顧紅鷹，董延朋，劉力真

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

水下檢測設(shè)備分類概述及應(yīng)用分析

顧紅鷹，董延朋，劉力真

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

水利工程檢測多指陸地上的工程檢測，這類檢測技術(shù)方法多且成熟，而水下工程檢測除特殊要求利用專業(yè)的潛水員和放空水后兩種檢測方式外，多是采用海上的設(shè)備。由于條件、環(huán)境的不同，在應(yīng)用上存在差異。本文簡要介紹了水利工程的水下檢測設(shè)備和相關(guān)研發(fā)應(yīng)用技術(shù)。

水下工程檢測；水下檢測設(shè)備分類；水下檢測平臺研發(fā)

目前，水下檢測在海洋工程領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，并取得較好的成果。在水利工程領(lǐng)域，由于水下部分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及傳統(tǒng)思想的限制，水下檢測技術(shù)一直沒有得到很好的發(fā)展，仍然習(xí)慣采用潛水員入水目視觀察等方法。也有引進(jìn)水下機(jī)器人進(jìn)行壩前檢測，存在局限性。隨著電子技術(shù)、信號處理技術(shù)以及水下潛器技術(shù)的發(fā)展，水下檢測成為必要的也是必須的，水下檢測技術(shù)在水利工程領(lǐng)域必將得到廣泛的應(yīng)用。

1 水下檢測應(yīng)用的范圍及方式

水下檢測應(yīng)用廣泛，水利工程是其中重要的應(yīng)用領(lǐng)域：海洋中的土建工程；水中資源調(diào)查、觀測；江河與水庫堤壩的監(jiān)測及其他水下建筑設(shè)施的定期檢查；水下安保和水下考古等。

水下檢測有一是放空檢測，二是入水檢測。放空檢測是將水全面排空，使被檢測體暴露進(jìn)行檢測，有很多工程不宜采用此方法，如排水成本、放空可能對建筑物產(chǎn)生不利等原因。入水檢測是可采用潛水員攜帶檢測設(shè)施檢測，也可采用機(jī)器人入水檢測。

水下檢測的關(guān)鍵技術(shù)除了專用的檢測設(shè)施外，其搭載檢測設(shè)施的平臺——水下機(jī)器人成為水下檢測技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2 水下檢測的關(guān)鍵技術(shù)

目前，水利工程水上部分的檢測監(jiān)測技術(shù)已較成熟，大部分能以無損方式進(jìn)行。但水下部分的監(jiān)測只能依賴預(yù)先埋設(shè)的固定監(jiān)測儀器來實(shí)施。儀器埋設(shè)的固定性決定了只能對有限的幾個部位進(jìn)行監(jiān)測，一旦儀器損壞或工程的其他部位出險，只有具備一定條件時，才可借助潛水員入水檢查或排空檢查。一些特殊工程根本不具備潛水員入水或排空檢查條件。隨著中國國民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力的提高，大型水利工程如南水北調(diào)等涉及水安全戰(zhàn)略的重點(diǎn)工程建成和投入運(yùn)行，重要水下節(jié)點(diǎn)工程的安全檢測問題更加突出，特別是水利工程中的水下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了檢測手段與海洋觀測中的探測技術(shù)的差別。目的明確、觀測詳實(shí)、定位準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等有別于海洋觀測。引進(jìn)設(shè)備在開敞式水域可完成檢測，但對于水下大體積、大管徑、長隧（管）道、管徑漸變物體及狹小空間進(jìn)行檢測中仍存在很多問題和技術(shù)難題。

3 水利工程中的水域環(huán)境因素

20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)國外的設(shè)備，水下機(jī)器人代替潛水員進(jìn)行觀察的，并研發(fā)生產(chǎn)水下機(jī)器人。水下機(jī)器人能否有效完成水下作業(yè)任務(wù)，除其自身性能外，主要受作業(yè)區(qū)域水流、水體渾濁度及水深、建筑物本身等客觀條件和操控人員的技術(shù)水平等人為因素影響。

3.1 標(biāo)的水深及距離因素

山東省水庫壩前水深一般為20~30 m，最大水深達(dá)60 m；湖泊、渠道和河流水深一般都較小。但在封閉空間則不同于上述的開敞式水域。如倒虹吸、輸水洞、涵洞和長距離輸水建筑物等。

目前，主流的水下機(jī)器人系統(tǒng)的工作水深基本上均超過300 m。主要用于海洋的深水域，為適應(yīng)深水域作業(yè)條件需要，通常要增加潛水器及搭載設(shè)備的耐壓水深和臍帶纜長度。對水利工程而言，工作水深通常不是制約條件，主要考慮水利工程封閉水域的特點(diǎn)，標(biāo)的位于空間狹長且曲徑環(huán)境，即需要增加潛水器纜線的長度，同時還要考慮設(shè)備的靈活性和可操控性能。

