水下机器人在锦屏二级水电站进水口泥沙淤积清理中的应用

　　摘要：锦屏二级水电站进水口工程布置在凹岸，因江水在此处流速条件变化，导致汛期泥沙淤积。大量泥沙在引水隧洞充水发电时可能对水轮机叶片造成损伤，同时尾水出口的淤积也将抬高尾水位，降低电站有效出力。为避免上述情况的出现，有必要在电站充水发电前对进水口及尾水出口部位的泥沙淤积进行彻底清理。由于进水口拦污栅后方空间狭小，且在拦污栅与引水隧洞事故闸门之间尚有100m长的引水隧洞段，传统的潜水员等方式摸排清淤无法满足要求。因此，该工程在清淤过程中率先采用了目前尚处于试验阶段的国产水下蛟龙ARV(Autonomous& Remotely-operated Vehicle)机器人对进水口淤积情况进行了摸排，并取得了良好效果。

　　关键词：电站进水口,ARV水下机器人,泥沙淤积

　　1.引言

　　1.1工程概况

　　锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州境内的雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上。首部枢纽由拦河闸坝、电站进水口等建筑物组成，拦河闸坝、电站进水口采用分离式布置。

　　雅砻江汛期江水携沙能力强，进水口工程处于凹岸的低流速区，极易造成悬移质泥沙的沉积。经实测统计，在施工期间，进水口工程的过水围堰经过一个汛期淹没过流，范围内(含隧洞，下同)沉积悬移质泥沙总计约5~6万m3，沉积物质主要以悬移质为主，基坑平均淤积厚度3~4m，最大淤积厚度超过6m，隧洞内淤积平均2~3m。在工程完工后，首台机组发电至河道冲淤平衡前不能排除尾水出口基坑内的局部低流速区形成泥沙淤积的现象，直接影响电站出力和电站运行安全。为此，有必要对进水口拦污栅体及引水隧洞闸门前段部位实施清理作业。

　　1.2 ARV水下机器人

　　ARV是一种集合自治水下机器人(AUV)和遥控水下机器人(ROV)特点于一身的新概念潜水器。[1]它综合了前两者的优点，既可以像AUV一样依靠预设指令进行自主巡航来完成大范围的搜索探测任务。又可以像ROV一样，通过水面遥控完成精细作业。其显著的特点可自带电源，并用微细电缆取代传统的脐带电缆，使得水下机器人更具长距离、大深度、实时操作、机动灵活和高可靠性。[2]目前，我国ARV已经发展到了第三代，可在深海的复杂环境中完成油气田的探测、安全检测，并应用于极地海洋科研考察。[3][4][5] 并尝试在更大的范围中推广应用。此次，锦屏二级水电站项目首次使用了ARV水下机器人进行进水口泥沙淤积清理工作。

　　2、ARV水下机器人在淤积检查中的应用

　　2.1工作内容

　　本次工作内容主要包括淤泥的测量、洞顶和壁面的观察以及闸门的拍摄。

　　2.2设备参数

　　设备尺寸：～1200mm(L)，～550mm(W)，～250mm(H)

　　最大工作深度：150 m

　　空气中重量：不大于 90Kg

　　航速：最大 3.0Kn，巡航1.5Kn

　　工作时间：不小于 4 h(巡航1.5Kn 时)

　　固定搭载设备：彩色高清摄像机/水下照明灯、成像声纳、电动机械手

　　2.3作业过程

　　2.3.1下水准备

　　ARV从靠近1#引水隧洞的2#备用栅槽利用25t汽车吊放到达水面的浮体上面，操作人员依次从现场平台利用吊篮到达水面作业位置。在进行通电检查正常后下水，开始第一次试验。现场水质非常混浊，伸手在ARV摄像机前面进行示意，估计能见度在0.2米以内。

　　2.3.2 1#引水隧洞检查作业

　　按照之前初步了解的情况，ARV下水后原地下潜到13米深度。之后开启成像声纳，在屏幕上搜索1#洞口。声纳探测距离设定为10米。保持艏向，匀速前进，从ARV水下自主推算的轨迹可以明显看出有一个侧向移动的趋势。调整艏向后顺利进入洞口。

