多元协同探测技术在水电工程中的应用

熊小虎，柯 虎，付彦伟，江德军，高志良

(1.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610000；2.国电大渡河枕头坝发电有限公司，四川 乐山 614700)

0 引 言

水工建筑物是大坝安全管控的重要组成部分，水工建筑物正常发挥其结构设计功能是大坝长期安全稳定运行的关键。大坝建成蓄水后，水下构筑物即常年处于水下，水流环境复杂，经过一段时间的运行，会出现不同程度的淤积、材质劣化、功能降低等现象[1]，且缺陷具有发现难、处理难、突发性强，引起的后果严重等特点，对其的检测具有较大的难度[2]。

目前，国内外主流的水工建筑物异常情况水下检测，多采用人工探摸、录像或者单点声呐[3]的方式，人工下潜方法成本大、周期长、作业深度有限(多在60 m水深内，部分在100 m水深范围)[4]，检测结果依赖于潜水员的业务素质，且存在一定的人身安全风险，局限性较大；单点声呐采用断面测量方式，实测断面位置受水流、GPS定位精度和稳定情况等因素影响，实测过程中工作船很难沿计划测线实施测量，且单点测深精度容易受到测深探头姿态和仪器自身精度影响，较难全面准确掌握水下形态或地形。本文以深溪沟水电站消力池缺陷水下检测为依托，基于“面积性普查、局部性详查、多手段精查”的技术思路，协同运用多波束测深系统、侧扫声呐等水下声呐技术和水下高清连续摄像、二维图像声呐及三维声呐等水下无人潜航器技术，对水下缺陷或淤积的三维空间形态精确量化，客观反映缺陷或淤积的表观影像，并辅以潜水员水下探摸，多种检测手段相互配合、支撑、印证，直观、准确、定量地查明了泄洪闸消力池的运行现状，为水电工程大坝安全管理、水库调度优化、缺陷修补方案精准制定提供了可靠、可溯源的技术支撑，可供类似工程水下检测参考和借鉴。

1 探测技术体系及原理

多波束声呐和侧扫声呐均可有效获取水底地形与地貌图像，多波束声呐可以全面了解探测区水底地形的起伏情况，但无法观察或直观地判读水底情况，侧扫声呐可以获取高分辨率水底影像但位置精度较低；水下无人潜航器可观察或探测水下局部情况，但无法全面、高效地了解整个他测区的水底环境[5]。因此，通过联合采用多波束探测系统、侧扫声呐探测技术、水下无人潜航器等多元探测技术，协同运用“面积性普查、局部性详查、多手段精查”的检测思路，多种检测手段相互配合、支撑、印证，可对水下缺陷或淤积的三维空间形态精确量化，客观反映缺陷或淤积的表观影像，直观、准确、定量地查明水电工程水下构筑物的运行现状。多元协同探测体系技术构架见图1。

图1 多元协同探测体系技术构架

1.1 多波束探测技术

多波束测深系统也称声纳阵列测深系统，是一种用于水下地形地貌测量及水工建筑物水下缺陷量化分析的大型组合设备。多波束声呐系统以一定的频率发射多个波束，波束具有沿航迹方向开角窄而垂直航迹方向开角宽的特点，多个波束形成扇形声波束探测区。单个发射波束与接收波束的交叉区域称为脚印，发射与接受循环称为声脉冲[6]。根据各个角度的声波到达时间或相位即可测量出每个波束对应点的水深值，若干个测量周期组合就形成了带状水深图。

1.2 侧扫声呐探测技术

侧扫声呐是一种主动式声纳，利用声波反射原理获取回声信号图像，根据回声信号图像分析水底地貌和障碍物，识别水底沉积物类型等。侧扫声呐在实际应用中主要是过信号处理装置发送信号，驱动发射装置形成脉冲，这一脉冲信号在水平方向比较窄，但是在水平角度却相对比较宽。在接收信号的过程中，会在不同的接收阵上设计出不同的信号接收装置，通过进行相应的处理，可以获得回声信号，最终通过处理装置可以获得图像信息[7]。

