深水孔洞清淤機器人設計及應用

程陽銳 潘洪月 宛良朋 胡洋

摘要：

針對深水孔洞清淤的現(xiàn)實需求，即清淤機器人需具備水下清淤、行走、定位、動力及智能控制等基本功能，通過對清淤環(huán)境的分析，設計一款具備閘門前淤積物清理的智能化深水孔洞清淤機器人。根據(jù)清淤機器人作業(yè)中的難點，對布放回收技術方案進行了詳細介紹，包括上平臺、下平臺及吊放絞車等，實現(xiàn)清淤機器人的布放、入洞、動力供給和回收等功能。在實驗室對清淤機器人的直線行走性能進行試驗，結果表明：清淤機器人具有技術可行性和作業(yè)能力。

關鍵詞：

清淤機器人； 水庫淤積； 孔洞清淤； 布放回收； 智能控制

中圖法分類號：TV851

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.008

文章編號：1006-0081（2023）05-0050-05

0 引 言

水庫是調控水資源時空分布、優(yōu)化水資源配置的重要工程舉措，是江河防洪工程體系的重要組成部分、社會經濟發(fā)展不可替代的基礎設施與生態(tài)環(huán)境改善不可分割的保障系統(tǒng)。水庫關系地區(qū)防洪安全、供水安全與糧食安全，具有很強的公益性、基礎性以及戰(zhàn)略性。截止2020年中國已建成各類水庫98 566座［1］。但這些水庫大多數(shù)興建于20世紀50～70年代，沖排沙設施不足，經數(shù)十年運行普遍存在不同程度的淤積問題［2-3］。水工閘門作為水庫控制水流的主要設備，是水利工程的關鍵組成部分之一。

閘門啟閉運行正常與否，不僅直接關系到水庫工程合理調度水資源的效率，還關系到工程運行安全［4］。由于閘門長時間于水下工作，難以定期動閘沖沙，泥沙不斷在閘前沉積。受泥沙側壓力作用，閘門后期啟閉力數(shù)倍增加，甚至常出現(xiàn)無法開啟的情況［5］。例如：陜西省王瑤水庫無溢洪道，泄洪洞為工程唯一的泄洪設施，自1972年運行以來泄洪洞頻繁堵塞，給工程安全運行帶來巨大安全隱患，威脅著下游人民生命財產安全［6］。2013年向家壩水電站壩后廠房尾水檢修閘門淤積［2］，2019年四川龍?zhí)端娬敬髩涡购殚l無法開啟［2］，鴨河口水庫循環(huán)水泵站進口淤積了大石塊、碎石、泥沙等雜物，清淤深度約18 m，工程耗時8個月，清淤約1 800 m3，潛水員下水作業(yè)1 286次［7］。定期對閘門前的淤積物進行清理，對確保水庫安全具有重要意義，是當前諸多水庫的迫切需求。

本文針對深水孔洞清淤需求，設計了一款具備水下清淤、行走、定位、動力及智能控制等功能的水下清淤機器人，對其布放回收技術方案進行了詳細介紹，同時通過實驗室試驗和工程應用驗證了相關功能和性能。

1 深水孔洞清淤機器人設計

針對水工閘門的深水、長孔洞（深孔）等典型特征，根據(jù)深水孔洞清淤需求，設計一款可用于水深200 m、具備閘門前淤積物清理的智能化深水孔洞清淤機器人，解決當前深水孔洞清淤的難題。

1.1 設計思路及原則

借鑒深海采礦裝備作業(yè)技術，水下深孔清淤機器人的設計思路為：① 需適應水下清淤作業(yè)的環(huán)境，并實現(xiàn)對壩體無損傷作業(yè)。② 需滿足整機組裝、拆卸方便，便于運輸、維修的要求。③ 要求整機重量小、作業(yè)流程簡單、智能化程度高，且安全可靠。有關水下清淤作業(yè)環(huán)境分析如下。

