第1章绪论
我国是水利水电大国，发展水利水电是我国调整能源结构、应对气候变化、实现能源革命的战略选择。中华人民共和国成立以来，水利水电建设的成就举世瞩目，在水能开发利用、技术创新、运行管理等方面均实现了全方位的巨大飞跃，为我国经济社会发展和现代化建设做出了重要贡献。泄洪消能建筑物作为水利水电枢纽的重要构筑物，在防洪工程体系中发挥了重要作用，其安全可控是保障枢纽运行和电力生产的基础。
随着装备技术、通信技术、信息技术的快速发展，技术创新为水工混凝土建筑物的病害检测、评估提供了新的可能，有利于孕育与时俱进的新技术、新工艺、新理论。发挥特种机器人的性能优势，应用智能机器人系统开展大坝建筑物检查工作，辅助甚至逐步取代人工巡检，并基于巡检成果开展专业性、针对性的评估分析工作，可有效解决巡检难题。这不仅对保障水利水电枢纽的长期安全运行具有十分重要的意义，也是提升水电站大坝信息化和智能化管理水平的重要手段。
1.1研究背景及意义
截至2025年5月，我国有水库大坝约9.5万座、总库容约1万亿m3。2024年，全国水电累计装机容量4.36亿kW，年发电量14257亿kW h。大坝类型、大坝数量、高坝数量、水力发电装机规模均位居世界**[1]。但是，我国水库存量工程多修建于20世纪50～70年代，建设标准普遍偏低、工程质量较差。近年来新增的电站则面临技术难度加大、建设条件复杂等风险，尤其是已建或在建80余座电站主要集中在西部地区，这些地区普遍具有高海拔、高地震烈度、高边坡等特点，地质条件极为复杂。这些水利水电枢纽工程主要分布在金沙江、雅砻江、澜沧江、大渡河等河流水量充沛、水能资源富集的流域。大地下厂房、复杂洞室群、大流量泄洪、大机组发电、高速水流消能已成为常态，对水工建筑物的安全性、稳定性、耐久性要求非常高。水利水电枢纽工程安全问题已与生态问题并列成为制约水利水电健康发展的重要因素，需提升到能源风险防范的新高度，严谨设计、精心筑坝、安全运行，主动化解各种库坝安全风险与挑战。
泄洪消能建筑物作为水利水电枢纽的重要构筑物，在防洪工程体系中发挥着重要作用，其安全可控是保障枢纽运行和电力生产的基础。泄洪消能建筑物包括岸边式溢洪道、坝身泄洪建筑物、泄洪洞、消能及下游防护设施。消能形式除了常规应用的底流消能、挑流消能、面流消能，还包括因地制宜研发的各类“新型消能设施”。泄洪消能建筑物直接承担高流速过流或承受高水头水流冲击，由于受水工水力学与水工结构力学双重约束，各类荷载作用复杂，结构安全风险隐患大。《全国病险水库除险加固实施方案(2025—2027年)》预计共需实施200余座大中型水库和4800余座小型水库除险加固。2007～2010年实施的《全国病险水库除险加固专项规划》纳入1182座大中型病险水库，对这些病险水库的主要病害进行统计可知，以泄洪建筑物破坏导致病险的水库*多，达882座，占总数比例为74.6%[2]，如图1.1所示。泄洪消能建筑物的典型病害包括：溢洪道边墩裂缝较严重，闸室抗滑稳定不满足规范要求，上下游边墙抗倾不稳定，消力池消能防冲标准低，泄洪能力不足，护坦、海漫及泄槽毁坏严重等。
图1.1大中型病险水库主要病害原因分类统计[2]
历史上出现过多件泄洪消能建筑物病害导致灾难的案例，例如，2017年2月7日，美国奥罗维尔水库主溢洪道泄槽局部发生破损，之后事态逐步升级，*终导致下游18.8万人紧急撤离。主溢洪道地质条件较差、结构较薄弱、混凝土材料强度偏低，加之日常检查维护工作不到位，导致了破损的发生和快速发展[3]。另外，高水头、大流量泄洪洞的空化空蚀是目前尚未解决的关键问题。一些工程掺气设施的下游发生了不同程度的空蚀破坏，如二滩水电站泄洪洞、胡佛拱坝泄洪洞的空蚀破坏，龙羊峡水电站底孔侧墙和底板的破坏，刘家峡水电站泄洪洞反弧段的空蚀破坏。特别是二滩水电站1号泄洪洞反弧末端掺气设施下游两侧发生空蚀破坏，使龙抬头反弧末端下游的混凝土边墙和底板遭受破坏，底板上形成多处深坑，*大冲坑深度达21.0m，破坏混凝土及岩石约达20000m3，严重影响了水电站的安全运行[4]。泄洪消能建筑物病害影响范围大，除险加固成本极高，后果非常严重。
