李 星，田金章，賈強強

（1.國家大壩安全工程技術研究中心，430010，武漢；2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，430010，武漢）

一、研究背景

水庫大壩是調控水資源時空分布、優(yōu)化水資源配置的重要工程措施，是流域防洪體系不可替代的重要組成部分。作為大壩壩體重要的泄水結構，深孔泄水建筑物具有孔口尺寸有限、工作水頭大、閘門推力大等特點對保障大壩防洪安全意義重大。

我國各類水庫普遍存在泥沙淤積問題，壩高30 m（含）以上且有深孔泄水建筑物的水庫共有1000余座，其中存在淤堵問題的水庫比例約占四成，表1 統(tǒng)計了國內外部分大壩深孔淤堵案例。由表可知，淤堵物以碎石和泥沙為主，最大淤積厚度可達數(shù)十米，部分水庫深孔閘門前淤堵物為滑坡、泥石流等地質災害帶來的塊石、樹枝或施工期遺留的鋼筋等雜物。閘門在淤堵物作用下可能無法啟閉，影響大壩防洪安全。

表1 國內外大壩深孔淤堵及處理案例統(tǒng)計

隨著運行時間累增，我國將會有越來越多的水庫出現(xiàn)深孔閘前淤堵物堆積問題。此外，在氣候風險水平趨于上升背景下，地震、強降水等極端事件發(fā)生概率增加，可能發(fā)生壩前滑坡、泥石流等次生災害，導致大壩深孔發(fā)生淤堵。深孔閘門前淤堵物清理是諸多水庫的切實需求，需高度重視。

二、深孔淤堵物清理技術現(xiàn)狀

1.淤堵閘門啟門力計算模型

閘門淤堵后啟門力會增大，厘清啟門力的影響因素、構建啟門力計算模型可為淤堵物清理提供技術支撐，國內學者開展了相關研究。夏毓常提出了泥沙淤積對閘門啟門力影響的估算方法；蔡文剛等對西鄭閘閘門啟門力進行了原型試驗，認為最大啟門力多發(fā)生在閘門開啟的瞬間；徐國賓等進一步完善了夏毓常公式，將泥沙淤積對啟門力的影響考慮為粗顆粒間的摩擦剪切應力和細顆粒間的極限剪切應力；高仕趙等提出了弧形閘門啟門力數(shù)值計算模型；楊洲等構建了考慮單雙面泥沙淤積情況的啟門力計算公式。研究表明，閘門啟門力與淤堵物粒徑級配、淤堵物厚度、淤積時長和淤積狀態(tài)（單面或雙面淤積）等息息相關。當淤堵物粒徑和淤積厚度增大、淤積時間增加時，閘門啟門力相應增大，雙面淤積相比單面淤積啟門力更大。閘門啟門力最大值發(fā)生在閘門提動的瞬間，當淤堵導致啟門力超過啟閉機最大荷載時，閘門便無法提起。

當前深孔閘門淤堵物啟門力計算模型相關研究在泥沙淤積條件下閘門啟門力計算公式方面取得了一定進展，但存在與實測資料不夠吻合、未考慮泥沙特征（粒徑、淤積時長等）影響等問題，相關研究結果未能應用于實際閘門前淤堵物的清理作業(yè)。

2.淤堵物水下探測技術

淤堵物水下探測技術可界定清理范圍，為選擇合適的清理措施提供決策支撐，是水下淤堵物清理的前提。淤堵物探測技術主要包括水下目視、水下激光成像、水下高清攝像技術、水下三維聲吶成像、水下機器人（ROV）技術等（見表2）。