（1） 閘門前作業(yè)環(huán)境分析。

閘門一般處于關閉狀態(tài)，清淤作業(yè)期間為靜水。閘門前一般有一段長度不等的孔洞，孔越深相對作業(yè)難度越大。如小浪底排沙洞進水口寬3.5 m，高6.3 m，頂部為拱形［8］，洞口距離閘門約20 m?？锥磧鹊挠俣乱话惴譃?種（圖1）：部分淤積；全淤積，即孔內淤滿但未與庫底淤積直接連接；掩埋型淤積，即深孔全部淤積且孔口也被掩埋在淤堵物表面之下，如三門峽水庫在1996年出現(xiàn)過的淤積情況，排沙洞進口淤積高程比孔口高出22.3 m［9］。其中，深孔孔內部分淤積最為常見。

本文僅對部分淤積的情況進行清淤作業(yè)研究。在該種工況下，水下孔洞位于壩體中間，水下清淤機器人需要在水下“懸空”進入孔洞中，并將孔洞中的淤積物排除到洞口外。

（2） 淤積物類型分析。

水庫的淤積物種類較多、形狀復雜，一般孔洞內淤堵物可分為松散泥沙、板結泥沙、較小體積雜物、較大體積雜物等4種類型。較小體積雜物一般為生活垃圾（泡沫、塑料）、半懸浮物品（水產養(yǎng)殖用的網(wǎng)箱殘余、繩子、樹枝木塊）、建筑垃圾（鋼管、水泥塊、破碎模板、竹跳板）等等。較大體積的雜物包括雜物塊石、樹樁等。同一孔洞中一般同時存在多種不同類型的淤積物，需要水下清淤機器人具有較高的作業(yè)適應能力。

（3） 壩前環(huán)境分析。

壩前環(huán)境主要包括作業(yè)區(qū)域的水陸交通條件，壩頂、壩前庫邊道路及容易進行設備吊裝及布置的開闊場地，一般近壩庫區(qū)具備能夠將設備運輸至水面的碼頭或下水點，壩頂或近壩岸坡附近需能夠提供動力電源。

1.2 功能設計

（1） 清淤功能。根據(jù)深孔孔洞中的淤積類型及環(huán)境特征，松散泥沙類的淤積物可直接通過泥漿泵進行抽吸，排出洞口外；板結泥沙則可先使用作業(yè)機構進行攪動，然后用泥漿泵進行抽吸，排出洞口；體積較小的雜物，則需要在清淤機器人的作業(yè)臂上設置抓取機構，將其抓取并移送到孔洞外。對于大體積的雜物，如塊石、樹樁等，可能需要清淤機器人搭載專門的巖石破碎、切割或者爆破裝置進行清理。

根據(jù)上述功能需求，機器人清淤擬采用小型化絞吸頭搭配泥漿泵抽吸作為基本作業(yè)單元，同時搭載可以替換的抓取機構和巖石破碎、切割作業(yè)機構作為配套。

（2） 行走功能。深水孔洞中閘門距離洞口有一定的距離，因此需要清淤機器人能夠自主移動到閘門前進行清淤作業(yè)。水下設備移動一般采用懸浮推進和著底自行走兩種方式。懸浮推進一般使用螺旋槳提供動力，常用于零浮力、正浮力或者水中重量相對較小的設備，具備輕載作業(yè)能力，水下的靈活性較高。著底自行走一般采用履帶式自行走，通常用于水中重量相對較大、需較大負載作業(yè)的情況。根據(jù)作業(yè)環(huán)境及工況分析，擬采用履帶自行式方案。

（3） 定位功能。水下清淤機器人在孔洞中作業(yè)時，受狹窄空間的限制以及水體渾濁度的影響，聲學定位和光學設備很難提供準確的數(shù)據(jù)參考。為了保證機器人能夠在孔洞中按預定路徑行走和清理淤積物，深孔清淤機器人通過尾纜長度、側向距離及自行姿態(tài)信息方式進行定位和三維顯示。

