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    科學技術論文

    測量型水下機器人在水下構筑物缺陷檢測中的應用

    時間:2021年09月14日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:水下構筑物是水利水電工程、橋梁工程等的重要組成部分,其長期服役帶來的不同程度的缺陷會直接影響到整個工程的安全運行,需要及時修復;由于多種因素的影響,水下構筑物的缺陷檢測存在較大的技術難度和安全風險;文章采用測量型水下機器人及圖像聲納系統

      摘要:水下構筑物是水利水電工程、橋梁工程等的重要組成部分,其長期服役帶來的不同程度的缺陷會直接影響到整個工程的安全運行,需要及時修復;由于多種因素的影響,水下構筑物的缺陷檢測存在較大的技術難度和安全風險;文章采用測量型水下機器人及圖像聲納系統,對某大型水利樞紐工程消力池底板、導墻混凝土等多項水下構筑物進行了表觀完整性檢查,并對上游閘門工作狀態進行了巡檢,取得了良好的缺陷檢測效果。

      關鍵詞:水下機器人;水下構筑物;缺陷檢測

    水下機器人

      隨著我國水利水電工程、橋梁工程等的持續建設,水下構筑物覆蓋范圍越來越廣泛。由于長期處于水下復雜環境中,大量的水下構筑物在長期服役后,不同程度地存在著基礎沖刷、淘空、結構侵蝕以及自身老化等一系列的結構性損傷,給工程的整體運行帶來了重要的安全隱患。為對相關建筑物的除險、加固工程提出科學合理的決策,需有效排查水下構筑物存在的各種缺陷,常規的人工探摸、水下攝像等方法由受水下環境、水質條件、作業時間、安全保障等各種因素影響,無法獲得清晰圖像,檢測結果難以滿足工程需求。

      水利論文范例: 新時期的農田水利灌溉工程研究

      針對這一技術性難題,國內外專家在該領域進行了大量研究并提出了諸如三維聲吶技術[3-5]、水下機器人[6-7]、水下多波束測深系統[11]等多種解決方法,取得了一定的成效,但在精確描述缺陷邊界特征方面仍存在不足。由于圖像對比度相對較低、缺陷特征信息匱乏、模糊、殘缺,致使不夠細微,而且定位誤差大、效率較低、適應性較弱等。

      本文通過引進DOET5NROV系統及M900型圖像聲納,構建了內外業一體化化的測量型水下成像系統,可實現自主導航、智能識別、圖像采集及處理,并在某大型水利樞紐工程消力池底板、導墻混凝土等多項水下構筑物表觀完整性檢查、上游閘門工作狀態巡檢等方面實現了示范應用。

      1系統概況

      1.1DOET5NROV系統DOET5NROV系統是一套高性能的可實現自主導航的測量型水下成像系統,包括ROV主機、地面控制系統兩部分。其中,ROV主機標準配置深度計、姿態傳感器、高清水下攝像頭、水下照明、推進器等部件,采用框架結構,結實可靠;地面控制系統包括控制系統、電源控制箱等部件。

      1.2M900型圖像聲納M900型圖像聲納是目前市場上應用最為廣泛的高性能的水下二維多波束圖像聲納系統,適合水下環境調查和檢查。無論在狹窄還是寬廣區域搜索,都能得到清晰流暢的目標聲學圖像。水下檢測時可視范圍100m,視角130°。

      1.3系統作業流程檢測作業時使用圖像聲吶M900進行水下導航,確認ROV在水下的位置,使用M900觀察ROV相對于水下構筑物的的相對位置進行水下定位,并根據現場水質能見度進行測線間距布設,以確保測線可以覆蓋所有的檢測面。

      2檢測區概況

      為保證某大型水利樞紐安全運行,對樞紐大壩下游的消力池區域的相關構筑物進行完整性檢測。消力池共分為左區、中區、右區3個區域,左區和中區導墻長度分別約為175m,右區導墻長度約為195m,消力池水深約為17m,總寬度約467m。

      2.1主要檢測內容

      對消力池底板、兩側導墻和壩前閘門閘墩進行視頻檢測,并通過視頻查明消力池底板、導墻和閘墩混凝土表觀完整性,同時使用ROV對上游閘門進行檢測。包括23#~32#閘門間區域樁墩檢測、右區海曼底板全覆蓋檢測、右區導墻全覆蓋檢測、中間導流墻全覆蓋檢測、中區海曼底板全覆蓋檢測、中區左側導流墻全覆蓋檢測。

