最大作業深度超200米 ，“禹龍”號大壩深水檢測載人潛水器來了！
◎ 科技日報記者 唐婷
水庫大壩是保障國家水資源安全的重要基礎設施。我國現有水庫9.8萬多座。其中，大型水庫近800座，壩高100米以上超過200座，高壩大庫安全運行極為重要。
突破100米級深水大壩安全保障技術壁壘，研製一款小型化載人潛水作業平台為大壩做水下“體檢”，是國家重點研發計劃“重大水利工程大壩深水檢測及突發事件監測預警與應急處置”項目的目標之一。
禹龍號在四川錦屏一級水電站進行試驗
“4年多來，我們先後完成了*‘禹龍’號大壩深水檢測載人潛水器* 的方案設計、總裝建造、聯合調試和水池試驗，並在三個不同壩型的水庫進行了示範性應用試驗，共完成水下20多次巡檢作業任務。其中，在四川錦屏一級水電站進行的試驗中，最大下潛作業深度超過200米。”“禹龍”號潛水器項目負責人、南京水利科學研究院原副院長蔡躍波介紹。
12月5日，在雅礱江錦屏一級水電站召開的專家諮詢會上，以中國工程院院士張建云為組長的專家組一致認為，“禹龍”號潛水器的研製，首次實現了水利水電行業深水複雜環境載人潛水檢測裝備從0到1的突破，攻克了大壩深水檢測載人潛水器多項關鍵技術，實現了專家即時診斷大壩複雜病害的目標，為高壩大庫安全維護與處治決策提供了裝備技術保障。
搭載工程師近距離“問診”大壩
上世紀80年代末，參與山東臨沂一處大（2）型水庫除險加固的經歷，令水利部原副總工程師龐進武記憶猶新。
當時，專家根據經驗判斷該水庫的防滲材料有問題導致漏水，要將水放空後進行處理。沒想到，水放完後，卻發現並不是防滲材料的問題。
“你想想，臨沂是一個缺水地區，白白放掉大量水庫水，下游兩年的灌溉都會成問題。如果當時有載人潛水設備帶專家下水進行檢測判斷，可能情況就不一樣了。可以説，‘禹龍號’潛水器的研製成功，為大壩深水檢測帶來了一個突破性的技術手段和裝備。 ”龐進武指出。
“禹龍”號在浙江湯浦水庫進行試驗
大壩水下檢測技術進展，也一直是國家能源局大壩監察中心總工張秀麗關注的重點之一。實際工作中，她和同事們經常會碰到的一個難題是，無人潛水器（ROV）或者潛水員下潛拍回的照片，不一定是大壩工程師真正需要的，而懂大壩的工程師往往又不會潛水。
“多年來，我一直有個夢想，希望能有載人潛水設備搭載大壩工程師去大壩水下進行現場診斷，這將極大有助於相關問題的解決。經過現場觀摩，我們看到‘禹龍’號實現了在大壩深水環境下載人潛水檢測的目標，這對大壩檢測來説無疑是一個重大的跨越，為行業打造了一項重器。”張秀麗説。
令專家們倍感欣喜的“禹龍號”潛水器，長4.7米，寬度和高度都在2.4米左右，總重6.6噸，是一種可搭載兩位成員的潛水器，設計最大潛水深度為300米。
“‘禹龍號’具有90度開角的大直徑球冠型觀察窗，極大提高了觀察視野及檢測效率，搭載有專用的清洗及示蹤工具，同時可模塊化搭載三維成像、三維激光測距等作業工具，非常適合進行高壩大庫的檢測等工作。”“禹龍”號總設計師、中國船舶集團第七O二研究所研究員王磊介紹。
破解大壩深水環境載人深潛多項難題
為什麼要研製“禹龍”號潛水器，研製中攻克了哪些技術難題，是蔡躍波經常會被問到的問題。