（4） 動力功能。整個清淤系統(tǒng)采用岸載或船載電源進行供電。電能分別被輸送給水面吊放回收系統(tǒng)和水下清淤機器人的電機中，以及各部分控制電源。水面吊放回收系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)的電機泵組將電能轉換為液壓能，進行各執(zhí)行機構的動作及控制；水下清淤機器人采用液壓系統(tǒng)將電能轉換為液壓能，分別供給機器人的疏堵、行走及航向控制等。

（5） 智能控制功能。水下清淤機器人的整套控制系統(tǒng)借鑒深海采礦中集礦車的控制作業(yè)技術，在光纖通信系統(tǒng)的支持下，采用多級分散控制、集中監(jiān)控的方式實現(xiàn)對機器人的全面監(jiān)視和操作控制。主要功能包括8個方面：系統(tǒng)動力輸配及控制，疏堵裝置的監(jiān)控，液壓系統(tǒng)監(jiān)控，車體航向和姿態(tài)監(jiān)控，履帶自行式行走監(jiān)控，裝置下放、回收過程監(jiān)控，水下作業(yè)環(huán)境監(jiān)視和水面監(jiān)控中心。

1.3 布放回收設計

考慮深水孔洞建筑物表面一般不具有足夠的作業(yè)空間，且大多孔洞前不具有承載平臺，為使水下清淤機器人安全可靠的進入孔洞內作業(yè)，且不損傷壩體，水下清淤機器人需借助專用平臺進行布放、回收。為給機器人調試、檢修以及操作提供合理的作業(yè)條件，設計了一套具有較高機動性和靈活性的布放回收系統(tǒng)，布置如圖2所示。

布放回收系統(tǒng)分為水面平臺（上平臺）和水下平臺兩部分，其中水面平臺為整套系統(tǒng)提供水面支持，用于對孔洞清淤機器人布放回收、相關輔助設備安裝、試驗人員作業(yè)、系統(tǒng)動力供應、系統(tǒng)控制等，主要包括水面浮箱、吊裝架、電動絞車、電控集裝箱等；水下平臺主要用于承載清淤機器人，使清淤機器人能夠進入孔洞內作業(yè)以及固定排出管，其主要由吊裝框架、水下液壓站、水下平臺、螺旋槳、卡爪機構和連接跳板等組成；水面平臺與水下平臺之間設有8個固定連接點，水下平臺固定導柱穿過水面平臺固定塊后，通過銷軸連成一個整體。

1.3.1 水面平臺設計

水面浮箱主要由4塊浮箱塊拼接而成，如圖3所示，水面平臺布置有電控集裝箱、吊裝架、電動絞車等。中間預留清淤機器人布放回收空間，兩塊平臺之間通過工字鋼連接，同時設備吊放以外區(qū)域上面鋪以鋼板，作為人員行走及作業(yè)平臺。

1.3.2 水下平臺主要組件設計

水下平臺主要由吊裝框架、水下液壓站、水下平板、螺旋槳、卡爪機構和連接跳板等組成，如圖4所示。其中，吊裝框架通過滑輪與電動絞車上的鋼絲繩進行連接，進行整體的布放與回收；吊裝框架主要用方鋼現(xiàn)場組焊而成。為保證水下平臺的穩(wěn)定性并便于姿態(tài)調整，在平臺尾部布有螺旋槳，通過調節(jié)控制水下平臺的位置及與壩體之間的距離，實現(xiàn)水下平臺與孔洞的精準對接。

