作者：胡海松 1，2， 张景奎 1， 姚 亮 1， 孔楠楠 1
（1.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院（安徽省水利工程质量检测中心站），安徽 蚌埠 233000；2.安徽省建筑工程质量监督检测站有限公司，安徽 合肥 230000）
【摘要】水闸是修建在河道或者沟渠中，主要起蓄水和泄洪作用的低水头水工建筑物，其水下的钢筋混凝土结构部分经过水流冲刷和水中化学元素的腐蚀，往往会有冲坑、裂缝、淤积甚至钢筋锈蚀等破坏。由于河道常年有水过流，目前大多数都是采用人工水下拍照和巡查，通过人工的拍照方式很难全面发现水闸水下结构存在的冲坑、裂缝、淤积等问题。本文主要通过水下机器人联合无人船对某水闸上下游及闸室段的水下结构进行监测，同时水下机器人及无人船在水下监测优于人工，且方便可靠，能较准确地反映水下部分存在的质量缺陷能更好的为水闸安全运行和维护提供可靠的依据。
【关键词】水闸;水下机器人;无人船;质量缺陷
水闸是水利工程中最常见的水工结构物,其主要功能是挡水和泄水，能够保证河道和沟渠正常的泄洪、灌溉等,根据规范及规程的要求,水闸首次安全鉴定应在竣工验收后5年内进行，以后应每隔10年进行1次全面安全鉴定,因此每次水闸鉴定2需对水下结构进行监测和分析。近年来水下检测技术手段也呈多样化发展，众多学者和工程人员采用不同的方式对水闸水下结构物进行巡查和监测,如张洪星等利用水下机器人和三维声呐系统在水闸水下探测渗漏位置及状况，且通过高清照相和喷墨示踪检测确定，增加了水闸常规巡查中的技术手段。许可结合实际工程案例验证了水下机器人及三维声呐技术在水闸水下检测中应用的可行性和实用性。黎周等采用微创探测及水下摄像等技术对水闸闸基变形缝位置、缝宽缝内残渣进行监测及研究，发现微创和造影技术在水利工程中应用前景。周豪等通过水下机器人系统、三维声呐、高清图像声呐多种检测技术,能够高效识别水闸水下结构部位已形成的裂缝情况且能精确地圈定缺陷的分布，较传统的人工手段更高效准确。魏净静等以某水闸为例,利用无人测量船对水闸上下游铺盖及海漫段地形进行测量,结构表面一年周期中冲坑位置基本没有变化深度增加约 0.09m,这技术手段可进一步应用于水闸及河道巡查。王兵等通过水下机器人(ROV)进行水下建筑物质量检测,结果表面 ROV 可取得详细可靠的检查结果,具有适用性广、效率高、成像清晰直观的优势。
以上研究均通过水下机器人搭载三维声呐摄像、多波束、微创技术、无人船等对水闸水下结构进行单一质量监测，本文采用水下机器人搭载三维声呐和 ioat-BSA 无人船联合监测的方法,对水闸上下游及闸室段的水下结构进行全面监测。通过对比分析监测结果，评估水闸水下结构的质量缺陷,并提出相应的维护建议。通过对比分析监测结果,评估水闸水下结构的质量缺陷,并提出相应的维护建议，进一步为水闸鉴定及常规巡查监测提供可靠的技术支撑。
1.1 工程概况
某蓄水工程一级蓄水闸位于后港河与漳河交汇口下游约 1.7km 处,设计过闸流量 450ms,属中型水闸,工程等级为3等,中型水闸,主要建筑物为3级,次要建筑物为4级。水闸共4孔,采用露顶式直支臂圆柱铰弧形钢闸门，单孔净宽15.0m总净宽 60m，水闸底槛高程为 3.0m，闸顶高程16.5~17.5m,闸室顺水流方向长 30m,闸室总宽度为 76m。
1.2 试验对比
传统的人工测量需要人工穿上水下潜水服并手持相机进行水下摸排拍照，在水闸水下复杂环境进行监测,安全隐患高、拍照不清晰、效率低且成本高;多波束利用超声波信号密集采样,进行相位测量以确定回波反射角计算水深，进行地下水深结构物的拟合，主要是对地形和结构物的形成及整体质量进行监测，相对局部质量及结构物缺陷监测不全面。而水下机器人搭载三维声呐联合iBoat-BSA 无人船,可以同时测量水下质量缺陷及验证水下结构物的淤泥程度，能更好地反映水闸水下部分质量情况。
1.3 试验步骤
首先通过水下机器人搭载三维声呐对水下结构外观进行质量监测(见图1),如水下钢筋混凝土结构破损及脱落、冲坑位置及大小、结构裂缝的开展性态等;其次通过 iBoat-BSA 无人船对水下结构淤泥及障碍物情况进行巡查(见图2);最后联合水下机器人及无人船的巡查及监测结果，综合分析水下结构质量缺陷及淤泥层厚度情况，为水闸运管维护提供可靠的数据支撑。
