樓仁有，陳明恩

（1.義烏市水務(wù)建設(shè)集團有限公司，浙江 義烏 322001；2.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

八都水庫位于義烏市錢塘江流域浦陽江支流大陳江上游的八都溪上，壩址坐落在義烏市大陳鎮(zhèn)上坑仁村，水庫集雨面積35.1 km2，主流長度11 km，總庫容3 658萬m3，最大壩高57.80 m，是一座集供水、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程。工程主要由攔河大壩、溢洪道、泄洪放空發(fā)電輸水隧洞、電站及輸水建筑物等組成，配套工程有電站、輸水隧洞、調(diào)節(jié)池、東塘——八都水庫引水隧洞等。

《浙江省水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》“水利行業(yè)能力建設(shè)信息化”專欄中提出：主動適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)＋”和大數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，大力推進智慧水利[1]建設(shè)，以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化發(fā)展。八都水庫除險加固工程信息化建設(shè)正是響應(yīng)信息化發(fā)展需求。其中，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)為水庫信息化建設(shè)的主要內(nèi)容，大壩（主壩）表面變形、壩體內(nèi)部沉降、滲流量等傳統(tǒng)監(jiān)測項目不能滿足對庫區(qū)進水口閘門、水下壩體等建筑物可視化觀測的要求。本文介紹一種能解決上述庫區(qū)水下可視化[2]觀測難題的智能設(shè)備水下機器人[3]，使庫區(qū)深水建筑物不再是觀測死角。

2 觀測需求

八都水庫工程于1995年2月27日正式動工，1997年底下閘蓄水，1998年6月全部完工，2002年通過竣工驗收。從開始蓄水至今已有23 a，由于當(dāng)時技術(shù)限制，存在設(shè)計標準偏低、施工質(zhì)量不高、設(shè)施年久失修等問題，除險加固工程和信息化建設(shè)無法實現(xiàn)水下壩體等重要建筑物的觀測檢查。

主壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程156.10 m，最大壩高57.80 m，壩頂寬5.00 m，壩頂長324.00 m，壩頂上游設(shè)“L”型防浪墻，墻底高程151.60 m。大壩上游采用鋼筋混凝土面板防滲，坡比1:1.3，面板厚30 cm，每12.00 m設(shè)垂直縫1條。下游坡設(shè)3級壩坡，分別在高程118.10 m和138.10 m處設(shè)2級馬道，下游坡坡比均為1:1.3。水面以下大壩混凝土防滲面板表面情況如表面沉降縫、拼接縫、止水橡皮、修補瀝青、裸露鋼筋等，無法通過傳統(tǒng)方法觀測檢查。

溢洪道緊靠主壩的左壩頭，為側(cè)槽式開敞溢洪道。溢洪道頂高程152.10 m，進水寬40.00 m，側(cè)槽首部底槽寬2.00 m，末端寬12.00 m，側(cè)槽底高程145.08～144.71 m，縱坡i=0.01，經(jīng)10.00 m平底段，下接陡槽段，泄水陡槽底寬12.00 m，水平投影100.00 m，縱坡i=0.33，陡槽末端為反弧段及調(diào)流鼻坎。上游側(cè)水面以下泄水閘門表面情況和閘底平整貼合情況無法通過傳統(tǒng)方法觀測檢查，包括閘門表面腐蝕、兩側(cè)面貼合、底部異物等情況。

輸水隧洞位于大壩左岸100.00 m的山體內(nèi)，由原導(dǎo)流隧洞改建而成。隧洞進水口為龍?zhí)ь^形式，進口底高程108.10 m，進水口段長18.50 m，由喇叭口、閘門井和漸變段組成，喇叭口斷面由寬3.32 m、高2.66 m漸縮至2.00 m×2.00 m，閘門分別布置QPK-40/40-8/9快速閘門啟閉機和1臺QPQ-5型卷揚式啟閉機。漸變段長5.00 m，斷面由方形漸變至直徑2.00 m的圓形，以1:2.0斜洞于原導(dǎo)流洞0+065.00 m處相連，龍?zhí)ь^段長48.00 m。隧洞出口段設(shè)壓坡段，裝2.00 m×2.00 m弧形工作閘門，配WL-32/25型螺桿式啟閉機控制。在導(dǎo)流洞樁號0+291.24 m左側(cè)設(shè)發(fā)電輸水支洞，長298.43 m。涵洞及攔污柵運行情況，包括涵洞表面、底部淤積、柵表面腐蝕等，無法通過傳統(tǒng)方法觀測檢查。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)與功能

根據(jù)八都水庫實際工程情況，本項目選擇查湃HX-100-I型水下機器人。此系列機器人由主框架、浮力塊、垂直推進器、水平推進器、云臺攝像頭、水下燈、電池艙、電子艙、氣孔、壓載塊等組成，具有便攜易操作，功率大抗流強，模塊化設(shè)計可擴展性強，兼顧手動和自動控制等多種模式高效作業(yè)，采取電池供電的形式，享有高效可循環(huán)的運行時間。設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