　　当ARV到达隧洞闸门附近时，准确推算并绘制其距离下水点的航迹。如图1所示，纵向两条白色亮线为两侧洞壁，两条白的亮线中间垂直的亮线即为1#隧洞闸门。

　　ARV抵近闸门后，试图利用高清摄像机进行摄像。但是前面的机械手抵近闸门时摄像机与闸门的距离超过0.4米，由于水质条件混浊，无法正常识别前方情况，故无法获得清晰的拍摄效果。此后ARV开始掉头，向洞外行进。

　　2.3.3 ARV回收

　　ARV出洞后根据声纳成像返回下水点，工作人员回收设备。

　　2.4 淤泥厚度测量原理

　　ARV测量淤泥厚度的原理如下图2所示。ARV测量数据包括离水面的深度z(通过压力传感器进行测量)和距离底部高度h(通过高度计测量)。已知顶部水位WL1和底部水位WL0，ARV底部淤泥厚度t的测量公式如下式(1)。

　　T=WL1-WL0-z-h (1)

　　2.5 测量结果

　　结果显示，1#引水隧洞洞口5米平均淤泥厚度达到了5.4米，里面则比较平缓，平均厚度4.2米，淤泥占整个洞容积的38%以上。

　　ARV从洞内返回时，在离洞口7米附近从声纳图像看到有一个淤泥堆积上升段，与测量数据吻合。此时ARV定深12.85米，离地高度3.6米。ARV原地坐底后的深度为16.41米，与深度+高度值基本吻合，测量结果可信。

　　3.小结

　　在这次调查任务中，ARV体现了关键性的技术特点：⑴江水非常混浊，能见度只有0.2米左右，ARV的成像声纳能够在远距离准确地绘出周围拦污栅和洞口声学图像，快速、准确进入洞口。进洞后声纳也能准确绘出两边洞壁和底部淤泥图像，帮助操作人员在洞内探查;⑵ARV具有最大3节的抗流能力，能够克服水流作用顺利进入洞内，ARV在水下作业时也证实了洞外与拦污栅之间确实有水流干扰;⑶ARV具备水下自主定位能力，在洞内常规的GPS和超短基线定位等方式都无法工作，这对于准确绘制淤泥在洞内的分布非常有用;⑷ARV配备了水下机械手，可以进行淤泥取样和简单的表面清理;⑸ARV同时配备了两套摄像系统，一个适合水质较好远距离拍摄，一个适合浑水近距离拍摄，这对于混浊水质下拍摄隧洞表面和闸门情况起到了关键性作用。通过水下机器人检查，工程人员能够较为方便的摸清洞内的淤积情况，为后续的处理方案提供翔实可靠的数据，也为今后类似工程提供了可以借鉴的经验。

　　参考文献：

　　[1] 王璇刘涛高波，基于复合型水下机器人的深海作业技术研究，第三届亚太地区潜水与水下技术论坛[C] , 张延猛,石中瑗,薛利群等，海洋出版社, 2008年6月234-237.

　　[2] 王磊，杨申申，徐鹏飞等，一种新型水下机器人的研究与开发[J]，中国造船 2012年3月，51卷第一期(总第189期)123-130.

　　[3] Yiping Li,Shuo Li, Aiqun Zhang, Recent Research and Development of ARV in SIA， six international symposium on underwater technology UT2009 wuxi china[C]， April 2009 87-90.

　　[4] 燕奎臣俞建成张奇峰,深水油气开发中的水下机器人,自动化博览 [J] 2005 22(5)85-88.

　　[5] 李智刚张艾群俞建成,水下机器人在极地科学考察中的应用, 极地研究[J] 2004 16(2)135-144.

　　本文选自《机械工程师》。《机械工程师》杂志创刊于1969年，系国内外公开发行的大型综合性科技期刊，它是一份深具新闻价值、工具价值、决策参考价值、投资指南价值、管理借鉴价值、潮流引导价值的中国制造业主流期刊。曾用刊名：黑龙江机械。