2.1 水下机器人外观质量巡查
外观质量巡查主要是通过水下机器人搭载三维声呐进行全覆盖扫描，扫描范围主要为上游护坦、闸室段、下游消力池、海漫部位。通过声呐扫描结合设计图纸及运行管理单位的常规调度运行可发现,整个水闸上下游及闸室段除 3# 孔右侧闸墩检修门槽处底板局部破损，其余混凝土结构未见明显损坏,且两岸淤积程度较中间大,相对河道中间经常过流,淤积较少:水闸通常开启中间两孔以实现泄水和蓄水功能，这恰好解释了为何中间3#闸孔的淤积情况少于边孔,且冲刷程度更为显著。在消力池和海漫交界处有个抬高段，此处淤积程度较大，主要原因是过流冲刷的杂物及泥沙推积无法流走。 监测结果见表 1 和图 3～10。
2.2 iBoat-BSA 无人船水下淤泥巡查
利用无人船对水闸上游铺盖、消力池、海漫等部位的底高程进行测量，测量过程中使用的控制点高程都是通过查设计图纸获得。上、下游断面共计检测5处，其中上游河道断面底高程从左岸至右岸范围为 3.12~3.77m,均值为 3.36m,上游护坦断面底高程从左岸至右岸范围为3.09~3.48m,均值为 3.24m;消力池断面底高程从左岸至右岸范围为 1.50~2.10m,均值为 1.65m;海漫断面底高程从左岸至右岸范围为 2.97~3.67m，均值为 3.20m;防冲槽断面底高程从左岸至右岸范围为2.60~3.22m,均值为 2.93m。河道断面监测结果见表 2。
根据表2可知，整体上下游河道5处断面普遍存在左、右两岸两岸淤积严重的情况,中间河道出现轻度淤积，其中上游河道断面存在中度淤积(淤积厚度约 0.12~0.77m)，上游护坦断面存在轻度淤积(淤积厚度约 0.09~0.48m)消力池断面存在中度淤积(淤积厚度约 0~0.60m),海漫断面中间段局部有冲刷，其他部位淤积厚度约0~0.67m,防冲槽断面存在中度淤积(淤积厚度约 0.1~0.72m)。
2.3 水下结构整体质量缺陷分析
（1）整体上，水下机器人巡查不仅可以直观地看到水闸水下结构物的质量情况，还能反映水闸上、下游及闸室段的淤积和堆积情况:而无人船是从整体巡查的水下高程及水深，通过对比设计值分析得出具体淤积和堆积物情况。
(2)本文巡查监测的水闸水下结构主要存在三方面质量缺陷,第一是 3# 孔右侧闸墩检修门槽处底板局部破损，需要在下次水闸整体维修养护时进行观测修复:第二是中间闸门经常性开启，两岸开启较少，水流在过流冲刷时会将部分泥沙及堆积物带到两岸,两岸开闸较少,水流流速较小泥沙很难被冲刷带走,导致上、下游及闸室两侧严看到水闸水下结构物的质量情况，还能反映水闸上、下游及闸室段的淤积和堆积情况;而无人船是从整体巡查的水下高程及水深，通过对比设计值分析得出具体淤积和堆积物情况。
(2)本文巡查监测的水闸水下结构主要存在三方面质量缺陷,第一是 3# 孔右侧闸墩检修门槽处底板局部破损，需要在下次水闸整体维修养护时进行观测修复:第二是中间闸门经常性开启，两岸开启较少，水流在过流冲刷时会将部分泥沙及堆积物带到两岸,两岸开闸较少,水流流速较小泥沙很难被冲刷带走,导致上、下游及闸室两侧严重沉积。 第三是在闸门拐角、消力池和海漫交界处易有淤积和堆积物沉淀， 主要由于拐角泥沙难以被流速侧向冲刷带走， 且在交界处混凝土结构物底板不在一个高程。
(1)目前,水下机器人及iBoat-BSA 无人船联合在南陵一级蓄水闸、山西庄闸、新开沱河闸、复新河闸、茨河铺闸等水闸鉴定工作中都得到了广泛的应用,且监测结果较好。通过此方法对水闸巡查和监测，相较于单一方面巡查监测水下结构物质量缺陷更加全面、直观,且比传统人工水下摸排及拍照更加安全可靠、高效精准、直观全面。
(3)通过水下机器人和 ioat-BSA 无人船的联合巡查与监测数据， 运管单位在后期进行闸门调度运行时，需要适时地间隔开启左、右两岸的闸门以防止淤积在两岸沉积。
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