百米级超大水深水下精确测量技术在高坝大库水下治理中的应用.pdf

Dam and Safety 20233http:/0 引 言水利水电枢纽是重要的基础设施，对于长年处于水下的水工建筑物，受水下作业不可达、不可测等因素制约，无法得到有效、准确的检测数据，存在巨大的安全隐患。目前水下检查的方法主要为目视检测，包括潜水员水下目视、水下摄影和录像等，但受水流、水质、作业水深、定位繁杂和光线弱等因素影响，难以准确检测。随着技术的发展，针对上述影响因素，声学测量、光学测量、氦氧混合气潜水和水下机器人等技术优势更加明显，适用范围更广，操作更便捷，取得了非常好的效果，但目前在百米级超大水深水工建筑物精确检测中鲜有应用。1 概 况1.1 项目背景四川省某水电站是一座以发电为主、兼有防洪拦沙等综合效益的特大型水利水电枢纽工程，具有季调节能力。水电站总装机容量4 260 MW，校核洪水位853.78 m，正常蓄水位850.00 m，泄水建筑物包括三孔表孔溢洪道、一条泄洪洞和一条放空洞。放空洞工作闸门前端设置一扇事故闸门（见图12），为潜孔平面链轮门，高11.21 m，宽8.85 m，厚1.78 m，底坎高程730 m。闸门两侧门槽内上下游设置钢制轨道，轨道间距2.465 m；闸门两侧各安装一条重23 t链条，上下游间距2.450 m。放空洞事故闸门曾在启闭过程中发生卡阻，导致左侧链轮断裂脱落，为保障电站事故闸门顺利安全下放，并落放到位，需对事故门槽进行检查测量，及时处理门槽缺陷，保证事故闸门的工作性能。1.2 主要工作内容放空洞事故闸门在启闭过程中发生卡阻，导致左侧链轮断裂脱落，需将掉落在底坎上的链轮打捞上岸，并对门槽各部位进行检测，施工内容包括门槽上下游轨道间距测量及门槽相对位置检测、氦氧潜水专项施工和链轮水下切割等。采用氦氧混合气水下作业与激光、异形尺测量相结合的检测方百米级超大水深水下精确测量技术在高坝大库水下治理中的应用朱迪发，汪佳男，王 双，侯永明（青岛太平洋水下科技工程有限公司，山东 青岛，266100）摘要：某水电站放空洞事故闸门在启闭过程中发生卡阻，结合工程实例及施工经验，提出了水下精确测量和氦氧混合气潜水等施工技术要点，以促进该技术在水下处理中的应用，为日后类似检测处理项目提供参考。关键词：百米级超大水深；氦氧混合气潜水；水下三维激光；异形尺测量；水下切割Title:Application of underwater precise measurement technologies for 100 meter level ultra large waterdepth in underwater treatment of high dams and large reservoirs/by ZHU Difa,WANG Jianan,WANGShuang and HOU Yongming/Qingdao Pacific Diving&Technology Engineering Co.,Ltd.Abstract:The emergency gate of a hydropower stations discharge tunnel got stuck during the openingand closing process.Combined with engineering examples and construction experiences,key construction technologies such as underwater precise measurement and heliox diving are proposed,and the application of these technologies in underwater treatment of hydraulic structures is promoted,which providesreference for similar detection and treatment projects in the future.Key words:100 meter level ultra large water depth;heliox diving;underwater three-dimensional laser;special-shaped ruler measurement;underwater cutting中图分类号：TV698文献标志码：B文章编号：1671-1092（2023）03-0046-07ByZHUDifa:Underwaterprecisemeasurementtechnologiesfor 100meterlevelultralargewaterdepth46http:/20233 大坝与安全（a）地面平台（b）检修平台（c）纵剖面图1 事故闸门室Fig.1 Emergency gate chamber法，测量门槽主轨与反轨表面距离，并对检测范围内已探明材质和外形尺寸的凸出异物表面进行修复平整。2 工程特点2.1 大水深作业条件项目施工期潜水最大深度为120 m，对应极短暂的水下作业时间，如何在有限的潜水时间内完成测量、检查和切割等一系列工作，是本工程亟待解决的问题。应对措施如下：图2 闸门总图Fig.2 General layout of gate（1）减小潜水深度，延长潜水时间，降低施工难度。与业主方沟通，共同商讨作业实施时间，并根据电厂调度计划，尽量选择在低水位期间实施，以减小潜水深度。（2）派遣有经验的潜水员。目前的潜水技术主要分为空气潜水、氦氧混合气潜水、饱和潜水和水下机器人作业等。空气潜水是指潜水员以空气作为呼吸介质，潜水深度控制在60 m以内；氦氧混合气和饱和潜水多用于深度超过60 m的潜水作业，但饱和潜水所使用的呼吸气体和潜水装具费用远超氦氧混和气；水下机器人能在复杂或大水深环境下代替人工完成任务。