查湃HX-100-I型水下機器人尺寸為507 mm×379 mm×280 mm；作業(yè)水深標配為 100 m；電纜標配2根，100 m 8芯纜線1根，500 m 8芯纜線1根，照明配2只1 500 lm高亮度水下LED 燈；攝像采用SONY 1 080 P 超低延時低照度水下高清攝像頭；遙控云臺為上下 50o，遠程控制；垂直采用2個700 W 推進器，水平采用4個700 W推進器，矢量分布；航速（抗水流速）為4 節(jié)，即2 m/s；自動功能有自動定深、自動定向；電池采用5 000 C定制大容量鋰電池模組與平衡充電器；激光測距儀[4]為水下耐壓≤300 m，平行光束對齊為（75±5）mm；機械臂采用水下單功能大抓力機械手。

圖1 水下機器人設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)檢測功能是使用水下機器人對大壩、水庫、管道等環(huán)境進行檢測，通過水下機器人回傳的攝像頭視頻數(shù)據(jù)和聲吶成像數(shù)據(jù)對檢測物的缺陷情況進行判斷。水下定位導(dǎo)航功能由聲波發(fā)射端和接收端2部分組成，水下機器人將搭載聲波發(fā)射端，通過測量預(yù)設(shè)的4個接收端之間的相位差或時延估算目標方位，并通過機器人搭載的深度傳感器對深度進行判斷，配合地圖可在畫面中顯示當(dāng)前實時位置。

4 水下檢查應(yīng)用

八都水庫水下機器人的應(yīng)用主要是利用設(shè)備的結(jié)構(gòu)檢測功能，分別對庫區(qū)壩體、泄洪閘、攔污柵、隧洞等建筑物進行水下可視化觀測。

4.1 壩體水下垂直縫檢查

大壩上游采用鋼筋混凝土面板防滲，面板厚30 cm，每12.00 m設(shè)垂直縫1條，最大壩高57.80 m，壩頂長324.00 m，面板面積大，垂直縫數(shù)量多且長度較長。了解大壩前期運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合工程施工技術(shù)和質(zhì)量，采取預(yù)定水下檢查方案，將面板分區(qū)分塊和垂直縫分條帶[5]，預(yù)先判定部位反復(fù)仔細排查。在對壩體水下垂直縫實際檢測的過程中，利用設(shè)備本身的特點，1 080 P 超低延時低照度水下高清攝像頭在八都水庫的水質(zhì)中視頻觀測較為清晰。垂直方向2 個700 W 推進器與水平方向4個700 W推進器，使得巡游速度較快，壩體水下檢查效率大大提高。八都水庫壩體垂直縫水下縫隙大小情況見圖3。圖3中右上角縫寬明顯大于下方縫寬，判定此處垂直縫異常。而且在此垂直縫深度附近發(fā)現(xiàn)多處壩體混凝土面板表面不平整，出現(xiàn)多處表層混凝土脫落的情況。

圖3 壩體水下觀測圖

利用高清攝像頭從圖像畫面發(fā)現(xiàn)縫隙寬度異常時，即可用激光標尺對縫隙寬度進行寬度值比測。首先對激光標尺進行水下刻度尺測試，出廠激光標尺間距7.5 cm；再用激光標尺對實際縫隙進行比測，右側(cè)激光上方縫隙目測估算占比為激光標尺寬度的1/4（見圖4），則縫隙寬度估算值為1.9 cm，為安全監(jiān)測提供水下數(shù)據(jù)支撐。

圖4 激光標尺縫隙比測圖

4.2 泄洪閘水下表面檢查

八都水庫泄洪閘為鋼結(jié)構(gòu)閘門，閘門結(jié)構(gòu)長期受周邊環(huán)境和運行荷載的影響，容易發(fā)生防腐涂層脫落、鋼板銹蝕、磨損、變形等破損情況[6]。在實際檢查過程中，采用閘門鋼板分區(qū)分塊，利用水下機器人快速巡游、高清攝像等特點，較好完成了八都水庫泄洪閘水下閘板表面觀測任務(wù)。鋼閘板表面涂層粉化、脫落情況見圖5，右上角白色部分為粉化現(xiàn)象以及部分脫落銹蝕。