1.3 水下无人潜航器检测技术

水下无人潜航器检测技术为水下无人潜航器搭载检测设备的技术统称。水下无人潜航器(简称“ROV”)采用可重组的开放式框架结构、数字传输技术、电力驱动技术，是一种全天候水下作业平台。可搭载高清摄像头、三维扫描声呐、二维图像声呐、ROV姿态、深度传感器等设备在其驱动功率和有效载荷允许范围内，可针对不同的水下任务，配置不同的外置仪器设备、作业工具等，准确、高效地完成各种水下调查、水下干预、勘探、观测与取样等多个领域工作。水下无人潜航器系统主要包括ROV潜器单元、地面控制单元、通讯供电单元3部分。

2 应用实例

2.1 工程概况

大渡河深溪沟水电站位于四川省汉源县境内，其上接瀑布沟水电站，下接枕头坝水电站，电站坝址处公路里程上距乌斯河镇10 km。水库正常蓄水位660.00 m，正常蓄水位以下库容3 200万m3，库水位年变化5 m左右，库容较小，为上游瀑布沟水库反调节水库，调节库容800万m3，具有日调节性能。电站共安装4台单机容量165 MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量660 MW。枢纽工程主要建筑物沿坝轴线方向自左至右依次布置左岸接头坝、3孔泄洪闸、1孔排污闸、厂房坝段(4台机组)、右岸接头坝、窑洞式安装间和2条泄洪冲沙洞，坝顶高程662.50 m，厂房坝段最大坝高106.0 m(含回填混凝土)，泄洪闸最大闸高49.5 m，坝顶全长222.5 m。泄洪冲沙洞由塔式进水口、洞身和出口段组成。

2.2 检测技术思路与方式

(1)采用多波束检查技术和侧扫声呐检查技术对消力池进行全覆盖检查，获取水下结构三维数字化资料，分析混凝土结构表观缺陷的空间分布情况以及规模，并划分出重点缺陷以及存在疑问的部位。

(2)以多波束以及水下三维声呐的实测成果为基础，使用水下无人潜器搭载二维图像声呐、水下高清光学摄像设备对已发现的重要缺陷以及存在疑问的部位逐一进行详查，进一步分析缺陷的类型、空间分布情况以及规模。

(3)采用潜水员水下探摸对本已发现的重要缺陷进行验证检查，与其他检查技术的检查成果进行对比验证。

(4)综合多种水下检查技术的实测成果，统计并分析混凝土缺陷的现状，包含缺陷的类型、规模及空间分布情况，以及较前期检查资料的发展变化情况，为后续工作部署提供依据。

2.3 检测成果分析

2.3.1消力池检测成果

2.3.1.1 缺陷基本情况

消力池探测范围内，左侧导墙、右侧导墙、消力坎及尾坎未见明显大规模混凝土缺陷，左侧导墙与护坦之间、右侧导墙与护坦之间接缝良好，但在消力池护坦、消力坎背水面与海漫护坦接触范围、海漫护坦发现3处具有一定规模的缺陷，多波束水下检测成果见图2。

图2 深溪沟消力池多波束检查异常区分布

2.3.1.2 缺陷解译与分析

①、②、③号缺陷以①号缺陷范围最大且位于消力池的正中间，最为典型，以下针对①号缺陷进行具体分析。

(1)①号缺陷现状。①号缺陷为长33.7 m(顺水流方向)、宽30 m(左右岸方向)、深0.5 m的混凝土凹陷，体积为405 m3，多波束实测成果见图3，侧扫声呐实测成果见图4，二维图像声呐实测成果见图5，ROV水下摄像成果见图6，从ROV水下摄像成果可知凹陷边缘呈现陡坎状，局部有钢筋出露。

图3 ①号缺陷多波束成果

图4 ①号缺陷侧扫声呐成果

图5 ①号缺陷二维图像声呐成果

图6 ①号缺陷ROV水下摄像成果

(2)①号缺陷变化情况。将2018年多波束数据与2017年进行差异分析，①号缺陷掏蚀边缘有扩大的趋势，差异分析成果见图7。从图7可知，①号缺陷上游侧掏蚀往上游稍有扩大，往下游侧扩大较明显，边缘新掏蚀的最大深度约20 cm，下游侧往下游方向掏蚀最大宽度约3 m。此外，①号缺陷其他部位的掏蚀深度基本不变，①号缺陷掏蚀面积扩大了约79 m2，掏蚀方量扩大了约5 m3。