表2 淤堵物水下探測技術比較

水下探測技術發(fā)展迅速，在水下結構缺陷探測、水下地形探測等方面進行了廣泛應用，水下機器人搭載三維聲吶成像技術可用于深孔水下淤堵物探測，但目前應用相對較少。

3.淤堵物清理技術裝備

目前水下淤堵物清理主要有人工清理、泄洪清理、機械設備清理等方法。人工清理一般通過人工潛水進行水下作業(yè)，操作方便，適用于水深不大、淤堵不嚴重工況，但往往受限于水下環(huán)境，清理效率不高且存在安全風險。如鴨河口水庫泵站進口通過潛水員清淤，2個月僅完成工程量的1/6，工程共耗時8個月，潛水員下水作業(yè)1286次。泄洪清理通過開啟閘門泄洪，利用水流帶走淤積物，適用于淤堵不嚴重且淤堵物松散的情況，對板結淤堵物清理效果較差。如勾山水庫、劉家峽水電站、三門峽水庫等采用合理調度、水流排沙等措施清理淤積物后，閘門可正常啟閉。機械設備清理一般通過吹掃或泵吸設備進行淤堵物清理，適用于松散淤堵物，存在定位與檢查困難、能耗大、適用性不高等問題，不適用于水壓大、可見度差、空間局促的深水閘門環(huán)境。

隨著水下清淤技術的發(fā)展，采用水下清淤機器人替代傳統(tǒng)人工進行深孔水下檢查、清理、修復等相關作業(yè)成為行業(yè)熱點，水下清淤機器人具有自動化程度高、功能多、操作靈活等特點，既保證人員安全，又能提高工作效率。程陽銳等設計研發(fā)了具備水下清淤、行走、定位、動力及智能控制等功能的“達諾一號”清淤機器人樣機，機身裝備絞吸頭，可替換搭載抓取及破碎切割裝置，在馬鹿塘水庫進水口開展了清淤作業(yè)。單宇翥等利用搭載機械手的ROV 對三峽水利樞紐導流底孔封堵檢修門槽和底檻進行了水下清理。黎宙等以及彭建平等研制了適用于200 m級深水環(huán)境和孔洞的自行式履帶清淤車，可攜帶絞吸頭、抓斗等作業(yè)工具，適應深水受限空間（含各種孔洞等），在小浪底水利樞紐進行了應用試驗。熊新宇等研發(fā)了一種具備水下探測、絞吸淤泥等功能的水下清淤機器人，可在水深30 m以內水體中工作，在南水北調干渠閘門進行了水下清淤。此外，浙江大學、中船重工中南裝備有限責任公司發(fā)明了具有絞吸等功能水下清淤機器人，可用于涵洞內淤泥清理。

三、深孔淤堵物清理技術難點及對策

深孔淤堵物清理技術和裝備目前仍處于研究和測試階段，在深孔水下環(huán)境高精度重構技術、閘門啟門力數(shù)值計算模型、深孔清淤機器人等方面仍有不少技術難點，需進一步開展相關研究。

1.水下環(huán)境高精度重構技術

水下環(huán)境重構技術指基于聲學、光學等方法對水下環(huán)境信息進行采集，根據(jù)圖像的映射原理獲得三維坐標，進而對水下環(huán)境進行三維重構，是淤堵物清理的前提。與水上環(huán)境三維重構不同，水下三維環(huán)境重構具有以下難點：

①水下環(huán)境水深變化大，目標物種類多。目前已有的大壩深孔最大水深超過100 m，水下存在多類型淤堵物，探測采集設備需有較好的耐壓性及較高的分辨率，以準確獲取水下目標信息。

②水下環(huán)境能見度低，生成的圖像存在大量噪聲或圖像畸變，水下諸多目標無法準確辨識，嚴重影響水下環(huán)境重構。

③深孔內空間有限、結構復雜，對孔洞內結構識別與重構提出更高的要求。

基于深孔水下環(huán)境特點，需研發(fā)水下環(huán)境高精度重構技術，以準確識別水下空間、規(guī)劃水下作業(yè)路徑。當前，國內外諸多學者針對水下環(huán)境重構技術開展的研究，大多基于圖像或聲吶采集水下地形原始數(shù)據(jù)，形成水下環(huán)境三維點云數(shù)據(jù)再集成至三維軟件，實現(xiàn)水下環(huán)境的圖像拼接與三維建模。在圖像噪聲處理、圖像特征提取、重構精度等方面仍需進一步開展研究，應結合慣導綜合導航定位技術，構建水下作業(yè)參數(shù)和作業(yè)區(qū)域環(huán)境感知系統(tǒng)，準確定位機器人位置及姿態(tài)，計算出最優(yōu)的操作模式。

