摘要：錦屏二級(jí)水電站進(jìn)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(shí)可能對(duì)水輪機(jī)葉片造成損傷，同時(shí)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(duì)進(jìn)水口及尾水出口部位的泥沙淤積進(jìn)行徹底清理。由于進(jìn)水口攔污柵后方空間狹小，且在攔污柵與引水隧洞事故閘門(mén)之間尚有100m長(zhǎng)的引水隧洞段，傳統(tǒng)的潛水員等方式摸排清淤無(wú)法滿足要求。因此，該工程在清淤過(guò)程中率先采用了目前尚處于試驗(yàn)階段的國(guó)產(chǎn)水下蛟龍ARV(Autonomous& Remotely-operated Vehicle)機(jī)器人對(duì)進(jìn)水口淤積情況進(jìn)行了摸排，并取得了良好效果。

　　關(guān)鍵詞：電站進(jìn)水口,ARV水下機(jī)器人,泥沙淤積

　　1.引言

　　1.1工程概況

　　錦屏二級(jí)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(jìn)水口等建筑物組成，攔河閘壩、電站進(jìn)水口采用分離式布置。

　　雅礱江汛期江水?dāng)y沙能力強(qiáng)，進(jìn)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(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，在施工期間，進(jìn)水口工程的過(guò)水圍堰經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期淹沒(méi)過(guò)流，范圍內(nèi)(含隧洞，下同)沉積懸移質(zhì)泥沙總計(jì)約5~6萬(wàn)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(guò)6m，隧洞內(nèi)淤積平均2~3m。在工程完工后，首臺(tái)機(jī)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)形成泥沙淤積的現(xiàn)象，直接影響電站出力和電站運(yùn)行安全。為此，有必要對(duì)進(jìn)水口攔污柵體及引水隧洞閘門(mén)前段部位實(shí)施清理作業(yè)。

　　1.2 ARV水下機(jī)器人

　　ARV是一種集合自治水下機(jī)器人(AUV)和遙控水下機(jī)器人(ROV)特點(diǎn)于一身的新概念潛水器。[1]它綜合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，既可以像AUV一樣依靠預(yù)設(shè)指令進(jìn)行自主巡航來(lái)完成大范圍的搜索探測(cè)任務(wù)。又可以像ROV一樣，通過(guò)水面遙控完成精細(xì)作業(yè)。其顯著的特點(diǎn)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(jī)器人更具長(zhǎng)距離、大深度、實(shí)時(shí)操作、機(jī)動(dòng)靈活和高可靠性。[2]目前，我國(guó)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(cè)、安全檢測(cè)，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(jí)水電站項(xiàng)目首次使用了ARV水下機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)水口泥沙淤積清理工作。

　　2、ARV水下機(jī)器人在淤積檢查中的應(yīng)用

　　2.1工作內(nèi)容

　　本次工作內(nèi)容主要包括淤泥的測(cè)量、洞頂和壁面的觀察以及閘門(mén)的拍攝。

　　2.2設(shè)備參數(shù)

　　設(shè)備尺寸：～1200mm(L)，～550mm(W)，～250mm(H)

　　最大工作深度：150 m

　　空氣中重量：不大于 90Kg

　　航速：最大 3.0Kn，巡航1.5Kn

　　工作時(shí)間：不小于 4 h(巡航1.5Kn 時(shí))

　　固定搭載設(shè)備：彩色高清攝像機(jī)/水下照明燈、成像聲納、電動(dòng)機(jī)械手

　　2.3作業(yè)過(guò)程

　　2.3.1下水準(zhǔn)備

　　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(chǎng)平臺(tái)利用吊籃到達(dá)水面作業(yè)位置。在進(jìn)行通電檢查正常后下水，開(kāi)始第一次試驗(yàn)�，F(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)非�；鞚幔�伸手在ARV攝像機(jī)前面進(jìn)行示意，估計(jì)能見(jiàn)度在0.2米以內(nèi)。

　　2.3.2 1#引水隧洞檢查作業(yè)