圖5 泄洪閘水下觀測圖

4.3 攔污柵水下表面檢查

八都水庫攔污柵設(shè)置在隧洞進口，用于攔阻水流夾雜的木塊、雜草等較大形狀的異物，保證水輪發(fā)電機安全運行。輸水隧洞攔污柵由柵條、橫隔板、邊框組成，澆筑于混凝土墩墻上，材質(zhì)為鋼制[7]。鋼制設(shè)施同上述泄洪閘，容易發(fā)生防腐涂層脫落、鋼板銹蝕、磨損、變形等破損情況。在實際檢查過程中，采取將攔污柵分區(qū)分塊，利用水下機器人快速巡游、高清攝像等特點，較好完成八都水庫攔污柵水下結(jié)構(gòu)表面觀測任務(wù)。攔污柵表面情況良好，未發(fā)現(xiàn)粉化現(xiàn)象和脫落銹蝕情況（見圖6），圖6中左側(cè)發(fā)現(xiàn)有一根樹枝被攔污柵阻攔在輸水隧洞外側(cè)。

圖6 攔污柵水下觀測圖

4.4 輸水隧洞水下檢查

八都水庫輸水隧洞作為地下結(jié)構(gòu)，因輸水會產(chǎn)生內(nèi)水或外水壓力，有可能還會因應(yīng)力重引起圍巖變形。對于輸水隧洞傳統(tǒng)的排空或潛水員入水檢查方法，在工程應(yīng)用的廣度和深度上受到極大制約[8]。在實際檢查過程中，將輸水隧洞分區(qū)段，利用水下機器人快速巡游、高清攝像等特點，較好完成八都水庫輸水隧洞底部觀測任務(wù)。輸水隧洞表面情況良好，未發(fā)現(xiàn)伸縮縫和洞壁異常情況（見圖7）；圖7中間上部發(fā)現(xiàn)有一垃圾袋，且有一定的淤積情況，用水下機器人的單功能大抓力機械手進行抓取清除垃圾袋。

圖7 輸水隧洞水下觀測圖

圖8為輸水隧洞底部有一方形異物，通過激光標尺比測，估算異物寬度約為激光標尺寬度的1.7倍，則異物寬度估算值為12.8 cm，為后期異物清除維護提供尺寸數(shù)據(jù)。

圖8 激光標尺異物比測圖

5 出現(xiàn)問題與解決方法

八都水庫水下機器人在對庫區(qū)壩體、泄洪閘、攔污柵、隧洞等建筑物進行水下可視化觀測應(yīng)用中，出現(xiàn)幾個問題，在設(shè)備技術(shù)人員遠程指導(dǎo)下解決?，F(xiàn)梳理問題和解決方法，以便后期參考。

①當(dāng)啟動機器較長時間后，電腦仍顯示等待連接中。解決方法：機器臍帶纜是否已經(jīng)連接；電腦本地IP地址是否設(shè)置正確；水面端側(cè)面的指示燈是否正常顯示，紅燈常亮、黃燈快閃、綠燈快閃。②機器通電后電機不受控制運轉(zhuǎn)。解決方法：檢查機器是否處于“定深”或“自穩(wěn)”模式中，如果是則切換至手動模式；檢查手柄是否校準；如果已嘗試上述方法仍未解決問題，可能為機器故障，立即鎖上機器，斷開電源，關(guān)閉軟件，并聯(lián)系設(shè)備廠家技術(shù)支持人員。③嘗試在水中走直線時，一直在轉(zhuǎn)彎或不受控。解決方法：檢查前后運動時所有電機是否全部運行，如有單個電機不工作，檢查推進器內(nèi)是否纏繞雜物（如水草等），斷電移除后再進行測試；檢查向前運動時各個電機轉(zhuǎn)動方向是否正確，如發(fā)現(xiàn)某電機運轉(zhuǎn)方向錯誤，聯(lián)系設(shè)備廠家技術(shù)支持人員并在其指導(dǎo)下調(diào)整電機設(shè)置。④操作界面上深度讀數(shù)異常。解決方法：在空氣中對深度傳感器進行重新校準。⑤操作界面上只有視頻畫面，無參數(shù)界面。解決方法：鼠標雙擊視頻畫面調(diào)出參數(shù)界面。⑥出現(xiàn)電流過大現(xiàn)象。解決方法：逐一排查是否存在流速過大、電機纏垃圾、電纜被勾住等情況。⑦圖像間斷或有雪花。解決方法：通常為電纜纏繞影響通訊，嘗試理順電纜。

6 結(jié) 語

水下機器人為探查水下情況多了一雙“眼睛”，在水下結(jié)構(gòu)物安全性診斷中發(fā)揮不可或缺的作用?；谒聶C器人和傳感器的水下物聯(lián)網(wǎng)，正成為水庫安全應(yīng)用的科技熱點。計算機技術(shù)、視頻技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，使硬件及軟件的綜合智能化程度提升成為可能，技術(shù)應(yīng)用于水下機器人，有利于提高水庫庫區(qū)水下可視化觀測適應(yīng)能力，進而全面提升整個水庫運行的可靠性及智能化水平。借助水下機器人提高水庫整體管理水平，有效降低水下檢測風(fēng)險，具有進一步推廣的價值，是未來水庫庫區(qū)水下可視化檢測的發(fā)展方向。