水下機器人在錦屏二級水電站進水口泥沙淤積清理中的應(yīng)用

1、<p>　　水下機器人在錦屏二級水電站進水口泥沙淤積清理中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：錦屏二級水電站進水口工程布置在凹岸，因江水在此處流速條件變化，導(dǎo)致汛期泥沙淤積。大量泥沙在引水隧洞充水發(fā)電時可能對水輪機葉片造成損傷，同時尾水出口的淤積也將抬高尾水位，降低電站有效出力。為避免上述情況的出現(xiàn)，有必要在電站充水發(fā)電前對進水口及尾水出口部位的泥沙淤積進行徹底清理。由于進水口攔污柵后方空間狹小，且在攔污

2、柵與引水隧洞事故閘門之間尚有100m長的引水隧洞段，傳統(tǒng)的潛水員等方式摸排清淤無法滿足要求。因此，該工程在清淤過程中率先采用了目前尚處于試驗階段的國產(chǎn)水下蛟龍ARV（Autonomous& Remotely-operated Vehicle）機器人對進水口淤積情況進行了摸排，并取得了良好效果。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：電站進水口； ARV水下機器人；泥沙淤積[作者簡介：王媛 (1980―)，女，講師

3、，碩士，工程管理及相關(guān)領(lǐng)域的研究．] </p><p>　　Abstract: The Jinping two stage hydropower station water inlets arranged in the concave bank project, because the water flow conditions change in this place, resulting in flood s

4、iltation. Large amount of sediment in water diversion tunnel water filling power may on turbine blade damage, while the tail water outlet of siltation will also raise tail water level, reduces the effective output power.

5、 Therefore, the project of the dredging process took the lead in using is still in an experimental pha</p><p>　　Key words: hydropower station inlet; ARV underwater robot; sedimentation </p><p>　

6、　中圖分類號：TM622 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　1.引言 </b></p><p><b>　　1.1工程概況 </b></p><p>　　錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)的雅礱江錦屏大河彎處雅礱江干流上。首部樞紐由攔河閘壩、電站進水口等建筑物組成，攔河閘壩、電站進水口采用分

7、離式布置。 </p><p>　　雅礱江汛期江水?dāng)y沙能力強，進水口工程處于凹岸的低流速區(qū)，極易造成懸移質(zhì)泥沙的沉積。經(jīng)實測統(tǒng)計，在施工期間，進水口工程的過水圍堰經(jīng)過一個汛期淹沒過流，范圍內(nèi)（含隧洞，下同）沉積懸移質(zhì)泥沙總計約5~6萬m3，沉積物質(zhì)主要以懸移質(zhì)為主，基坑平均淤積厚度3~4m，最大淤積厚度超過6m，隧洞內(nèi)淤積平均2~3m。在工程完工后，首臺機組發(fā)電至河道沖淤平衡前不能排除尾水出口基坑內(nèi)的局部低流速區(qū)形

8、成泥沙淤積的現(xiàn)象，直接影響電站出力和電站運行安全。為此，有必要對進水口攔污柵體及引水隧洞閘門前段部位實施清理作業(yè)。 </p><p>　　1.2 ARV水下機器人 </p><p>　　ARV是一種集合自治水下機器人（AUV）和遙控水下機器人（ROV）特點于一身的新概念潛水器。[1]它綜合了前兩者的優(yōu)點，既可以像AUV一樣依靠預(yù)設(shè)指令進行自主巡航來完成大范圍的搜索探測任務(wù)。又可以像ROV一

9、樣，通過水面遙控完成精細(xì)作業(yè)。其顯著的特點可自帶電源，并用微細(xì)電纜取代傳統(tǒng)的臍帶電纜，使得水下機器人更具長距離、大深度、實時操作、機動靈活和高可靠性。[2]目前，我國ARV已經(jīng)發(fā)展到了第三代，可在深海的復(fù)雜環(huán)境中完成油氣田的探測、安全檢測，并應(yīng)用于極地海洋科研考察。[3][4][5] 并嘗試在更大的范圍中推廣應(yīng)用。此次，錦屏二級水電站項目首次使用了ARV水下機器人進行進水口泥沙淤積清理工作。 </p><p>　

10、　2、ARV水下機器人在淤積檢查中的應(yīng)用 </p><p><b>　　2.1工作內(nèi)容 </b></p><p>　　本次工作內(nèi)容主要包括淤泥的測量、洞頂和壁面的觀察以及閘門的拍攝。 </p><p><b>　　2.2設(shè)備參數(shù) </b></p><p>　　設(shè)備尺寸：～1200mm(L)，～550

11、mm(W)，～250mm(H) </p><p>　　最大工作深度：150 m </p><p>　　空氣中重量：不大于 90Kg </p><p>　　航速：最大 3.0Kn，巡航1.5Kn </p><p>　　工作時間：不小于 4 h（巡航1.5Kn 時） </p><p>　　固定搭載設(shè)備：彩色高清攝像機/水下