病险水库一直是国家长期重点关注的问题，从20世纪80年代就开始加大对水库大坝安全管理工作的重视力度，1987年原水利电力部颁布并施行的《水电站大坝安全管理暂行办法》，是我国*部大坝安全管理的法规性文件；1988年原能源部颁发《水电站大坝安全检查施行细则》，使大坝安全检查和鉴定工作正规化、制度化；1991年国务院颁发《水库大坝安全管理条例》(国务院令第77号)，明确对坝高15m以上或者库容100万m3以上的水库大坝进行安全管理，要求大坝管理单位必须按照有关技术标准对大坝进行安全监测和检查，应当及时对监测资料进行整理分析，随时掌握大坝运行状况；2010年原国家电力监管委员会印发《水电站大坝除险加固管理办法》，旨在加强电力系统投入运行的大、中型水电站大坝的安全监督管理，规范大坝除险与加固工作；2015年《水电站大坝运行安全监督管理规定》(国家发展改革委令第23号)颁布，随着大坝安全定期检查监督、注册登记监督等工作的实施，大坝安全管理工作进一步得到加强和规范，促进了检查和监测工作的日常化、规范化，提升了消缺补强工作的及时性和有效性。此外，水利部大坝安全管理中心和国家能源局大坝安全监察中心分别对全国水利工程、水库大坝和水电工程电站大坝进行定期安全检查和注册工作，这在规范我国高坝水库运行管理，加强对大坝等水工建筑物运行状况的监测和综合评价，检查监控异常部位安全隐患、及时进行加固处理、保障高坝水库运行安全等方面发挥了重要作用。
水利水电枢纽工程投运后，库坝安全将出现一个动态且持续降低的变化过程(受洪水、地震、极端天气等自然因素或自身材料及地基老化的影响)，开展不间断的定期安全检查是保障水库大坝运行安全的重要支撑[5，6]。安全检查工作重点包括：通过对水工建筑物的外观检查和监测资料分析，诊断其实际工作性态和安全状况，查明出现异常现象的原因，对其重点部位和施工缺陷部位进行系统排查，摸清影响大坝水库安全的主要问题，制定维护检修和除险加固处理方案，为控制水库运行调度提供依据；通过对水库的合理控制运用，在保证高坝水库安全的前提下进行大坝补强加固处理，使其缺陷得到修复，消除异常及病害隐患，从而提高大坝的耐久性，延长水库大坝使用年限，为保障其运行安全提供重要支撑。泄洪消能建筑物是水利水电枢纽大坝安全现场检查的重点，与输水发电建筑物、通航建筑物、金属结构等检查对象共同构成大坝安全检查体系。
泄洪消能建筑物安全检查工作受两个方面掣肘，*先是管理问题，对于运行期的水利水电枢纽，“重建轻管”“重电轻机不管水”等现象依旧普遍存在，尤其是效益差、规模小的水库电站，管理主体单位人力物力投入十分有限，管理人员存在侥幸心理和对定期检查重要性认识不足、检查专题研究不充分、缺陷和隐患治理不及时等问题[6]。由于投产运行期的增长以及轻视管理情况短时间内难以扭转，泄洪消能建筑物安全挑战和出险概率日趋增大。除此之外，巡检技术手段落后也一定程度上制约了消缺工作的范围和质量。目前泄洪消能建筑物安全检查普遍以传统的人工目视巡检为主，包括依托蛙人深潜、攀爬瞭望、搭建长梯脚手架等检查手段，存在检测周期长、检测效率低、漏检率高、人员风险大、辨识主观性强等主要问题。同时，泄洪消能建筑物水下结构复杂多变，如龙抬头泄洪洞的反弧段、斜井段、消力池底板、水下导墙和高坝溢流坝面直线段等，极大地增加了人工巡检的难度与成本。这些人工难以触及的巡检死角通常分布在结构突变区或荷载集中区，损伤概率大而巡检不足，进一步增大了风险敞口。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出要“加快数字化发展，建设数字中国”，通过推动数字技术和实体经济深度融合，实现在能源等重要领域的数字技术创新应用。