淺析八都水庫水下機器人應用

樓仁有，陳明恩

（1.義烏市水務建設集團有限公司，浙江 義烏 322001；2.杭州定川信息技術有限公司，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、調節池、東塘——八都水庫引水隧洞等。

《浙江省水利發展“十三五”規劃》“水利行業能力建設信息化”專欄中提出：主動適應“互聯網＋”和大數據發展趨勢，大力推進智慧水利[1]建設，以水利信息化帶動水利現代化發展。八都水庫除險加固工程信息化建設正是響應信息化發展需求。其中，大壩安全監測系統為水庫信息化建設的主要內容，大壩（主壩）表面變形、壩體內部沉降、滲流量等傳統監測項目不能滿足對庫區進水口閘門、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水下可視化[2]觀測難題的智能設備水下機器人[3]，使庫區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，由于當時技術限制，存在設計標準偏低、施工質量不高、設施年久失修等問題，除險加固工程和信息化建設無法實現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“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設垂直縫1條。下游坡設3級壩坡，分別在高程118.10 m和138.10 m處設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，無法通過傳統方法觀測檢查。

溢洪道緊靠主壩的左壩頭，為側槽式開敞溢洪道。溢洪道頂高程152.10 m，進水寬40.00 m，側槽首部底槽寬2.00 m，末端寬12.00 m，側槽底高程145.08～144.71 m，縱坡i=0.01，經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流鼻坎。上游側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方法觀測檢查，包括閘門表面腐蝕、兩側面貼合、底部異物等情況。

輸水隧洞位于大壩左岸100.00 m的山體內，由原導流隧洞改建而成。隧洞進水口為龍抬頭形式，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斜洞于原導流洞0+065.00 m處相連，龍抬頭段長48.00 m。隧洞出口段設壓坡段，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。在導流洞樁號0+291.24 m左側設發電輸水支洞，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，無法通過傳統方法觀測檢查。

3 設備結構與功能

根據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，模塊化設計可擴展性強，兼顧手動和自動控制等多種模式高效作業，采取電池供電的形式，享有高效可循環的運行時間。設備結構見圖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，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 水下機器人設備結構圖

結構檢測功能是使用水下機器人對大壩、水庫、管道等環境進行檢測，通過水下機器人回傳的攝像頭視頻數據和聲吶成像數據對檢測物的缺陷情況進行判斷。水下定位導航功能由聲波發射端和接收端2部分組成，水下機器人將搭載聲波發射端，通過測量預設的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前實時位置。

4 水下檢查應用

八都水庫水下機器人的應用主要是利用設備的結構檢測功能，分別對庫區壩體、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，垂直縫數量多且長度較長。了解大壩前期運行過程中發現的問題，結合工程施工技術和質量，采取預定水下檢查方案，將面板分區分塊和垂直縫分條帶[5]，預先判定部位反復仔細排查。在對壩體水下垂直縫實際檢測的過程中，利用設備本身的特點，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現多處壩體混凝土面板表面不平整，出現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現縫隙寬度異常時，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，為安全監測提供水下數據支撐。

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構閘門，閘門結構長期受周邊環境和運行荷載的影響，容易發生防腐涂層脫落、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。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，材質為鋼制[7]。鋼制設施同上述泄洪閘，容易發生防腐涂層脫落、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構表面觀測任務。攔污柵表面情況良好，未發現粉化現象和脫落銹蝕情況（見圖6），圖6中左側發現有一根樹枝被攔污柵阻攔在輸水隧洞外側。

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構，因輸水會產生內水或外水壓力，有可能還會因應力重引起圍巖變形。對于輸水隧洞傳統的排空或潛水員入水檢查方法，在工程應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。輸水隧洞表面情況良好，未發現伸縮縫和洞壁異常情況（見圖7）；圖7中間上部發現有一垃圾袋，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據。

圖8 激光標尺異物比測圖

5 出現問題與解決方法

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

①當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連接；電腦本地IP地址是否設置正確；水面端側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。解決方法：檢查機器是否處于“定深”或“自穩”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，關閉軟件，并聯系設備廠家技術支持人員。③嘗試在水中走直線時，一直在轉彎或不受控。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動方向是否正確，如發現某電機運轉方向錯誤，聯系設備廠家技術支持人員并在其指導下調整電機設置。④操作界面上深度讀數異常。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，無參數界面。解決方法：鼠標雙擊視頻畫面調出參數界面。⑥出現電流過大現象。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 語

水下機器人為探查水下情況多了一雙“眼睛”，在水下結構物安全性診斷中發揮不可或缺的作用?；谒聶C器人和傳感器的水下物聯網，正成為水庫安全應用的科技熱點。計算機技術、視頻技術、傳感技術的發展，使硬件及軟件的綜合智能化程度提升成為可能，技術應用于水下機器人，有利于提高水庫庫區水下可視化觀測適應能力，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險，具有進一步推廣的價值，是未來水庫庫區水下可視化檢測的發展方向。