河道整治工程水上无人化探测技术与装备.pdf

河道整治工程水上无人化探测技术与装备 任 务 来 源:水利部重大科技项目任务书编号:SKR-2022027执 行 期 限:2021 年 7 月至 2023 年 6 月牵 头 单 位:黄河勘测规划设计研究院有限公司项目负责人:姜文龙1 研究背景习近平总书记在黄河流域生态保护与高质量发展讲话中指出,黄河流域洪水风险依然存在,保障堤防工程安全责任依然重大。在我国大江大河堤防工程中,为保证堤防不受河道直接冲刷同时调节河势而建设了诸多的河道整治工程,相关工程是堤防的第一道屏障,对于保障堤防工程安全至关重要。为保障根石安全,黄河设计公司自 2000 年开始研究基于水声信号的根石探测技术,一定程度上解决了以往依托人工探摸来检测根石走失的工作模式,使水下根石探测上升了一个新的阶段。但目前的根石探测工作仍然存在依赖进口设备、成本大、工作安全指数低等问题。目前根石探测技术主要存在问题如下:第一,目前根石探测所利用技术多为美国进口声呐设备,因为声呐设备涉及国防军工领域,在中美科技竞争加剧情况下,相关技术极易受到国外技术限制,开发具有自主知识产权的设备十分必要。第二,目前所利用根石探测设备较为庞大,必须依靠人工测量船搭载。由于人工水上测量工作限制,在汛期时无法有效开展水上根石探测工作,而汛期亦是根石最易出险的时间,这使根石探测技术仍存在一定短板。综上所述,研究绿色、智能、安全的新一代根石探测技术十分必要。2 项目进展情况及阶段成果该项目历经两年的实施,在黄河设计公司各级领导的大力支持下,通过项目组的不懈努力,在黄河上游宁夏段、黄河山西河务局、黄河陕西河务局、渭南河务局、三门峡库区局等河道整治工程中开展了水下根石探测生产应用研究,扩大了根石探测新技术的推广应用范围,配套更新相应的技术装备,开发并完善了相关的数据处理软件,总结了生产作业模式,培养了一批技术人才,为全面推广黄河河道整治工程无人船根石探测新技术打下了坚实的基础。无人船搭载了自主研发的低频声呐,该声呐可发射低频水声信号来穿透水底介质,利用水底之下不同地层反射获取水底地层结构图,该设备解决了水下衬砌内部和衬砌基71科技项目进展础结构破坏的快速检测问题,同时可有效实现水底暗埋构筑物的检测。本设备主要特点为轻量化,设备整体重量在 20kg 以下,可实现无人船搭载,极大提高了工作效率。同时该设备具有发射功率大的特点,换能器最大功率 500W,最大发射声压级达到 180dB,可有效穿透水底地层,获取水底地层结构成像图。相关设备主要工作参数如下表所示。无人船载低频声呐主要技术参数参数指标工作方式无人船自动测量通信方式电台/4G最大检测速度大于 2m/s,根据目标物检测精度需求续航时间6h声呐最大发射频率10Hz功率放大器模式脉冲/调频最大发射声压级180dB发射频率18kHz最大检测水深50m(在某水库已验证,最大水深)水底最大检测深度10m(粉土沉积)最小检测水深1m试验发现最小目标物20cm目标物水平精度5cm目标物深度定位精度探测深度 5%项目主要研究成果如下:(1)本项目利用电池作为动力,研发了轻量化的音频声呐设备,相关设备较国外同类设备在重量等方面具有明显优势,且在功放设计等方面与国外设备具备明显区别。本项目还实现了无人船搭载作业,可安全高效地开展水下结构检测作业,同时相关设备对水质不产生污染,易于在黄河河道中进行应用。(2)根据在黄河根石探测、某水库水下探测等数据,设备最大水底检测深度可达到6.25m。本项目设计的设备脉冲信号发射频率大于 10Hz,在 2km/h 的检测速度下,可实现 5.6cm 一个测点,横向分辨率更高。当速度变小后,检测点数更密,更有利于精细化检测。结合在中线水下检测数据,本项目根据不同深度的反射能量,推算该设备在 50m 水深中反射信号能量将大于 50mV,易于识别。同类设备在水中穿透深度多达到 2000m 以上,因此本设备满足最大 50m 的水下检测深度。3 下一阶段展望(1)在目前研究基础之上,尽快实现低频声呐设备的产业化,并通过产业化努力,带动相关技术和产品在更多的河道整治工程及水利工程中开展应用。(2)深入加强声学信号在水中、混凝土、土层中的传播与衰减规律研究,研究声学信号的衰减等参数提取模式,研究利用低频声学信号开展水下混凝土结构及基础破坏检测技术的机理及其数据分析模式,是未来解决水利工程水下结构破坏检测的一个重要途径。【供稿:设计院 姜文龙】81 治黄科技信息2023 年第 6 期