利用水下机器人对暗涵进行带水检测的实践.pdf

酒钢科技 2023 年第 4 期-55-摘要：利用水下机器人对地下暗涵带水的检测，可以对涵洞内进行三维成像，确定暗涵内杂物及损坏程度，实现非人工潜水的智能作业，有效防范水下作业风险，同时可为下一步暗涵带水检测的标准化、规范化、智能化提供数据和实践基础。关键词：水下机器人；暗涵；检测；带水作业Practice of Using Underwater Robots for Underwater Detection of Buried Culvert in WaterWang Wei(Runyuan Company of Jiuquan Iron and Steel(Group)Corporation,Jiayuguan,Gansu,735100)Abstract:The underwater robot can be used to detect the underground culvert in water,which can carry out three-dimensional imaging in the culvert,determine the debris and damage degree in the culvert,realize the intelligent operation of non-artificial diving,effectively prevent the risk of underwater operation,and provide data and practical basis for the standardization and intelligence of the detection in water in the underground culvert in the next step.Key words:underwater robot;culvert;detection;work in water1 前 言水下检测是开展水工建筑物水下安全隐患探查的有效方法，近年来为增强水下检测的安全性，水下机器人被越来越多地应用到水工建筑物水下检测中1-2。在水利水电工程中的应用分为在开阔水域（如库区、河道等）和洞室水域（如隧洞、调压井、竖井、管道等）3。在开阔水域的应用较为成熟，已有许多成功案例。如单宇翥等将水下机器人应用于三峡水利枢纽导流底孔封堵检修门水下清理工作中，效果明显4；李福年等将水下机器人作为一种新型实用的水下作业工具，应用于阿海水电站大坝水下、闸门槽、流道等检查中并取得显著成效5。郑发顺归纳了遥控水下机器人系统在水库大坝水下检查中的应用成果与技术优势，特别是对应用中存在的易缠绕及难以发现大坝渗漏点等问题作了经验总结6。而在封闭洞室中，水下航行器原有的通信、导航以利用水下机器人对暗涵进行带水检测的实践王 伟（酒钢集团润源公司，甘肃，嘉峪关，735100）酒钢科技 2023 年第 4 期-56-及观察成像技术都遇到了不同程度的困难，目前成功应用的案例并不多，且大多为断面较小或过大、长度较短的直线隧洞（管道）。针对如何在低能见度环境下开展长距离、大流速、不具备停水条件且空间受限的暗涵检测，还需要进行大量的研究工作。酒钢大草滩水库冶金厂区输水暗涵存在距离长、空间受限、不间断运行、下水检查难度高、工程失事风险巨大的问题，因检测评价技术欠缺，从未进行过专业检测评价，输水暗涵结构安全状况无法判断，是酒钢供水工程的重大隐患，急需对输水暗涵淤堵、腐蚀程度等进行检测分析、评价。酒钢大草滩水库冶金厂区输水暗涵全长13km，洞径约 1.8m，设计流量 3.47m/s。主体混凝土材质局部砖混结构，断面结构主要有方形、蛋形、隧洞三种形式，沿途设置了一定数量的检查井、三个倒虹吸，沿途共有农垦九队农业当放水口、支农泵站农业放水口、宏达水泥厂放水口、宏电铁合金及葡萄园放水口、一万三生产调蓄树池放水口五个放水口，末端接入六万六生产水调蓄水池。酒钢大草滩水库至冶金厂区输水暗涵已运行60 年未进行过检测，由于受制于酒钢公司生产需求，输水暗涵必须连续输水，不具备放空人工检修的条件，因此利用水下机器人在带水作业是目前能够对暗涵现状检测的最好的方法。2 输水暗涵检测技术原理2.1 利用水下成像技术实现数据传递由于暗涵水下环境能见度较低，高清摄像头成像的图像虽然清晰，但随着光在水中传播能力快速衰减，可识别的距离较近，因此水下机器人采用高分辨率摄像技术和声呐技术组成的光学、声学成像系统实现较高质量的水下成像及其数据的传递。高清摄像头成像技术在高能见度环境下，使用高清运动摄像头对水工建筑物进行视频检测、修复部位检查、辅助水工结构维修、渗流调查和潜水员的安全监控。低能见度声呐成像技术在能见度太低，不具备光学成像条件，高清摄像无法进行检查时，使用高分辨率的图像扫描声呐对水工结构进行声呐图像扫描、障碍物避碰。