多波束與水下無人潛航器聯(lián)合檢測技術(shù)在水工建筑物中的應(yīng)用

唐　力，肖長安，陳思宇，何世聰

（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明，650051）

多波束與水下無人潛航器聯(lián)合檢測技術(shù)在水工建筑物中的應(yīng)用

唐力，肖長安，陳思宇，何世聰

（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明，650051）

介紹了多波束測深系統(tǒng)和水下無人潛航器的工作原理、作業(yè)方法，提出聯(lián)合檢測技術(shù)思路，通過在某水電站消能塘水下檢測的工作實踐，證明使用多波束與水下無人潛航器在水工建筑物聯(lián)合檢測中可以得到令人滿意的檢測結(jié)果。

多波束測深系統(tǒng)；水下無人潛航器；水工建筑物；聯(lián)合檢測

0　前言

多波束測深系統(tǒng)誕生于20世紀60年代，它是一種實現(xiàn)水底地形全覆蓋測繪的測深系統(tǒng)，具有高精度、高效率的優(yōu)點，從20世紀90年代開始在國內(nèi)得到應(yīng)用[1]。近年來，該技術(shù)除了應(yīng)用在海洋測繪以外，在水利勘測、河道管理、水運工程、清淤治理、災(zāi)害監(jiān)測等多個領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

水下無人潛航器是一種工作于水下的極限作業(yè)機器人，能在潛水員不能到達的深度或不安全的環(huán)境下進行水下檢測及其他水下作業(yè)。隨著小型化技術(shù)的發(fā)展，水下無人潛航器以其體積小、阻力低、機動靈活、搭載方便等優(yōu)點[2-3]，在海洋、水利水電工程結(jié)構(gòu)的水下無損檢測中得到了廣泛重視與應(yīng)用。

水利水電工程在經(jīng)過一段時間的運行后，會出現(xiàn)不同程度的淤積、材料劣化、功能降低等現(xiàn)象[4]，需要定期進行檢測、技術(shù)評估，多波束測深和水下無人潛航機器人是目前主要的水下無損檢測方法之一。由于多波束測深和水下無人潛航器的局限性，單一方法無法全面了解水下情況，開展以多波束測深與水下無人潛航器為主的聯(lián)合水下檢測十分必要，通過面積性普查與局部詳查相結(jié)合，可有效查明水工建筑物的破損、淤積等情況。

1　儀器設(shè)備簡介

1.1多波束測深系統(tǒng)簡介

多波束測深系統(tǒng)是以一定的頻率發(fā)射多個波束，波束具有沿航跡方向開角窄而垂直航跡方向開角寬的特點，多個波束形成扇形聲波束探測區(qū)。單個發(fā)射波束與接收波束的交叉區(qū)域稱為腳印，發(fā)射與接受循環(huán)稱為聲脈沖。根據(jù)各個角度的聲波到達時間或相位即可測量出每個波束對應(yīng)點的水深值，若干個測量周期組合就形成了帶狀水深圖（如圖1所示），多波束測深系統(tǒng)組成單元見圖2。

圖1　多波束測深系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Working principle of the multi-beam sounding system

1.2水下無人潛航器系統(tǒng)

水下無人潛航器是一種由水面遙控的水下作業(yè)系統(tǒng)。它能在水下三維空間自由航行，可以使用水下攝像、水下聲吶等設(shè)備進行觀察，多功能機械手完成水下作業(yè)。水下無人潛航器按遙控方式分為有纜和無纜兩種：有纜水下無人潛航器（Remote Operated Vehicles，ROV）通過臍帶電纜獲得動力、傳送操作指令和探測數(shù)據(jù)，它主要由推進動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和潛器單元組成；無纜水下無人潛航器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）由水面工作船通過聲吶發(fā)信器發(fā)出遙控指令，對潛航器單元的工作進行遙控。在水下無損檢測中，有纜無人潛航器的應(yīng)用最為廣泛。

2　聯(lián)合檢測技術(shù)思路與方法

多波束測深系統(tǒng)的探測成果是條帶狀水深圖，可全面了解探測區(qū)水底地形的起伏情況，但無法觀察或直觀地判讀水底情況；水下無人潛航器可觀察或探測水下局部情況，但無法全面、高效地了解整個探測區(qū)的水底環(huán)境。因此，多波束測深系統(tǒng)與水下無人潛航器聯(lián)合檢測采用面積普查與局部詳查相結(jié)合的方式，可起到有效的互補作用。具體檢測方法如下：

（1）采用多波束測深系統(tǒng)對水底進行全覆蓋掃描，了解水深及變化情況，初步判斷異常的空間分布。

（2）根據(jù)多波束測深成果，使用水下無人潛航器對水底各異常位置或可疑區(qū)域進行詳查，進一步確認混凝土破損、裂縫、露筋等情況，以及水下障礙物、沉積物的性質(zhì)和表面淤積情況。

（3）綜合分析兩種檢測方法的成果，最終確定混凝土缺陷或水下障礙物、沉積物的分布范圍、類型及性質(zhì)，并進行綜合展示，為后期的施工處理提供依據(jù)。

圖3　某水電站消能塘測區(qū)布置圖Fig.3 Test arrangement for the energy dissipation pond of a hydropower station in Yunnan province