3.2 水流狀態(tài)因素

水利工程類型不同和運(yùn)行工況不同其水流狀態(tài)也不一。如表面看似平面的明渠，其水流變化也十分復(fù)雜。再是輸水隧洞，受工程規(guī)模、地形地貌、上下游邊界條件流量等因素決定了水流流態(tài)時時變化。有些工程可經(jīng)過人工干預(yù)管理使水靜止或降低流速，但也有特殊的工程難以人工控制。

水下機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)決定了水下潛器的行進(jìn)速度和定位與操控能力，水下潛器只有在克服了水流沖擊的基礎(chǔ)上才能逆水行進(jìn)。如若所選設(shè)備計劃在流速大的水域作業(yè)，就更須科學(xué)、合理配置水下機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。此外，潛水器的自重也直接影響其穩(wěn)定性和可操控性。因此，需要合理配置潛水器的自重和推進(jìn)功率。其纜繩的抗拉和抗磨損力也是要考慮的。

3.3 底部及水質(zhì)因素

水庫、河道、水渠等水利工程的底部多為泥質(zhì)，涵洞、倒吸虹、隧洞和輸水管道等水工建筑物底部雖多為混凝土結(jié)構(gòu)，但由于水的流動攜帶雜質(zhì)并沉積，形成了淤積及其他沉積物體，水體易被攪動渾濁。在裝配水下機(jī)器人時，必須重點(diǎn)考慮提高光學(xué)和聲學(xué)成像系統(tǒng)的性能。

4 水下建筑物特點(diǎn)及類型

基于水下工程的復(fù)雜性和特殊性，通常要對以下幾種水下情形進(jìn)行檢測檢查：

1）河道、渠道、湖泊及水庫水面以下淤積、沖刷和岸坡情況檢查；

2）水閘上下游沖刷、水面以下閘體結(jié)構(gòu)和閘門銹蝕、止水等情況檢查；

3）泵站進(jìn)出水渠、流道等水下各結(jié)構(gòu)物工況檢查；

4）倒虹吸淤積、各箱涵體止水和不均勻沉降等復(fù)雜工況檢查；

5）涵洞、暗渠內(nèi)部隱患排查；

6）隧洞復(fù)雜工況檢查。

由于水利工程工況的復(fù)雜性、特殊性及各自工程的特性不同，對水下監(jiān)視檢查設(shè)備的要求也是各有不同。

上述的6種情形可分為兩大類：一類為開敞式水域，有河道、渠道、湖泊及水庫和水閘等，即為檢測裝置可直接入水，無其他阻擋物的水域；一類為相對封閉式水域，有泵站、倒虹吸、涵洞、暗渠等隱蔽工況和穿河隧洞復(fù)雜工況，即通過檢修口等較狹小空間進(jìn)入，入水后控制運(yùn)行水下檢測機(jī)器人再轉(zhuǎn)向需進(jìn)行檢測的水域。

5 水工建筑物水下檢測應(yīng)用分析

5.1 水下檢測的設(shè)施

水下檢測設(shè)施主要有水下攝像機(jī)、聲納、側(cè)掃聲納、激光尺度儀、磁粉測量儀、電位差儀、多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀等。5.2 水下檢測設(shè)施的搭載平臺

可搭載以上檢測設(shè)施的有輕便的手持桿和水下機(jī)器人。手持桿可用于近岸水域的檢測，也可采用潛水員攜帶入水檢測，較復(fù)雜水域和復(fù)雜水域應(yīng)選用適宜的水下機(jī)器人。水下機(jī)器人又分為拖曳式和自主式機(jī)器人。拖曳式主要依靠外力進(jìn)行拖曳行進(jìn)。自主式則是依靠自身動力進(jìn)行水下系列的運(yùn)動，又可分為懸浮式、履帶式和懸浮履帶混合式。

5.3 檢測設(shè)備應(yīng)用在不同的水下建筑物類型

根據(jù)檢測目的選用不同檢測設(shè)施，并根據(jù)不同的檢測環(huán)境選用相應(yīng)的檢測平臺。例如，近岸（壩、堤）可采用手持式設(shè)備選用檢測設(shè)施進(jìn)行觀察、觀測等檢測，狹小空間則可選用懸浮式機(jī)器人搭載檢測設(shè)施進(jìn)行檢測；特殊水域如大管徑長距離的管道則采用定制的懸浮式機(jī)器人搭載多種檢測設(shè)施進(jìn)行檢測；針對底部進(jìn)行作業(yè)及檢測時則可選用履帶式機(jī)器人。

（責(zé)任編輯 遲明春）

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1009-6159（2017）-10-0075-02

顧紅鷹（1965—），女，高級工程師