蔡躍波指出，下潛水深並不是大壩深水檢測載人潛水器研製面臨的核心難點，真正複雜困難的在於大壩水下環境水面狹窄、建築物結構複雜、水體能見度低、泄引水建築物附近水流速高。此外，從運輸條件看，大壩檢測載人潛水器只能通過鐵路、公路運輸，必須小型化、輕型化。
“禹龍號”在浙江湯浦水庫進行試驗
在大壩深水環境下發現大壩可能存在的缺陷，並對缺陷進行定性定量的檢測面臨諸多困難。蔡躍波指出，在大壩深水環境下實現精準水下定位，防止碰撞壩體；低能見度的情況下清晰識別觀察目標，進行檢查和定量探測；大幅提升抗高速水流能力，進行懸停作業，都是“禹龍”號潛水器研製過程中面臨的技術難題。
由於水庫大壩建築物會對聲音產生強烈反射，僅靠傳統的聲學定位方式難以滿足大壩深水檢測載人潛水器的定位需求。為破解大壩深水環境下定位難題，“禹龍”號潛水器項目團隊，採用慣導、聲學定位、浮標定位與物理標定相結合的多信息融合技術，形成一套組合式定位裝置，實現精確定位。
“此外，從作業能力看，用於大壩檢測的載人潛水器要進行壩面清掃淤泥、噴墨示蹤、激光測距等工程作業，其中一些精細化的操作對潛水器的作業工具提出了較高要求。”蔡躍波説道。
開展不同壩型大壩水下檢測示範應用
從2016年正式立項開始，“禹龍”號潛水器項目先後完成了方案設計、初步設計、詳細設計、總裝建造、聯合調試、水池試驗，在2020年6月進入到水庫試驗階段。
在真實水庫環境條件下檢驗潛水器全系統及設備功能和人員操作適應性，是“禹龍”號潛水器研製過程中的重要一環。
“禹龍號”在浙江湯浦水庫進行試驗
位於浙江紹興的湯浦水庫是“禹龍”號潛水器進行水庫試驗的第一站。湯浦水庫大壩是一座面板壩，即用面板作防滲體設在上游壩面的土石壩。
根據試驗要求，項目人員在湯浦水庫開展基於面板壩的潛水器布放與回收試驗。蔡躍波介紹，項目團隊在湯浦水庫進行了動力、姿態、導航、聲吶探測、水下觀察、通信、水下清理及缺陷探測示蹤等多功能、多性能試驗，試驗結果達到預期目標，為後續深水環境試驗與示範應用積累了經驗。
“禹龍”號在浙江新安江水電站進行試驗
順利完成水庫試驗“首秀”後，“禹龍”號潛水器在浙江新安江水電站開展了基於重力壩的潛水器水下作業試驗。重力壩是由混凝土或漿砌石修築的大體積擋水建築物，其基本剖面是直角三角形，整體是由若干壩段組成，主要依靠壩體自重來維持穩定。
2020年11月，“禹龍”號潛水器迎來了更大的挑戰，在雅礱江錦屏一級水電站開展大深度示範性應用試驗。 錦屏一級水電站大壩最大壩高305米，是目前世界上最高的雙曲薄拱壩，蓄水深度超過200米。
“11月12日，我和主駕駛員、702所高級工程師沈丹一起，搭乘‘禹龍’號潛水器下潛至200.7米深度，基本達到所在壩段的最底部，在該深度處完成了水下定位、附着物清理、噴墨示蹤、激光測距等作業任務。繼面板壩、重力壩試驗之後，又完成特高拱壩示範應用，充分表明“禹龍”號潛水器適應能力廣、作業能力強。”蔡躍波介紹。
針對“禹龍”號潛水器的後續研發，專家建議，進一步完善大壩深水檢測成套技術研發，儘快形成裝備標準化，促進成果的推廣應用；加強水下檢測與修補加固搭載工具與關鍵技術研發，提升智能化水平，進一步拓展“禹龍”號潛水器功能。
來源：科技日報 圖片由作者提供