2021年国家能源局和科学技术部联合编制的《“十四五”能源领域科技创新规划》指出，聚焦新一代信息技术和能源融合发展，开展能源领域用智能传感和智能量测、特种机器人、数字孪生，以及能源大数据、人工智能、云计算、区块链、物联网等数字化、智能化共性关键技术研究，推动煤炭、油气、电厂、电网等传统行业与数字化、智能化技术深度融合，开展各种能源厂站和区域智慧能源系统集成试点示范，引领能源产业转型升级。其中，发挥特种机器人的性能优势，应用智能机器人系统开展大坝建筑物检查工作，辅助甚至逐步取代人工巡检，并基于巡检成果开展专业性、针对性的评估分析工作，可有效解决上述安全检测难题。因此，围绕水利水电枢纽泄洪消能建筑物检测的共性需求，针对性地开展适用于不同泄洪消能场景的巡检机器人研发工作，并围绕“水工混凝土缺陷智能采集与分析评价”开展应用研究，找准并突破“巡、检、识、诊、用”等核心环节的关键问题，对提高水利水电枢纽安全运维与智慧管控具有重要的科学价值。
1.2水利水电巡检机器人技术研究进展及趋势
特种环境机器人需依托与特定行业的深度融合，开展基础设施建设领域巡检的研究和应用有广阔的空间。为了*大限度地降低与结构检测相关的成本、风险和干扰，越来越多的研究将机器人系统作为当前检测、评估实践的重要方向。加上越来越多的商用机器人技术突破与产业链的完善，在近些年中，基础设施领域的智能机器人巡检系统应用有了显著的增长，这给智能巡检及评估的研究带来了新的机遇与创新方向。美国在ARoadmap for USRobotics：From Internet to Robotics(《美国机器人技术路线图：从互联网到机器人》)、澳大利亚在ARobotics Roadmap for Australia(《澳大利亚机器人技术路线图》)中都将采用机器人技术进行基础设施巡检作为重要的支持方向。
同时，特种环境机器人与基建领域的融合基于行业需求，其基础设施中的建筑物、桥梁、隧道和储罐等必须进行定期检查以评估运行的长期稳定性。常规人工巡检存在可靠性和一致性的问题，研究表明，人工巡检结果的质量和数量都存在很大的差异，巡检方法也对巡检工作人员和公众构成潜在安全风险。基础设施监测在所收集数据的类型和质量方面成本更低、更安全、更量化、更有效。为了应对这些挑战，在过去几十年中，越来越多地使用无损评估(nondestructive evaluation，NDE)方法进行检测。无损评估方法可以提供基础设施完整性的定量测量，并产生比单*目视检查更可靠的评估。在许多其他无损检测系统中，热成像、声冲击回波、超声波和探地雷达都得到了研究和实现。然而，对于人类主导的无损检测，安全风险和可达性挑战仍然存在。因此，为了扩大无损检测技术的应用范围，机器人检测平台成为无损检测系统*理想的载体之一。
水利水电枢纽工程作为重大基础设施，水工建筑物种类多样，结构形式复杂，安全性要求高，巡检工作充满挑战，对智能巡检和装备的技术创新有迫切需求。在水利水电工程领域开展智能巡检与智慧管控研究，不仅有重要的科学意义，更有重要的工程实用价值。然而，在高坝坝面、边坡、复杂水工隧洞、水下结构设施等场景，需要水、陆、空多种类型的巡检机器人载体进行覆盖，涵盖地面机器人、水下机器人、无人机等多个类型，如图1.2所示。
图1.2不同类型的巡检机器人载体示例
目前，国内外针对水利水电枢纽工程的智能巡检研究尚处于起步阶段，下面分别从立面结构、水工隧洞、水下建筑物等方面对研究进展和趋势进行介绍。
1.2.1水利水电枢纽高立面结构智能巡检研究进展
日趋成熟的无人机巡检系统加快了智能巡检发展的步伐，为大型基建设施、工程现场等的监测、检修提供了可靠支撑，其中桥梁、风力发电设施、电网等都是理想的应用场景，应用研究成果和案例丰硕。Hallermann等[7]通过无人机采集桥梁图像，进行三维重建分析桥梁缺陷；Yeum等[8]通
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