      2.2基本檢測要求

      (1)檢測消力池和海漫底板、導墻結構沖刷破損情況,查明破損、露筋、骨料裸露等缺陷位置、性狀等,檢查泄洪閘閘室、檢修門槽,閘門等的現狀情況。(2)對檢測中發現的缺陷進行編號,列表對各缺陷位置、規模(長度、寬度、深度)、性狀(破損、露筋、骨料裸露)等進行描述,同時繪制缺陷平面圖,并提供相關照片,(3)做好水下檢測資料剪輯及成果報告編制,建立相應的基礎數據庫和數字化成果,形成檢測成果報告等。

      3關鍵技術措施

      3.1測線布設

      水下機器人進行檢測工作時,沿水下機器人面向檢測面的法線方向依次布置測線,測線布設寬度依水質能見度為依據,確保視頻可以覆蓋所有需檢測的混凝土面,本項目測線間距設置為2m。

      3.2智能控制

      水下機器人(ROV)通過連接臍帶提供動力來進行操縱和控制,通過水下高清攝像、圖像聲吶等專用設備進行觀察,提供缺陷影像資料。檢測作業時使用圖像聲吶M900進行水下導航,確認ROV在水下的位置,沿計劃檢測線進行水下構筑物的視頻檢測,并同步視頻錄像、對焦拍照、水深記錄智能化操作,當發現混凝土缺陷,通過視頻、圖像信號估計缺陷尺寸并記錄,然后繼續本條測線的檢查作業,依次循環,直至完成所有計劃檢測工作。

      3.3影像解析

      水下構筑物的缺陷一般包括:粗料暴露、掏蝕、水下蓋板缺失、墩體破損等,這些缺陷在檢測獲取的影像中都會得到相應的體現。在水下機器人獲取的影像的基礎上,根據現場標注分析缺陷的位置與尺寸,生成缺陷位置圖,及相關成果報告。

      4檢測成果分析

      4.1檢測成果

      通過對23#~32#閘門間區域樁墩檢測、右區海曼底板全覆蓋檢測、右區導墻全覆蓋檢測、中間導流墻全覆蓋檢測、中區海曼底板全覆蓋檢測以及中區左側導流墻全覆蓋檢測,共發現缺陷33處,未發現對工程整體安全運行有嚴重影響的重大缺陷。

      4.2總體分析

      (1)壩前閘門只發現一處較為嚴重樁墩底板脫落,位于0+816.3~0+832.3,軸0+043.0~軸0+045.0處30#右岸面墩體,尺寸達到長1m、寬0.8m、深0.5m,其他均為沖刷導致的輕微缺陷,對大壩及泄洪消能設施整體安全運行無嚴重影響,但也需長期跟蹤觀測。(2)消力池導墻墻面未發現影響大壩及泄洪消能設施整體安全運行的異常情況,但仍存在局部沖刷缺陷,需長期跟蹤觀測。(3)消力池海曼底板未發現影響大壩及泄洪消能設施整體安全運行的異常情況,但仍存在局部沖刷、導流墻區域存在大量樹枝、生活垃圾、地勢較低區域存在大面積淤泥等輕微缺陷需進行處理并長期跟蹤觀測。

      5結語

      水下機器人可代替人工在水下長時間作業,能提供實時視頻、聲吶圖像,在水下構筑物檢測方面具有獨特的優勢。實際作業中,由于受水下能見度影響,對于檢測面特別是不規則檢測面的全覆蓋技術仍需進一步探討。下一步,可考慮與多波束水下掃描系統集成應用,利用多波束水下掃描系統獲得的影像,進行更精細化的檢測線布設,以期達到更理想的檢測效果。

      參考文獻

      [1]劉志明,湯洪潔.病險水庫主要問題及除險策略[J].水利規劃與設計,2021(5):1-4,57.

      [2]李冰.基于超聲檢測信息技術的損傷管道完整性評估[J].水利技術監督,2021(2):35-38,141.

      [3]李斌,金利軍,洪佳,等.三維成像聲納技術在水下結構探測中的應用[J].水資源與水工程學報,2015(3):184-188.

      [4]戴林軍,郝曉偉,吳靜,等.基于三維成像聲吶技術的水下結構探測新方法[J].浙江水利科技,2013(15):62-65.

      [5]郭樹華,張震三維聲吶系統在水工建筑物水下結構檢測中的應用[J].陜西水利,2020(4):12-14.

      作者:沈清華,楊青,朱長富

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