12、照明燈、成像聲納、電動機械手 </p><p><b>　　2.3作業(yè)過程 </b></p><p>　　2.3.1下水準(zhǔn)備 </p><p>　　ARV從靠近1#引水隧洞的2#備用柵槽利用25t汽車吊放到達(dá)水面的浮體上面，操作人員依次從現(xiàn)場平臺利用吊籃到達(dá)水面作業(yè)位置。在進行通電檢查正常后下水，開始第一次試驗。現(xiàn)場水質(zhì)非常混濁，伸手在ARV攝

13、像機前面進行示意，估計能見度在0.2米以內(nèi)。 </p><p>　　2.3.21#引水隧洞檢查作業(yè) </p><p>　　按照之前初步了解的情況，ARV下水后原地下潛到13米深度。之后開啟成像聲納，在屏幕上搜索1#洞口。聲納探測距離設(shè)定為10米。保持艏向，勻速前進，從ARV水下自主推算的軌跡可以明顯看出有一個側(cè)向移動的趨勢。調(diào)整艏向后順利進入洞口。 </p><p>

14、;　　當(dāng)ARV到達(dá)隧洞閘門附近時，準(zhǔn)確推算并繪制其距離下水點的航跡。如圖1所示，縱向兩條白色亮線為兩側(cè)洞壁，兩條白的亮線中間垂直的亮線即為1#隧洞閘門。 </p><p>　　圖1 ARV發(fā)現(xiàn)隧洞閘門 </p><p>　　ARV抵近閘門后，試圖利用高清攝像機進行攝像。但是前面的機械手抵近閘門時攝像機與閘門的距離超過0.4米，由于水質(zhì)條件混濁，無法正常識別前方情況，故無法獲得清晰的拍攝效果

15、。此后ARV開始掉頭，向洞外行進。 </p><p>　　2.3.3 ARV回收 </p><p>　　ARV出洞后根據(jù)聲納成像返回下水點，工作人員回收設(shè)備。 </p><p>　　2.4 淤泥厚度測量原理 </p><p>　　ARV測量淤泥厚度的原理如下圖2所示。ARV測量數(shù)據(jù)包括離水面的深度z（通過壓力傳感器進行測量）和距離底部高度h（

16、通過高度計測量）。已知頂部水位WL1和底部水位WL0，ARV底部淤泥厚度t的測量公式如下式（1）。 </p><p>　　T=WL1-WL0-z-h（1） </p><p>　　圖2 ARV測量淤泥厚度的原理 </p><p><b>　　2.5 測量結(jié)果 </b></p><p>　　結(jié)果顯示，1#引水隧洞洞口5米平均

17、淤泥厚度達(dá)到了5.4米，里面則比較平緩，平均厚度4.2米，淤泥占整個洞容積的38%以上。 </p><p>　　ARV從洞內(nèi)返回時，在離洞口7米附近從聲納圖像看到有一個淤泥堆積上升段，與測量數(shù)據(jù)吻合。此時ARV定深12.85米，離地高度3.6米。ARV原地坐底后的深度為16.41米，與深度+高度值基本吻合，測量結(jié)果可信。 </p><p><b>　　3.小結(jié) </b>

18、;</p><p>　　在這次調(diào)查任務(wù)中，ARV體現(xiàn)了關(guān)鍵性的技術(shù)特點：⑴江水非?；鞚?，能見度只有0.2米左右，ARV的成像聲納能夠在遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確地繪出周圍攔污柵和洞口聲學(xué)圖像，快速、準(zhǔn)確進入洞口。進洞后聲納也能準(zhǔn)確繪出兩邊洞壁和底部淤泥圖像，幫助操作人員在洞內(nèi)探查；⑵ARV具有最大3節(jié)的抗流能力，能夠克服水流作用順利進入洞內(nèi)，ARV在水下作業(yè)時也證實了洞外與攔污柵之間確實有水流干擾；⑶ARV具備水下自主定位能力，

19、在洞內(nèi)常規(guī)的GPS和超短基線定位等方式都無法工作，這對于準(zhǔn)確繪制淤泥在洞內(nèi)的分布非常有用；⑷ARV配備了水下機械手，可以進行淤泥取樣和簡單的表面清理；⑸ARV同時配備了兩套攝像系統(tǒng)，一個適合水質(zhì)較好遠(yuǎn)距離拍攝，一個適合渾水近距離拍攝，這對于混濁水質(zhì)下拍攝隧洞表面和閘門情況起到了關(guān)鍵性作用。通過水下機器人檢查，工程人員能夠較為方便的摸清洞內(nèi)的淤積情況，為后續(xù)的處理方案提供翔實可靠的數(shù)據(jù)，也為今后類似工程提供了可以借鑒的經(jīng)驗。 </p

20、><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 王璇 劉濤 高波，基于復(fù)合型水下機器人的深海作業(yè)技術(shù)研究，第三屆亞太地區(qū)潛水與水下技術(shù)論壇[C] , 張延猛,石中瑗,薛利群等，海洋出版社, 2008年6月234-237. </p><p>　　[2] 王磊，楊申申，徐鵬飛等， 一種新型水下機器人的研究與開發(fā)[J]，中國造船

21、2012年3月，51卷第一期（總第189期）123-130. </p><p>　　[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 20