3　應(yīng)用實例

3.1工程概況

某水電站裝機容量240MW，總庫容12.17×108m3，水庫正常蓄水位872 m。工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為Ⅰ等。電站大壩為雙曲拱壩，全長472.00 m，壩頂高程875.00 m，最大壩高115.00 m。泄水壩段下游消能塘長148.00 m，底寬37.20 m，消能塘尾部二道壩頂高程779.00 m。采用多波束測深系統(tǒng)和水下無人潛航器聯(lián)合檢測消能塘底部的沖刷、破損情況，以及消能塘護坦與上游連接段、左右貼邊坡邊墻、尾坎迎水坡和防沖板等區(qū)域的沖刷、破損情況。測區(qū)布置見圖4。

圖2　多波束測深系統(tǒng)組成單元圖Fig.2 Composition of the multi-beam sounding system

圖4　某水電站消能塘異常區(qū)分布示意圖Fig.4 Distribution of abnormal scopes of the energy dissipa?tion pond of a hydropower station in Yunnan province

3.2聯(lián)合檢測成果分析

多波束測深系統(tǒng)和水下無人潛航器聯(lián)合檢測成果顯示：消能塘護坦、左右貼坡邊墻、尾坎和防沖板整體上沒有開裂和壓裂現(xiàn)象，左右貼坡邊墻間接縫、護坦和左右貼坡邊墻坡腳間接縫良好，消能塘結(jié)構(gòu)總體完好。但在消能塘內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩處規(guī)模較大的異常區(qū)（見圖5），異常區(qū)編號為①號和②號。

圖5　某水電站消能塘典型斷面圖Fig.5 Typical sections of the energy dissipation pond of a hy?dropower station in Yunnan province

①號異常區(qū)位于護坦（設(shè)計高程：772.5 m）與混凝土拱壩連接部位，多波束實測斷面較設(shè)計斷面出現(xiàn)明顯的下凹（圖5），凹陷范圍約為55 m×6 m× 4.5 m（壩縱方向長×壩橫方向?qū)挕链瓜蛏疃龋＝?jīng)水下無人潛航器詳查，可以觀察到①號異常區(qū)在護坦一側(cè)平整，形狀規(guī)則，呈矩形，經(jīng)復(fù)核該凹陷異常區(qū)疑似施工階段的塔吊基礎(chǔ)。同時，由水下無人潛航器圖像記錄（圖6）可以看出，①號異常區(qū)內(nèi)堆積了大量的鋼管、鋼筋、廢木等建筑廢渣，也有塊石、碎石和沙土等沉積物。

圖6?、偬柈惓^(qū)水底典型圖像Fig.6 Typical results detected by unmanned submersibles ve?hicle about the abnormality①

多波束測深成果與設(shè)計高程之間的差異見圖7。從圖7可以看出：消能塘內(nèi)淤積層厚度普遍較薄，厚度大多小于5 cm，但有2處淤積厚度相對較大，分別為：

（1）在護坦（設(shè)計高程：772.5 m）與混凝土拱壩連接部位，等值線范圍為0～-4 m，對應(yīng)于①號異常區(qū)，推測為疑似塔吊基礎(chǔ)坑以及坑內(nèi)堆積的大量建筑廢渣和砂礫層淤積情況。

（2）在護坦（設(shè)計高程：769 m）和右貼坡邊墻坡腳的連接部位，等值線范圍為0～1.4 m，對應(yīng)于②號異常區(qū)，主要為碎石和砂土的局部淤積。

圖7　某水電站消能塘淤積層分布圖Fig.7 Distribution of the deposition layers in the energy dissipa?tion pond

4　結(jié)語

通過采用多波束測深和水下無人潛航器聯(lián)合檢測方法，以多波束測深的面積性普查和無人潛航器的局部詳查相結(jié)合進行水工建筑物的水下檢測，揭示了水工建筑物混凝土破損、裂縫、露筋等缺陷分布和水底淤積情況及性質(zhì)，取得了良好的檢測效果。

[1]王建忠,王玉龍.多波束與RTK三維水深測量技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用[J].測繪工程,2014,23(4):65-68.

[2]徐玉如,龐永杰,甘永,等.智能水下機器人技術(shù)展望[J].智能系統(tǒng)學報,2006,1(1):9-16.

[3]關(guān)宇,汪良生.ROV檢測技術(shù)[J].船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟信息,2002(2):22-25.

[4]王勝年,潘德強.港口水工建筑物檢測評估與耐久性壽命預(yù)測技術(shù)[J].水運工程,2011(1):116-123.

作者郵箱：3680038@qq.com

Title:Combined application of multi-beam sounding system and unmanned submersibles vehicles in detection of hydraulic structures

by TANG Li,XIAO Chang-an,CHEN Si-yu and HE Shi-cong∕Pow?erChina Kunming Engineering Co.,Ltd.

The paper introduces the composition,working principle and operation methods of multibeam sounding system as well as the theoretical basis of detection by unmanned submersibles vehicles. The detection practice for the energy dissipation pond in a hydropower station has proved that the com?bined application of multi-beam sounding system and unmanned submersibles vehicles is effective in detection of hydraulic structures and satisfactory results can be obtained.

multi-beam sounding system;unmanned submersibles vehicles;hydraulic structures;com?bined detection

TV698.1

B

1671-1092（2016）04-0052-04

2016-02-02；

2016-03-28

唐力（1982-），男，福建福州市人，高級工程師，工程檢測部主任，主要從事地球物理勘探及工程檢測工作。