摘要：随着我国水利水电工程的发展，水利水电工程检测技术水平有了很大进步。水下机器人已成为水利工程智能检测方面最具潜力的水下探测工具，具备较大的发展空间，对于水利工程除险加固和大坝日常安全管理等应用中均具备十分重要的应用价值。本文梳理了水下机器人在水利水电工程领域的典型应用场景和检测实践现状，归纳和分析了水下机器人的关键技术要点，结合技术发展，对水下机器人在水利工程领域的应用前景和发展趋势进行了展望。
关键词：水下机器人；水利水电；工程检测；应用现状；发展趋势
引言
我国是世界上水库大坝最多的国家，已建成逾十万座水库大坝。在数量众多的存量高坝大库中，一些工程由于长年运行，加之受水工建筑物的结构老化和地震等地质灾害影响，安全问题日益凸显，如坝体渗漏、混凝土裂缝和缺失、冲蚀冲坑以及地形地貌变化、金属设备腐蚀等，严重影响了工程的安全稳定运行和长期效益的发挥。由于此类工程安全隐患通常处于水面以下，排查难度较大，而大多数水库大坝不具备放空条件，因此针对该类工程问题的水下安全隐患探查是一个急需解决的工程问题。
1研究背景
长期以来，水下检测工作主要采用潜水员作为水下移动载体，通过潜水员人工作业经验或者手持水下检测设备来完成，如水下摄像监视机等。通过实际工程的检验，此方法是可行有效的检测手段。我国从20世纪80年代开始从事水下机器人的研究和开发工作。近年来，随着机器人技术发展和检测技术的提升，水下机器人在水下结构检测方面得到了广泛的应用，相对于潜水员作为水下载体，水下机器人检测的优势主要体现在：（1）灵活性强，多自由度的移动能力可自如应对水下环境的复杂多变；（2）作业时间长，通过电缆供电的水下机器人基本没有作业时间的限制；（3）作业深度广，潜水员下潜深度不宜超过50m，而水下机器人作业深度可达100m以上；（4）作业半径大，水下机器人可以覆盖大面积的检测工作任务。目前，水下机器人已成为水利工程智能检测方面最具潜力的水下探测工具，具备较大的发展空间，对于水利工程除险加固和大坝日常安全管理等均具备十分重要的应用价值。
2水下机器人在水利工程检测的典型应用
2.1闸门检测
为了防止闸门有异物而造成闸门即放不下去也收不回来的危险状态，需要在收放闸门前对闸槽提前进行认真的观察检测，再三确认对闸门没有影响的情况下，才能落放闸门。将Saab公司的SeaeyeFALCON机器人应用于小湾水电工程闸门的检测，收到了良好的效果，积累了工程经验。小湾水电工程大坝坝高292.5m，在其第三阶段蓄水之前，泄洪建筑物进水口处水深就可达70m以上。根据大坝的结构及现场的环境条件，FALCON机器人采用了典型的ROV作业方式，本体与显控台分离，显控台放置于大坝坝顶，ROV机器人本体利用船只运载至下水观测点附近，从坝顶将脐带缆放至作业船只，并留出足够的作业余量，再由工作人员在水面连接电缆和ROV本体，通电检查后使机器人直接从水面入水，对闸门进行检测工作。
2.2坝体检测
水利大坝混凝土表面包括在水下部分随着时间推移，不可避免会出现裂缝、空洞等缺陷，造成大坝出现漏洞等险情，尤其是在大坝刚建好服役的初期内部压力的释放，裂缝产生的速度会加剧，因此需要及时对大坝进行定期检查。采用ROV在永康三渡溪水库、杨溪水库、金华沙畈水库等工程的大坝水下进行了实际检查。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆实际检测中，为了对可能发现的缺陷进行精准定位，我们对大坝防渗面进行了人工分块分区，对大坝分作业进行检测工作，然后通过水平方向上的岸上桩号以及垂直方向的水深传感器实现精确定位。根据水下环境的情况，选择水下摄像头或二维多波束声纳进行坝面检测，当人工在水面发现缺陷出现时，通过笔记本电脑对图像资料以及当前ROV的定位信息进行保存。实际检测结果表明：ROV可以大大的提升检测效率，基本在1个星期内完成1个水库的检查工作。