2.閘門啟門力數(shù)值計算模型

針對泥沙淤積條件下閘門啟門力計算已開展了相關研究，但目前閘門啟門力影響規(guī)律尚未完全清晰，目前研究較少考慮淤堵物特征、淤堵時間等因素的影響，理論計算與實測資料吻合程度不高，且尚未在淤堵物清理中進行實際應用，需進一步開展閘門啟門力數(shù)值模型研究。

考慮淤堵物淤積影響時，閘門上的作用力包括水體和淤堵物對閘門的水平壓力Fs、閘門支承摩阻力Tzc、止水摩阻力Tzs、閘門自重G、外壓塊重力Gw、閘門上水柱壓力Ws、下吸力Px、淤堵物對閘門的附著力等。閘門啟門力FQ主要與淤堵物特性、閘門特征、止水特征、軸承特征等4類參數(shù)密切相關，可構建為關于上述參數(shù)的函數(shù)，如下式所示：

式中：hs為淤堵物深度，A為淤堵物與閘門接觸面積，Ks為淤堵物自身特性（包括滲透系數(shù)、極限剪切力等），hw為水深，Gzm為閘門特征（包括閘門尺寸、重度等），px為下吸引力，Lzs為止水特征（包括止水間距離、止水與主梁下翼緣距離等），Rzc為軸承特征（包括滾輪半徑、滾輪軸半徑等）。

基于上述模型，分析已有深孔閘門啟門力與淤堵物特征、閘門特征等因素之間的關系，求解相關參數(shù)，探究閘門啟門力的變化規(guī)律，計算分析不同淤堵物粒徑、淤積厚度、淤積形態(tài)等條件下的閘門啟門力分布規(guī)律，探究不同淤堵物條件下，閘門提取臨界淤積深度和形態(tài)，為閘門前淤堵物清理提供理論支撐。

3.深孔清淤機器人

目前針對深孔清淤機器人已開展了相關研究并進行了水下淤堵物探測及清理實踐。但深孔清淤機器人受孔壁、淤堵物、深水等環(huán)境因素干擾較大，面臨以下難點：①淤堵物種類多。深孔閘門淤堵物以泥沙、碎石為主，也存在大粒徑塊石或混凝土塊、鋼筋或樹枝等雜物，要求清淤機器人具備多種清淤功能，并可根據(jù)不同類型淤堵物切換作業(yè)模式。②深孔空間有限。深孔斷面面積一般為30～40 m2，大型設備無法進入孔洞內進行淤堵物清理，要求清淤機器人尺寸和深孔斷面相匹配。③淤堵物清理時效要求高。淤堵物在深孔閘門前淤堵影響閘門正常啟閉，若短時間內無法清理將對大壩防洪安全造成威脅，要求清淤機器人可以高效作業(yè)，及時清理淤堵物。

目前水下清淤機器人在功能方面以絞吸為主，少數(shù)具有機械手抓取、耙子耙取功能，幾乎沒有破碎大粒徑石塊的功能。此外，大多數(shù)水下清淤機器人僅可搭載單種作業(yè)裝置，當水下淤堵物種類較多或遇突發(fā)狀況時，需更換作業(yè)裝置，耗時且效率低，難以滿足清理時效的要求，因此亟須研發(fā)一種多類型淤堵物一體化清理機器人。該機器人能將破碎、絞吸、抓取等作業(yè)裝置集成于一體，可根據(jù)淤堵物類型切換工作模式，實現(xiàn)多工具協(xié)同作業(yè)：針對粒徑較大的巖石或混凝土塊，利用破碎裝置進行破碎；對于泥沙等淤堵物，通過絞吸抽取—輸送系統(tǒng)，進行泥沙及碎石絞吸；針對樹木、雜物等，通過機械手裝置進行抓取清理，對多種類型淤堵物進行高效清理。

四、結 語

深孔建筑物淤堵是庫壩運行管理中亟待解決的關鍵問題。我國針對淤堵物探測、淤堵物清理技術裝備等已開展大量研究，取得了重要成果，但在水下環(huán)境重構技術、閘門啟門力數(shù)值計算模型、深孔清淤裝備等方面仍存在技術難點，亟須進一步開展相關研究，以提高深水閘門淤堵物清理能力，提升水庫大壩應對災害的能力。