無人潛航器在水電站引水隧洞質(zhì)量檢查中的應(yīng)用

劉 福，馬保東，馬 祥，陳 靜，董芮佺，李長雁

(1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡 438600；3.中國船舶重工集團(tuán)公司七五〇試驗場，云南 昆明 650033；4.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

0 引言

引水隧洞因具有長距離、大埋深特點，使得隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，工程運(yùn)行條件差，極易出現(xiàn)不同程度的病害。如果不能及時檢測發(fā)現(xiàn)并加以修補(bǔ)，會造成輸水隧洞斷裂垮塌、管路沉降等事故，嚴(yán)重危害社會發(fā)展及城市安全[1]。水下無人潛航器是能夠在水下環(huán)境中長時間作業(yè)的高科技裝備，尤其是在潛水員無法承擔(dān)高強(qiáng)度水下作業(yè)、不能到達(dá)的深度等情況下和危險條件下更顯現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢，同時解決了人工檢測效果差、效率低、危險大等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 工程概況及檢測范圍

1.1 引水隧洞

錦屏二級水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機(jī)布置，進(jìn)水口至上游調(diào)壓室的平均洞線長度約16.7 km，隧洞中心距60 m，底坡3.65‰，由進(jìn)口底板高程1 618.00 m降至高程1 564.70 m與上游調(diào)壓室相接。引水隧洞開挖直徑12.4～14.3 m，襯后隧洞跨度10.8～11.8 m，典型斷面型式有四心圓斷面、四心圓馬蹄形斷面、平底馬蹄形斷面。4#引水隧洞設(shè)計斷面及集渣坑見圖1～圖2。

圖1 4#引水隧洞典型斷面尺寸示意圖 圖2 4#引水隧洞集渣坑尺寸示意圖

1.2 檢測范圍

1.2.1 引水隧洞末端

通過錦屏二級電站4#引水隧洞末端水下檢查，判斷和定位檢查范圍內(nèi)混凝土襯砌表觀缺陷的空間位置、集渣坑內(nèi)淤積情況。檢查引水隧洞混凝土內(nèi)表面有無破損、剝落、露筋、開裂、沖蝕等缺陷，附著物情況，混凝土襯砌結(jié)構(gòu)部位完好性，集渣坑淤積現(xiàn)狀。

1.2.2 引水隧洞上游端

錦屏二級水電站4#引水隧洞自進(jìn)水口事故閘門門槽中心線開始，向引水隧洞下游出口方向2 km長范圍。

2 檢查技術(shù)與方法

2.1 儀器設(shè)備

分別采用中船重工ARV無人潛航器系統(tǒng)、美國DOE L5的ROV無人潛航器系統(tǒng)、英國SAAB Seaeye Falcon DR的ROV無人潛航器系統(tǒng)進(jìn)行檢測。水下無人潛航器系統(tǒng)主要包括了潛航器單元、地面控制單元、臍帶纜單元及吊放系統(tǒng)四部分。其中，潛航器單元包括了高分辨率彩色攝像機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、避碰聲吶、內(nèi)置姿態(tài)傳感器、機(jī)械臂、推進(jìn)器、照明燈等部件；地面控制系統(tǒng)包括了計算機(jī)控制系統(tǒng)、DV錄像系統(tǒng)等部件。

2.2 檢測思路

2.2.1 引水隧洞末端

引水隧洞末端水下潛器檢查，根據(jù)引水隧洞設(shè)計布置情況，在電站4#上游調(diào)壓室內(nèi)布置專用工作平臺，水下無人潛航器由調(diào)壓室豎井頂部平臺開始吊放，吊放至豎井水面后脫鉤，潛航器潛至豎井底部，經(jīng)過豎井靠上游的阻抗孔，進(jìn)入待檢查隧洞開展水下工作。確認(rèn)缺陷的性質(zhì)、規(guī)模及分布部位等，查明集渣坑沉渣粒徑情況。處理與分析階段統(tǒng)計混凝土缺陷的性質(zhì)、規(guī)模、分布部位，以及集渣坑淤積等情況，往年檢查成果對比分析，查明缺陷或集渣坑淤積的變化情況。

2.2.2 引水隧洞上游端

檢查分為覆蓋普查及局部詳查兩個部分，分別為：

(1)普查階段，采用水下無人潛航器根據(jù)作業(yè)區(qū)域的實際情況科學(xué)優(yōu)化的選擇搭載ARIS圖像聲吶、前視圖像聲吶、水下慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行引水隧洞的聲學(xué)全覆蓋檢查，檢查測線以平行于隧洞中軸線的方式進(jìn)行布置，通過解譯聲學(xué)圖像初步劃分出異常的規(guī)模以及分布部位。

(2)詳查階段，根據(jù)前期人工踏勘的實測成果，對已發(fā)現(xiàn)的異常以及重點部位，采用水下無人潛航器搭載水下光學(xué)攝像設(shè)備對各個異常以及重點部位逐一進(jìn)行詳查，進(jìn)一步確認(rèn)異常的性質(zhì)、規(guī)模、以及分布部位等情況。