為保證水下平臺到達指定位置后，清淤機器人行走時平臺的穩(wěn)定性，在水下平臺與孔洞接觸處布有卡爪機構，當水下平臺與孔洞位置對接完成后，卡爪機構打開，卡爪插入孔洞內壁，使水下平臺與壩體之間建立穩(wěn)固的連接。水下平臺上設有翻板機構，使孔洞清淤機器人能越過水下平臺與壩體之間的間隙，自行駛入孔洞內進行作業(yè)。水下液壓站主要作為螺旋槳、卡爪機構和連接跳板的動力來源，布置于水下平臺的尾部，通過液壓分別驅動各執(zhí)行部件的液壓缸和液壓馬達，輔助水下機器人進行清淤作業(yè)。

2 驗證及應用

根據(jù)設計方案研制了深水孔洞清淤機器人樣機“達諾1號”（DreRo-Ⅰ），分別在實驗室和工程現(xiàn)場對其孔洞作業(yè)下的直線行走性能、清淤作業(yè)等進行了重點測試驗證。

2.1 直線行走性能測試

深水孔洞清淤機器人在水下空洞中作業(yè)時，一般為長直孔洞，確保清淤機器人能直線行駛尤其重要。清淤機器人的直線行駛性能主要體現(xiàn)在兩個方面，一是其航向保持能力，二是其絕對軌跡偏差。從前期的實驗測試中可知，機器人可維持航向在1°的偏差范圍內正常前進［10］。然而，1°的偏差仍可能與洞壁發(fā)生碰撞甚至出現(xiàn)無法前進的情況，需要對其絕對直線行走偏差進行測試。

測試在長40 m、寬10 m、深5 m的實驗水池中進行，實驗水池底部鋪設約1 m厚的黏性土底質，剪切強度5～10 kPa。清淤機器人布放完成后，加注深約2 m的水（剛好淹沒清淤機器人）。準備工作完成后，通過智能控制系統(tǒng)給定直線行駛指令，待直線超過10 m后停止，排干水池中的水，對清淤機器人的行走軌跡進行測量，獲得其直線行駛絕對偏差值。

水池放水后，實測清淤機器人行駛后形成軌跡直線性較好，偏差在20 mm內，一般孔洞相對于清淤機器人的左右總間隙超過1 m，因此在孔洞稀軟底質情況下，清淤機器人可實現(xiàn)直線行駛并完成作業(yè)任務。

2.2 清淤作業(yè)及應用

為進一步驗證清淤機器人的水下清淤作業(yè)能力，先后在小浪底、烏東德、馬鹿塘等地完成水下作業(yè)，實現(xiàn)了不同作業(yè)場景的應用，如水下清淤、水下爆破作業(yè)、油漆涂刷等。

（1） 小浪底水下清淤作業(yè)。2019年在小浪底工程試驗中，“達諾1號”水下機器人下至大壩排沙洞口處，水深82.3 m，排沙洞寬3.5 m、高6.3 m。水下機器人通過環(huán)境感知單元進行路徑探索，準確找到排沙洞口，并利用綜合導航控制系統(tǒng)，以0.5 m/s的速度在洞內行走至目的區(qū)域，實施了孔洞內清淤作業(yè)后退出排沙洞，在壩體前方淤積區(qū)域成功開展了行走和清淤作業(yè)［11］。

（2） 烏東德水下爆破作業(yè)。2020年在烏東德水電站壩后水墊塘處理中，通過纜機+電葫蘆形式下放與回收水下機器人。在水下機器人布放至水底并確定自身位置后，通過調節(jié)機械臂角度與位置，將攜帶的炸藥框準確布放至預設的鋼板上，回收水下機器人后引爆炸藥框，順利完成了100 m級深水環(huán)境水下爆破精準切割任務。

（3） 實驗室油漆涂刷作業(yè)。2020年在實驗室搭建了水下涂刷作業(yè)平臺，通過遠程操控機器人的機械臂，順利實現(xiàn)對水下鋼板的防腐涂料涂裝，通過水下攝像頭進行觀察，整個水下涂刷過程動作連續(xù)，過程流暢，可實現(xiàn)高精度涂刷作業(yè)，作業(yè)情況如圖5所示。