2.3消力池或水垫塘底板检测
消力池或水垫塘是常见的消能形式之一，受到泄洪过程的冲击，消力池或水垫塘的底板不可避免会出现表面蜂窝麻面、错台挂帘、气泡等缺陷，进而对大坝带来安全隐患。ROV应用于某水库的消力池冲坑的实际检测。该水库泄洪闸段下游的消力池布置在主河床偏左岸，由于消力池长度不够，消能效果不佳，泄洪水流对消力池底板及前沿基础冲刷腐蚀十分严重。为了在水质差、流态不稳的复杂情况下进行检测，该案例中融入了视频摄像技术、多波束前视声纳技术，该技术可对百米范围内的水下结构、地形状况、淤泥和结构破损等问题进行全方位扫描。该案例的声纳扫描结果表明，消力池底板前沿基础的腐蚀情况严重，后经实测验证，情况基本属实。
3水下机器人在水利水电工程应用的发展趋势
3.1内部检查
目前，水下ROV系统在工程实际中只能发现工程设施的表面情况，无法检查内部缺陷。另一方面，在水体浑浊和表面附着物较多的条件下仅依靠声纳系统无法实现细致的缺陷检查，对裂缝、空洞等一些常规表面缺陷，无法准确测量其长度、宽度、深度，大大限制了水下机器人的检测应用场景。随着水下无损探伤工艺和设备的提升，水下机器人检修系统将携带更丰富的无损探伤设备，对缺陷进行更加准确的判断，来指导修复工作。
3.2全自主水下机器人检查
ROV遥控水下机器人需要由电缆与母船相连，电缆承担供能和通讯介质两项功能，根据检测深度实现电缆收放，细长的电缆悬在水下成为水下机器人最脆弱的部分，大大限制了机器人的工作半径和工作效率，在应用过程中往往出现线缆易缠绕及难以达到更大深度发现大坝渗漏点等问题。随着人工智能、控制技术的发展，基于AUV技术的水利检测技术，将逐步完善，实现可以完全自主完成水下检测任务，无需人工干预，最大限度地提高了工作效率，以及缆绳带来的不便。
3.3水下维修
在漫湾水电站的工程实践中，已经采用水下浇筑混凝土的方法对水垫塘底板进行补强加固，并取得了良好的效果。随着水下机器人负载能力和本体稳定性的增强，操作结构的更加灵活，水下机器人将不仅仅具备水下检测的功能，还将越来越多搭载各种机械手和水下工具，替代潜水员进行水下加固维修的工作，能够有效应对坝前淤积和发电站进水口拦污栅前杂物的清理工作、泄洪涵洞及闸门的密闭、泄洪检修闸门门槽的维修工作，进一步增强水利水电工程的运维水平。
结语
综上所述，有缆遥控水下机器人是水利水电工程检测的主要载体形式，实际应用中需要解决的关键技术主要有1.负载和水流扰动下的运动控制；2.低能见度、浑浊水体、杂质水环境中的缺陷识别；3.长时间、大范围内的精确定位与导航。在已有典型应用中，水下机器人通过搭载摄像头和声纳检测设备，可对闸门、坝体、消能等设施进行水下结构、地形状况、淤泥和结构破损进行全方位的检测。随着控制技术、检测设备、负载能力、本体稳定性的技术提升，水下机器人将通过全自主的作业形式采集工程设施内外部的缺陷信息，并且完成水下加固维修的工作，进一步保障水利水电工程的长期安全运行，更好发挥其应有的社会和经济效益。
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论文作者:朱梓轩
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/14
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