行式履带清淤车，可携带绞吸头、抓斗等作业工具，适应深水受限空间（含各种孔洞等），在小浪底水利枢纽进行了应用试验。熊新宇等研发了一种具备水下探测、绞吸淤泥等功能的水下清淤机器人，可在水深30 m以内水体中工作，在南水北调干渠闸门进行了水下清淤。此外，浙江大学、中船重工中南装备有限责任公司发明了具有绞吸等功能水下清淤机器人，可用于涵洞内淤泥清理。

三、深孔淤堵物清理技术难点及对策

深孔淤堵物清理技术和装备目前仍处于研究和测试阶段，在深孔水下环境高精度重构技术、闸门启门力数值计算模型、深孔清淤机器人等方面仍有不少技术难点，需进一步开展相关研究。

1.水下环境高精度重构技术

水下环境重构技术指基于声学、光学等方法对水下环境信息进行采集，根据图像的映射原理获得三维坐标，进而对水下环境进行三维重构，是淤堵物清理的前提。与水上环境三维重构不同，水下三维环境重构具有以下难点：

①水下环境水深变化大，目标物种类多。目前已有的大坝深孔最大水深超过100 m，水下存在多类型淤堵物，探测采集设备需有较好的耐压性及较高的分辨率，以准确获取水下目标信息。

②水下环境能见度低，生成的图像存在大量噪声或图像畸变，水下诸多目标无法准确辨识，严重影响水下环境重构。

③深孔内空间有限、结构复杂，对孔洞内结构识别与重构提出更高的要求。

基于深孔水下环境特点，需研发水下环境高精度重构技术，以准确识别水下空间、规划水下作业路径。当前，国内外诸多学者针对水下环境重构技术开展的研究，大多基于图像或声呐采集水下地形原始数据，形成水下环境三维点云数据再集成至三维软件，实现水下环境的图像拼接与三维建模。在图像噪声处理、图像特征提取、重构精度等方面仍需进一步开展研究，应结合惯导综合导航定位技术，构建水下作业参数和作业区域环境感知系统，准确定位机器人位置及姿态，计算出最优的操作模式。

2.闸门启门力数值计算模型

针对泥沙淤积条件下闸门启门力计算已开展了相关研究，但目前闸门启门力影响规律尚未完全清晰，目前研究较少考虑淤堵物特征、淤堵时间等因素的影响，理论计算与实测资料吻合程度不高，且尚未在淤堵物清理中进行实际应用，需进一步开展闸门启门力数值模型研究。

考虑淤堵物淤积影响时，闸门上的作用力包括水体和淤堵物对闸门的水平压力Fs、闸门支承摩阻力Tzc、止水摩阻力Tzs、闸门自重G、外压块重力Gw、闸门上水柱压力Ws、下吸力Px、淤堵物对闸门的附着力等。闸门启门力FQ主要与淤堵物特性、闸门特征、止水特征、轴承特征等4类参数密切相关，可构建为关于上述参数的函数，如下式所示：

式中：hs为淤堵物深度，A为淤堵物与闸门接触面积，Ks为淤堵物自身特性（包括渗透系数、极限剪切力等），hw为水深，Gzm为闸门特征（包括闸门尺寸、重度等），px为下吸引力，Lzs为止水特征（包括止水间距离、止水与主梁下翼缘距离等），Rzc为轴承特征（包括滚轮半径、滚轮轴半径等）。

基于上述模型，分析已有深孔闸门启门力与淤堵物特征、闸门特征等因素之间的关系，求解相关参数，探究闸门启门力的变化规律，计算分析不同淤堵物粒径、淤积厚度、淤积形态等条件下的闸门启门力分布规律，探究不同淤堵物条件下，闸门提取临界淤积深度和形态，为闸门前淤堵物清理提供理论支撑。

3.深孔清淤机器人

目前针对深孔清淤机器人已开展了相关研究并进行了水下淤堵物探测及清理实践。但深孔清淤机器人受孔壁、淤堵物、深水等环境因素干扰较大，面临以下难点：①淤堵物种类多。深孔闸门淤堵物以泥沙、碎石为主，也存在大粒径块石或混凝土块、钢筋或树枝等杂物，要求清淤机器人具备多种清淤功能，并可根据不同类型淤堵物切换作业模式。②深孔空间有限。深孔断面面积一般为30～40 m2，大型设备无法进入孔洞内进行淤堵物清理，要求清淤机器人尺寸和深孔断面相匹配。③淤堵物清理时效要求高。淤堵物在深孔闸门前淤堵影响闸门正常启闭，若短时间内无法清理将对大坝防洪安全造成威胁，要求清淤机器人可以高效作业，及时清理淤堵物。

目前水下清淤机器人在功能方面以绞吸为主，少数具有机械手抓取、耙子耙取功能，几乎没有破碎大粒径石块的功能。此外，大多数水下清淤机器人仅可搭载单种作业装置，当水下淤堵物种类较多或遇突发状况时，需更换作业装置，耗时且效率低，难以满足清理时效的要求，因此亟须研发一种多类型淤堵物一体化清理机器人。该机器人能将破碎、绞吸、抓取等作业装置集成于一体，可根据淤堵物类型切换工作模式，实现多工具协同作业：针对粒径较大的岩石或混凝土块，利用破碎装置进行破碎；对于泥沙等淤堵物，通过绞吸抽取—输送系统，进行泥沙及碎石绞吸；针对树木、杂物等，通过机械手装置进行抓取清理，对多种类型淤堵物进行高效清理。