(3)處理與分析階段，統(tǒng)計混凝土缺陷的性質(zhì)、規(guī)模、分布部位。

3 檢查成果分析

3.1 引水隧洞末端詳查部位成果與分析

錦屏二級水電站4#引水隧洞末端水下詳查，確定了表觀缺陷的類型，復(fù)核了缺陷的空間定位以及表觀現(xiàn)狀。通過采用水下無人潛航器以光學(xué)攝像手段抵近觀察隧洞內(nèi)部缺陷情況，水下檢查逐一復(fù)核了重點詳查部位混凝土表觀運(yùn)行現(xiàn)狀，重點詳查部位混凝土表觀現(xiàn)狀統(tǒng)計見表1。

表1 典型區(qū)域水下檢查情況

由表1可得以下結(jié)論：

(1)錦屏二級水電站4#引水隧洞末端2.0 km范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)45處缺陷，其中，混凝土表層脫落7處，灌漿孔遺留16處，混凝土表觀不平整14處，底板磨蝕1處，骨料出露3處，鋼管出露2處，鋼板出露1處，裂縫1處。缺陷集中在隧洞底板，未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)性破損現(xiàn)象，混凝土襯砌表觀情況整體良好。

(2)經(jīng)過水下無人潛航器抵近復(fù)核觀察的15處部位表觀現(xiàn)狀，查明此15處部位無結(jié)構(gòu)性破損現(xiàn)象，混凝土襯砌表觀情況整體良好，與往年的檢查情況無較大差異；

(3)檢查中對特殊隧道段執(zhí)行了加密環(huán)視檢查，覆蓋范圍為上下游各100 m。通過檢查，在特殊隧洞段范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)隧洞混凝土內(nèi)壁存在破損、剝落、露筋、開裂、沖蝕等缺陷現(xiàn)象，混凝土襯砌表觀結(jié)構(gòu)良好，同時，在隧洞底板可見零星小范圍混凝土不平整現(xiàn)象。

3.2 集渣坑沉積情況現(xiàn)狀與分析

綜合聲學(xué)探測成果以及光學(xué)攝像成果，計算出集渣坑沉積情況。根據(jù)測距聲吶成果，4#引水隧洞末端集渣坑沉積現(xiàn)狀統(tǒng)計見表2，上游集渣坑、下游集渣坑各沉渣室沉積現(xiàn)狀見圖3、圖4。

表2 引水隧洞集渣坑淤積現(xiàn)狀統(tǒng)計表

圖3 上游集渣坑各沉渣室沉積現(xiàn)狀 圖4 下游集渣坑各沉渣室沉積現(xiàn)狀

通過分析對比，由上述圖件可得以下結(jié)論：

(1)4#引水隧洞末端集渣坑各沉渣室淤積厚度為：

4-1#-1#沉渣室淤積厚度介于1.9～2 m之間，平均厚度為1.95 m，基本淤滿。

4-1#-2#沉渣室淤積厚度介于1.75～2 m之間，平均厚度為1.88 m，基本淤滿。

4-1#-3#沉渣室淤積厚度介于1.6～2 m之間，平均厚度為1.8 m，基本淤滿。

4-2#-1#沉渣室淤積厚度介于1.8～2 m之間，平均厚度為1.9 m，基本淤滿。

4-2#-2#沉渣室淤積厚度介于1.6～2 m之間，平均厚度為1.8 m，基本淤滿。

4-2#-3#沉渣室積厚度介于1.8～2 m之間，平均厚度為1.9 m，基本淤滿。

(2)根據(jù)集渣坑各個沉渣室的設(shè)計尺寸進(jìn)行計算，截止2021年5月，4#引水隧洞末端集渣坑(含上游集渣坑4-1#、下游集渣坑4-2#)沉積體積為493.22 m3，占集渣坑總體積(526 m3)的94%。

(3)沉渣粒徑(短軸)普遍小于5 cm。

3.3 引水隧洞上游端成果與分析

錦屏二級水電站4#引水隧洞上游段2 km水下詳查，采用美國DOE L5定制改進(jìn)型ROV水下無人潛航器系統(tǒng)搭載了水下彩色攝像設(shè)備、多波束三維掃描聲吶、前視圖像聲吶、水下慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)等以抵近檢查的方式完成混凝土襯砌表觀局部部位的水下光學(xué)攝像詳查，確定了表觀缺陷的類型，復(fù)核了缺陷的空間定位以及表觀現(xiàn)狀，得出如下結(jié)論：

(1)錦屏二級水電站4#引水隧洞上游端2.0 km范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)22處缺陷，兩處鋼筋出露，其余多為混凝土表層剝落，檢查范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)性破損現(xiàn)象，混凝土襯砌表觀情況整體良好。

(2)事故閘門右側(cè)高程在1 624.4～1 624.6 m處混凝土破損損傷，長約20 cm；事故閘門槽底部鵝卵石堆積，長約10 cm，寬約30 cm，厚度約15 cm。

4 結(jié)語

近年來，水下無人潛航器由于其高度集成化和智能化，逐漸在水工隧洞病害檢測中得到了廣泛應(yīng)用。利用中船重工定制改進(jìn)型ARV無人潛航器系統(tǒng)、美國DOE L5定制改進(jìn)型ROV無人潛航器系統(tǒng)和英國SAAB Seaeye Falcon DR定制改進(jìn)型ROV無人潛航器對錦屏二級電站4#引水隧洞進(jìn)行了全面檢測，得出了可靠的評價成果，可為工程運(yùn)營安全評價，病害處理提供全面的技術(shù)支撐。