（4） 馬鹿塘水下作業(yè)。2020年在云南文山馬鹿塘水下作業(yè)中，在抓斗、清淤泵完成開闊水面部位淤積物清理后，“達諾1號”清淤機器人進入洞口內，通過模塊化設計的清淤耙，清除了關鍵的淤堵區(qū)域。雖然實際清淤方量不大，但打通的關鍵節(jié)點使得洞室全線貫通，為后續(xù)開閘沖沙創(chuàng)造條件，在解決技術難點的同時大幅節(jié)省了工程投資，取得較好效果。

3 結論及展望

根據(jù)當前中國深水孔洞清淤的實際需求，設計了一款可用于水下深孔疏堵清淤的清淤機器人，具備水下清淤、行走、定位、動力及智能控制等功能。配套設計的布放回收系統(tǒng)，由上平臺、下平臺及吊放絞車等組成，可實現(xiàn)孔洞清淤機器人的布放、入洞、動力供給、回收等功能，保障設備作業(yè)。研制的清淤機器人“達諾1號”通過實驗室及現(xiàn)場工程應用，實現(xiàn)了水下清淤、水下爆破作業(yè)、油漆涂刷等不同場景下應用作業(yè)，驗證了其直線行駛性能、水下清淤作業(yè)能力，表明該方案技術可行，可進一步開展深入研究，但在其工程適應性、安裝快捷性等方面有待進一步發(fā)展。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國水利部.2020年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報［R］.北京：中華人民共和國水利部，2021.

［2］ 陸楊，許慧，李國斌，等.泥沙淤積對不同類型水庫功能影響評價［J］.人民長江，2021，52（增2）：237-241.

［3］ 郭超，金中武，閆霞，等.長江流域水庫清淤初探［J］.水利水電快報，2019，40（11）：53-55.

［4］ 任實，胡興娥，邢龍，等.三峽水庫壩前深水清淤疏浚技術研究［J］.長江科學院院報，2023，40（1）：24-28.

［5］ 梁皓.水工建筑物閘門防淤及淤積處理技術［J］.云南水力發(fā)電，2022（2）：209-213.

［6］ 江超，盛金保，朱沁夏，等.我國水庫深孔泄水建筑物統(tǒng)計與閘門前堆積物現(xiàn)狀調研分析［J］.中國水利，2018（12）：37-39.

［7］ 董索，李建清，陳利強.水庫清淤技術概述［J］.水利水電快報，2019，40（11）：49-52.

［8］ 彭建平，彭賽鋒，程陽銳，等.黃河小浪底深水涵洞疏堵機器人空間識別試驗［J］.河南水利與南水北調，2021（1）：88-90.

［9］ 李善征，方偉.水庫底洞發(fā)生泥沙淤堵工程實例分析［J］.北京水利，2002（4）：29-31，48.

［10］ 黎宙，彭建平，程陽銳，等.水下清淤車性能研究及工程應用［J］.采礦技術，2021，21（3）：154-157.

［11］ 程陽銳，王義鋒，潘洪月，等.基于深海采礦技術的新型深水清淤技術方案探索［J］.礦冶工程，2020，40（4）：1-5.

（編輯：唐湘茜，張 爽）

Abstract：

Based on the actual requirements of deep water outlet dredging，the underwater desilting robot should have the basic functions of underwater dredging，walking，positioning，power and intelligent control.Through the analysis of the dredging environment，an intelligent deep-water hole desilting robot with the ability to clean up the silt in front of the gate was designed.Aiming at the difficulties of the robots work，the technical scheme of its laying and recovery was introduced in detail，including the upper platform，lower platform and lifting winch，which can realize the deployment，digging，power supply，recovery and other functions of the desilting robot.The linear walking performance of the desilting robot was tested through the laboratory experiment.The results showed that the technical feasibility and operation ability of the dredging robot are feasible.

Key words：

desilting robot； reservoir sedimentation； outlet desilting； placement and recovery； intelligent control