图7 2018年与2017年差异成果

(3)①号缺陷潜水员水下探摸验证检查。潜水员携带水下摄像机、钢卷尺、水深表对消力池护坦凹陷进行验证检查，在探摸路线首尾点用钢卷尺直接量测凹陷的深度，沿路线探摸过程中用水深表读取凹陷底部深度，通过实时水位高程换算量测点的高程，探摸路线潜水员量测凹陷高程值与多波束实测高程值对比曲线见图8。

图8 Q2探摸路线多波束实测成果与潜水探摸成果对比

综合分析潜水探摸路线和最深点潜水探摸成果可知：潜水员水下探摸缺陷①的凹陷深度与多波束检查成果得出的缺陷①凹陷深度吻合较好；潜水员水下摄像发现缺陷①内部大量钢筋出露，与ROV水下摄像成果相一致。

2.3.2多波束检查成果精度分析

多波束对消力池范围进行了全覆盖扫描，潜水员水下探摸按照规划的5条路线进行水下探摸量测，对两种方法实测的护坦底板凹陷高程及误差统计分析可知，多波束实测高程和潜水员实测高程存在一定的误差，多波束与潜水员实测中误差为0.034 m，两种方法实测高程高度吻合。潜水员水下探摸检查有效验证了多波束检查技术、ROV检查技术等方法探测成果的可靠性。

2.4 抽干实测情况

2019年，消力池内积水抽干进行修复，多年运行冲刷形成的冲坑完全显现，修复前对冲坑进行了测量，并绘制了地形图。消力池冲坑多波束探测与抽干实测数据对比结果见表1。从表1可知，冲坑最大长度、最大宽度两种测量成果极为吻合，差异率在1%以内；冲坑最大深度、方量两种测量成果差异率稍大，但维持在8%以内，主要由于冲坑深度值较小，差异率被放大。总体来看，通过与抽干实测数据对比分析，多波束协同多元探测技术能够直观、定量地查明水下缺陷，检测结果真实客观、准确可靠，能够为缺陷修补方案精准制定提供可靠的技术支撑。

表1 消力池冲坑多波束探测与抽干实测数据对比

3 结论与建议

本文依托深溪沟水电站消力池缺陷水下检测，基于“面积性普查、局部性详查、多手段精查”的检测思路，直观、准确、定量地查明了消力池的运行现状，为水电工程大坝安全管理、水库调度优化、缺陷修补方案精准制定提供了可靠的技术支撑。主要结论及建议如下：

(1)通过多波束探测系统、侧扫声呐、水下无人潜航器等多种检测手段相互配合、支撑，互相验证，直观、定量地查明了水下缺陷运行现状(位置、尺寸及方量)，经潜水员下潜人工探摸和抽干检查验证，检测结果真实客观、准确可靠。

(2)相较传统的采用围堰抽水或潜水员下潜进行人工探摸、录像的方式，多元探测技术联合使用缩短了检测时间、节约成本、不影响机组运行，并且极大降低作业安全风险，尤其适用于重大缺陷水下检测；对于常规水下缺陷检测，可根据成本控制、检测部位及环境、检测需求等因素适当选择搭配组合检测手段。

(3)联合采用多波束探测系统、侧扫声呐、水下无人潜航器等形成了一体化检测新技术手段，建立了水工建筑物高精度、全覆盖水下三维数字化成果库，实现了水工建筑物水下缺陷精确定位与定量分析，解决了深水、浑水及动水环境下水工建筑物水下检测技术难题，突破了传统人工下潜等水下检测的技术瓶颈，成功实现了在大中型水电站水库大坝三维数字化中的集成创新应用。

(4)一体化水下检测技术可与三维激光、无人机等水上监测检测新技术相集成，融合水库大坝水上水下高精度扫描点云坐标数据和水库大坝三维模型数据，建立水电站水库大坝三维数字化与三维模型化合成动态可视化成果库，实现大坝异常区域及库区水上水下地形信息的实时动态展示和提取，准确指导水工建筑物水下缺陷修补及水库运行调度。