　　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(kāi)啟成像聲納，在屏幕上搜索1#洞口。聲納探測(cè)距離設(shè)定為10米。保持艏向，勻速前進(jìn)，從ARV水下自主推算的軌跡可以明顯看出有一個(gè)側(cè)向移動(dòng)的趨勢(shì)。調(diào)整艏向后順利進(jìn)入洞口。

　　當(dāng)ARV到達(dá)隧洞閘門(mén)附近時(shí)，準(zhǔn)確推算并繪制其距離下水點(diǎn)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(mén)。

　　ARV抵近閘門(mén)后，試圖利用高清攝像機(jī)進(jìn)行攝像。但是前面的機(jī)械手抵近閘門(mén)時(shí)攝像機(jī)與閘門(mén)的距離超過(guò)0.4米，由于水質(zhì)條件混濁，無(wú)法正常識(shí)別前方情況，故無(wú)法獲得清晰的拍攝效果。此后ARV開(kāi)始掉頭，向洞外行進(jìn)。

　　2.3.3 ARV回收

　　ARV出洞后根據(jù)聲納成像返回下水點(diǎn)，工作人員回收設(shè)備。

　　2.4 淤泥厚度測(cè)量原理

　　ARV測(cè)量淤泥厚度的原理如下圖2所示。ARV測(cè)量數(shù)據(jù)包括離水面的深度z(通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量)和距離底部高度h(通過(guò)高度計(jì)測(cè)量)。已知頂部水位WL1和底部水位WL0，ARV底部淤泥厚度t的測(cè)量公式如下式(1)。

　　T=WL1-WL0-z-h (1)

　　2.5 測(cè)量結(jié)果

　　結(jié)果顯示，1#引水隧洞洞口5米平均淤泥厚度達(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(gè)洞容積的38%以上。

　　ARV從洞內(nèi)返回時(shí)，在離洞口7米附近從聲納圖像看到有一個(gè)淤泥堆積上升段，與測(cè)量數(shù)據(jù)吻合。此時(shí)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(cè)量結(jié)果可信。

　　3.小結(jié)

　　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(diǎn)：⑴江水非常混濁，能見(jiàn)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(jìn)入洞口。進(jìn)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(jìn)入洞內(nèi)，ARV在水下作業(yè)時(shí)也證實(shí)了洞外與攔污柵之間確實(shí)有水流干擾;⑶ARV具備水下自主定位能力，在洞內(nèi)常規(guī)的GPS和超短基線定位等方式都無(wú)法工作，這對(duì)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(jī)械手，可以進(jìn)行淤泥取樣和簡(jiǎn)單的表面清理;⑸ARV同時(shí)配備了兩套攝像系統(tǒng)，一個(gè)適合水質(zhì)較好遠(yuǎn)距離拍攝，一個(gè)適合渾水近距離拍攝，這對(duì)于混濁水質(zhì)下拍攝隧洞表面和閘門(mén)情況起到了關(guān)鍵性作用。通過(guò)水下機(jī)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(shí)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(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 王璇 劉濤 高波，基于復(fù)合型水下機(jī)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.

　　[2] 王磊，楊申申，徐鵬飛等， 一種新型水下機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)[J]，中國(guó)造船 2012年3月，51卷第一期(總第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 張奇峰,深水油氣開(kāi)發(fā)中的水下機(jī)器人,自動(dòng)化博覽 [J] 2005 22(5)85-88.

　　[5] 李智剛 張艾群 俞建成,水下機(jī)器人在極地科學(xué)考察中的應(yīng)用, 極地研究[J] 2004 16(2)135-144.

　　本文選自《機(jī)械工程師》�！稒C(jī)械工程師》雜志創(chuàng)刊于1969年，系國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的大型綜合性科技期刊，它是一份深具新聞價(jià)值、工具價(jià)值、決策參考價(jià)值、投資指南價(jià)值、管理借鑒價(jià)值、潮流引導(dǎo)價(jià)值的中國(guó)制造業(yè)主流期刊。曾用刊名：黑龍江機(jī)械。

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