其发射的声波遇到目标后反射回声呐表面，根据回波可以获得多波束目标声呐图像信号，采集的声波数据传回水下机器人地面控制单元的计算机进行处理后，就可以生成二维声呐图像，实现水下机器人在低能见度环境下对目标物体的辨识和定位。2.2 裂缝测量技术基于高分辨率的光学成像，可对检查到的缺陷进行缝宽、缝长等尺寸进行测量。水下机器人镜头前标有刻度尺，每刻距离相等。摄像时保持摄像头与建筑物边缘程垂直，通过水下机器人成像系统获得的图像信息，结合反馈的摄像头与被检测对象之间的距离及移动定位信息，利用已得到实际验证的缺陷检测系统，可计算出图像拍摄时相应的刻度视距，以此作为参照，分析出缺陷的尺寸信息。3 输水暗涵技术检测应用根据酒钢大草滩水库到冶金厂区输水暗涵设计图纸，明确输水暗涵的平面布置、长度、主要构筑物、断面结构、断面尺寸等基础资料信息。依据图纸信息，选取能够代表输水暗涵各种典型断面、不同段位的且具备实施水下检测条件（或通过局部改造能够实施）的水池入口、观察井、暗渠放水口等现场情况，将农垦九队农业放水口、支农泵站农业放水口、宏达水泥厂放水口、宏电铁合金及葡萄园放水口、一万三生产调蓄池放水口五个放水口作为监测点，每个点位检测长度不少于 10m，最长可检测 50m，按照能测酒钢科技 2023 年第 4 期-57-尽测的原则进行检测。选取携带水下摄像头、前视多波束声呐和管道声呐的具备前后左右四个方向推进动力的一体化设备，通过汽油发电机提供动力电源，使用便携式操控平台进行操控。关键设备名称及尺寸：缆控无人潜航器-海狮（45kg）ROBO-ROV Sealion（尺寸：长 宽 高：665mm500mm440mm）；前置 多 波 束 图 像 声 呐 M750d(长 宽 高：125mm122mm62mm)；管道声呐 831L（61mm直径 347mm 总长度）。该设备组合可满足通过暗涵水池入口、观察井、放水口等部位进入暗涵的基本条件。输水暗涵内部有水环境下无人检测。利用水下摄像头、前视多波束声呐和管道声呐对暗涵五个点位进行内部表面缺陷检查和整体结构检测，共检测关键部位、特殊情况等信息 60 组，统计数据见表 1。4 输水暗涵检测结果经对选取得五个监测点利用水下机器人检测，利用高速摄像和声呐成像，检测结果见表2。表 1 暗涵内部检测信息数量统计表（个）表 2 输水涵洞检测总表检测点位检测点序号视频前视多波束声呐管道声呐农垦九队农业放水口1493支农泵站农业放水口2443宏达水泥厂放水口3423宏电铁合金及葡萄园放水口4242一万三生产调蓄池放水口5592小计192813合计60检测点检测部位水下摄像头检测结果前视多波束声呐检测结果管道声呐检测结果1 号1 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形结构完整，未见变形10 米处涵洞底部沉降，有石板堆积，涵洞宽度约 1.55m涵洞宽度约 1.55m，底部石块左侧长 1.02m、右侧长0.76m结构完整，未见变形11 米处涵洞内有体积较大的石板、石板表面有局部冲蚀附着，石板断裂处有钢筋露出，断裂钢筋有锈蚀结构完整，未见变形涵洞底部沉降，涵洞宽度约 1.51m，底部石板长约1.40m、宽约 0.43m13 米处涵洞宽度约 1.56m涵洞宽度约 1.56m涵洞左侧有缺陷，有格挡物和体积较大的石板堆积2 号7 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形结构完整，未见变形1011 米处涵洞内有石块堵塞，且体积较大的石块斜靠在涵洞右壁上涵洞宽约 1.29m，右侧有体积较大的石块，石块长0.59m、宽 0.13m结构完整，未见变形17 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形涵洞宽 1.381m，水深 0.654m酒钢科技 2023 年第 4 期-58-经数据处理对暗涵进行缺陷分析，其结果及成因分析如下：1 号点位输水涵洞为方形涵洞，整体结构较为完整。在距 1 号点位约 11 米处发现有体积较大的石板，石块左侧长度约为 1.02m，右侧长度约为 0.76m；石板表面有局部冲蚀、附着，断裂处有钢筋露出且有锈蚀。根据现场情况判断，该石板为暗涵井口盖板断裂掉入暗涵内部。2 号点位输水涵洞为方形涵洞，整体结构较为完整。水下距 2 号点位约 1011 米处发现有体积较大的石块斜靠在涵洞右壁上，石块长度为0.59m，宽度为 0.13m；根据现场情况判断，该石块为外部落石。涵洞底部有少量冲蚀和水生物附着，根据暗涵入口处冲刷痕迹及暗涵前段消能池内水深浮草判断，该处系高速水流携带少量泥沙冲击而成，水生物附着系水中含有丝状绿藻类植物成长所致。3 号点位输水涵洞为方形涵洞，整体结构较为完整。涵洞底部局部位置有少量冲蚀，在水下距 3 号点位约 25 米处发现有冲刷裂痕，裂痕纵向长 0.26m，裂痕区域宽度 0.14m，最深裂痕深 0.03m。该处裂痕系暗涵底部表面受到石块撞击发生损伤，随着长期的水流及砂石冲击所致。4 号点位输水涵洞整体结构较为完整。