本项目最大作业水深达120 m，且对测量精度要求高，水下机器人搭载的精细测量设备无法在水质较差、水中悬浮颗粒物较多的现场使用，会影响其测量准确性。本项目采用氦氧混合气水下作业方式进行施工。2.2 测量精度要求高本工程对门槽内750 m高程以下上下游轨道间距进行精确测量，测量精度达毫米级。根据现场施工环境，考虑到水下水质情况、潜水员视线条件、作业误差及测量精度要求等因素，常规水下钢板尺或卷尺测量无法达到测量精度要求。因此，采用异形尺测量法与水下激光设备对门槽内上下游轨道间距进行测量。水下异形尺测量法是一种能在水下精准测量预埋锚钩，共 4 个，250 kN，间距 1 m检修平台校核水位853.78 m正常水位850.00 m水流朱迪发，等：百米级超大水深水下精确测量技术在高坝大库水下治理中的应用47Dam and Safety 20233http:/建筑物结构周边变形和相对位置的新型测量方法，见图3。按照目前的水下测量技术，基本采用水深表、重锤、水平尺和卷尺等相结合的方式进行测量，存在难度大、操作要求高和误差大的缺点。异形尺测量法利用异形尺遇障碍物受阻会缩回的特点，使异形尺与轨道表面紧密贴合，准确模拟轨道表面形状，由水面人员配合潜水员将测量框整体提出水面进行测量，并记录数据。（a）测量框（b）局部图3 水下异形尺测量工程实例Fig.3 Engineering example of special-shaped ruler measurement水下三维激光扫描是将激光测量仪器安装在测量框底部，以测量框顶部测绳控制测量框下放高度，在一定高度测量完毕后下放测量框，重复上述步骤，调整测量框依次到达指定高程，为事故闸门的精确测量提供有利的数据支撑。2.3 水下切割难度大本工程需要在120 m水深下进行水下切割，可能会产生具有高爆炸性的氢氧混合气体，由于在水下使用交流电非常危险，只能使用直流电源。应对措施如下：（1）根据水下切割的基本原理和切割状态，主要分为水下热切割法和水下冷切割法。热切割法包括氧弧切割、电弧切割和电氧切割等；冷切割法包括水下机械切割和水下高压水切割等。其中水下电氧切割、高压水射流切割是目前应用较广泛、技术较成熟的切割工艺。本次水下施工主要采用氧弧切割，需从电流强度、氧气压力和切割角度等方面考虑。相比常规作业，水下切割需考虑氧气管长度、接头、减压阀承受压力和工作压力等影响因素，以进行施工设备的调整，如根据长度、承受压力定制氧气管，根据作业水深选取减压阀等。（2）由经过相关作业培训并有资质的人员执行水下切割，且只能使用水面供气式潜水设备，并与潜水员保持通讯。要求采用适当的设备和设置（直流电和极性等）；针对切割过程中可能存在的爆炸性气体，需进行适当的通风。2.4 施工场地受限本项目现场施工作业条件有限，且工况复杂，实际作业空间小，潜水深度过深，链条重量过大。因施工作业场地有限，不具有安装大型起吊设备的空间。为了满足施工要求，现场布设卷扬机固定在闸门上/下游侧。大吨位卷扬机作为主要提升设备，其钢缆通过导向轮，伸入闸门井内；小吨位卷扬机作为辅助拖拽设备，负责提起已经在水面分节的单节链条，将其提出水面。3 测量框设计制作测量框由外框与8个固定有异形测量尺的推拉式内框组成，使用方管焊接制作，见图4。外框整体尺寸依照门槽左右岸宽度、轨道间距、下放作业空间设计，主要用于测量两侧门槽垂直于水流方向的中心面重合度和上下游主轨道表面距离。外框每个角上装有顶固螺杆，起到固定整体测量框的作用，防止推动内框时整体晃动。为每个内框安装了轨道，可在轨道上前后推拉内框。4 氦氧混合气专项方案氦氧混合气潜水是指潜水员以人工配制的氦氧混合气作为呼吸介质的潜水方式，多用于深度超过60 m的潜水作业。氦气在人体内的溶解率只有氮气的40%，且氦分子体积非常小，扩散速率是氮ByZHUDifa:Underwaterprecisemeasurementtechnologiesfor 100meterlevelultralargewaterdepth48http:/20233 大坝与安全（a）示意图（b）实例图4 测量框设计制作Fig.4 Design and assembly of measurement frame气的2.5倍，因此使用氦氧混合气体不但可以减少麻痹现象，也能减小呼吸肌的负荷，同时可利用其迅速扩散的特性，缩短减压上升的时间。4.1 潜水作业参数因本次最大作业水深达120 m，采用常规氦氧混合气潜水，并根据施工现场的水温、流速、能见度和潜水作业内容制定混合气潜水作业计划及应急预案。潜水作业参数见表1。表1 潜水作业参数Table 1 Diving operation parameters4.2 混合气潜水设备和装具（1）水面供气需供式混合气潜水装具。（2）混合气潜水供气系统。（3）混合气控制面板（见图5）：氦氧潜水部分外接两路氧气供气源和两路混合气供气源，分别通过两个调压器减压为两个单独回路，供气互不干涉，也可在需要时通过联通阀由单个调压器控制，最多可供两名潜水员在不同潜水深度进行水下作业，并由各自的压力表和深度表进行监测；空气潜水部分外接两路供气源。（4）减压舱系统：居住舱、过渡舱、递物舱、加减压系统、呼吸气系统、气体分析及补氧系统、电视监控及通讯系统、报警系统和电气系统。（5）潜水吊笼及吊放系统（见图6）：潜水吊笼及导向装置、应急气瓶、电源停电时的手动下放装置。图5 混合气控制面板Fig.5 Heliox control panel（a）潜水吊笼（b）混合气气瓶图6 潜水吊笼及笼内的混合气气瓶Fig.6 Diving cage and heliox cylinders（6）常规混合气潜水热水供给系统。（7）氦氧混合气储备。4.3 潜水作业流程（1）潜水作业前，由潜水监督组织召开班前会分配作业任务，把工作安排到人，并熟悉各自的工作任务，对工作中存在的安全隐患进行安全分析。（2）潜水员开始着装，照料人员同时对潜水装具、通讯、灯光和摄像进行检查调试，并向控制室潜水监督确认；热水锅炉启动调试正