在水下距 4 号点位约 10 米处发现有破损水泵，长度约为 0.30m，宽度约为 0.22m。经与岗位老职工了解，该水泵应为八十年代该处附件有施工取水，未及时将取水泵取出而掉落所致。2 号23 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形涵洞宽度为 1.381m，涵洞整体高度为 1.134m31 米处涵洞底部有冲刷锈蚀和少量水生物附着结构完整，未见变形结构完整，未见变形3 号6 7 米涵洞底部有少量冲蚀涵洞两侧结构完整，未见变形结构完整，未见变形13 米处结构完整，未见变形涵洞宽度约 1.27m结构完整，未见变形15 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形涵洞宽 1.371m，水深 0.635m23 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形涵洞宽 1.376m，整体高1.093m25 米处涵洞底部冲刷的裂缝结构完整，未见变形结构完整，未见变形26 米处涵洞底部冲刷及沉降结构完整，未见变形结构完整，未见变形4 号3 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形结构完整，未见变形6 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形结构完整，未见变形10 米处涵洞底部有水泵，水泵旁涵洞底部有少量冲刷涵洞宽度约 1.80m，涵洞底部存在明显异物，异物长约0.30m、宽约 0.22m结构完整，未见变形5 号2 米处结构完整，未见变形涵洞宽约 1.83m涵洞宽度为 2.061m，涵洞整体高达 2.419m3 米处结构完整，未见变形结构完整，未见变形左侧有分涵洞，涵洞整体高2.633m，水深 1.399m6 米处结构完整，未见变形侧面涵洞宽度约 1.10m结构完整，未见变形7 米处结构完整，未见变形涵洞底部存在大量杂物（混凝土碎块、落石）堆积，堆积区域尺寸约 1.52m结构完整，未见变形8 米处涵洞底部有落石堆积，前方有较大疑似金属栅栏格挡物，左侧发现有废弃筋板发现较大金属栅栏格挡物，金属栅栏格挡物长度约1.89m、宽度约 0.70m结构完整，未见变形酒钢科技 2023 年第 4 期-59-5 号点位输水涵洞为蛋形涵洞，整体结构较为完整。在距 5 号点位约 8 米处发现涵洞底部有大量杂物（混凝土碎块、木板、落石）堆积，在距 5 号点位约 8 米处涵洞中间发现有较大疑似金属栅栏格挡物堵塞，左侧发现疑似废弃筋板，底部发现有大量混凝土碎块和石块堆积。该处原有一家市政企业取水，取水口设篦子拦截杂物，该处金属栏格应为原取水口篦子，现已废弃。5 输水暗涵维修措施应对各点位输水涵洞底部淤积层和杂物堆积情况进行相应处理，重点针对 5 号点位这类典型涵洞段内大量杂物（混凝土碎块、木板、落石等）和较大疑似金属栅栏格挡物等涵洞老化而产生的淤积堵塞问题，在后续具备停水运行期间进行淤泥清理和设施维修，可以避免后期石块继续冲刷堆积，最终彻底堵塞住涵洞，不会影响厂区用水正常运行。另外，对暗涵沿线的观察井、排气孔及入水口等处采取加装篦子、井盖上锁等措施，加强运行管理，可有效杜绝外部杂物进入暗涵的情况发生。6 结束语经对 15 号点地下暗涵带水检测，其结果表明地下暗涵底部存在少量冲蚀和水生物附着，以及少量的冲刷裂纹和破损，但对暗涵整体结构的损坏程度影响较小。经本次对酒钢大草滩水库到冶金厂区利用水下机器人对输水暗涵带水检测，采用高速摄像和声呐成像的水下机器人可以有效地对对输水暗涵进行带水损坏的检测，可以发现涵洞内的杂物及格挡物堵塞等情况，为后续利用机械臂对涵洞内的杂物堵塞等情况进行抓取和清理作业，实现智能化操作，减少人工潜水作业，可以防范较大作业安全风险和经济风险，降低成本。本次检测为长距离输水暗涵检测检测积累了经验，后期可对大草滩水库输水涵洞定期进行检测，有利于推动长距离输水暗涵旧改建设，为下一步暗涵带水检测流程的标准化、规范化、智能化提供数据和实践基础。参考文献1谭界雄,田金章,等.水下机器人技术现状及在水利行业的应用前景 J.中国水利,2018,12.2 李永龙,王皓冉,等.水下机器人在水利水电工程检测中的应用现状及发展趋势 J.中国水利水电科学研究院学报,2018,06.3杨鸽,滕世敏,等.无人水下航行器在水电站隧洞检查中的应用探讨 J.大坝与安全,2018,03.4 单宇翥,陈洋.水下机器人在三峡水利枢纽导流底孔封堵检修门水下清理工程中的应用 J.大坝与安全,2005,03.5李福年,陈慕雄,等.ROV 原理及在阿海水电站工程中的应用 J.云南水力发电,2013,03.6 郑发顺.遥控水下机器人系统在水库大坝水下检查中的应用 J.水利信息化,2014,02.作者简介:王伟（1985-）男，汉，甘肃庆阳人，助理工程师，2010 年毕业于甘肃联合大学信息化工程技术专业，现在酒钢集团润源公司主要从事设备管理工作，邮箱：。