CN111501675B - 基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人及其使用方法，所述机器人包括生磁单元、材料单元、升降单元、探测单元、清理单元、移动单元和控制单元。所述机器人可在堤坝临水面修复水下渗漏病害，对渗漏通道实现两层封堵效果：第一，因渗漏负压被吸入渗漏通道的熔融态相变材料凝固后对渗漏路径起到了堵塞作用；第二，残余的相变材料将材料单元粘结在堤坝坡面，对渗漏入口周边破损区起到了防护作用，以减少坝体的进一步破损。

Description

基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种机器人及使用方法，具体地是一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人及其使用方法，属于堤坝工程渗漏险情抢护技术领域。

背景技术

当前堤坝渗漏险情的抢堵方法主要有前戗培坡、土工合成材料覆盖截渗、嵌缝止水等，这些方法多年来一直用于实际工程，也取得了相应效果。但上述方法大多在渗水口表面进行抢护，对坝体内部的渗水通道填补效果甚微，而且对距离水位面较深处漏洞的修复较难展开，造成修复效率不高。近年来，相变材料水下自吸式封堵堤坝渗漏的方法逐渐开展研究，该方法是将固态相变材料在渗漏入口附近加热熔化为液态，由于渗漏入口处负压吸力的作用，液态相变材料被吸入渗漏通道；脱离热源的液态相变材料由于热量散失，在渗漏通道中及渗漏入口表面逐渐凝固，进而封堵渗漏通道，达到抢护堤坝渗漏险情的目的。该方法可行性已经得到验证，但在现场环境下的应用推广，需对相应的技术装备进行研发完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种自基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人及使用方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，包括在水下工作的机器人主体和在水上工作的机器人控制单元；所述机器人主体包括：

生磁单元，包括电磁线圈和依次包裹电磁线圈的防水层、外壳；

材料单元，连接于生磁单元底部，包括材料容纳腔，所述材料容纳腔下表面带凹槽结构，凹槽内容纳固态相变材料和嵌入相变材料中的发热片，所述发热片通过连接线连接生磁单元；所述连接线在相变材料受热熔融时熔断；材料容纳腔底部设有护边；

移动单元，用于辅助机器人主体沿坝面移动；

探测单元，包括水压感应装置和摄像装置；

所述控制单元包括卷扬机、电磁控制模块和显示模块；分别与机器人主体、生磁单元和探测单元相连。

使用时，机器人主体各部分组装为整体置于水下，控制单元置于水上。机器人主体通过绳索与卷扬机连接，生磁单元、探测单元分别通过导线与控制单元相应模块电气连接。

作为本发明的进一步改进，还包括升降单元，所述升降单元连接生磁单元，控制生磁单元升降；所述控制单元还包括升降控制模块，连接所述升降单元。所述升降单元能够控制所述生磁单元升降，机器人移动时，控制所述升降单元将所述生磁单元、材料单元升起，使其不与坝面接触，方便机器人移动；待到达适宜封堵渗漏的位置时，控制所述升降单元将所述生磁单元、材料单元降下，与坝面贴合。优选地，所述升降单元为电动滑轨。

作为本发明的进一步改进，还包括清理单元；所述清理单元设置于机器人主体前端，包括电动毛刷和电动毛刷后设置的挡板。优选的，所述电动毛刷启动时转向为远离其他水下单元方向，挡板优选皮革材料。

作为本发明的进一步改进，所述材料容纳腔底部设有护边。护边具有弹性、透水功能，以适应坝面不平整。

作为本发明的进一步改进，所述材料容纳腔材质为高密度乙烯或橡胶。

作为本发明的进一步改进，所述相变材料为石蜡-松香按质量比4:1配比的复合材料。本发明使用的相变材料应具有一定的粘性，将材料单元整体粘附在渗漏入口作为第二层防护，此外要保证其熔化后具有较好的流动性。经测试该配比的复合材料具有更好的使用效果。

作为本发明的进一步改进，所述发热片为铁磁性金属材料；所述电磁线圈为平板式电磁线圈。所述发热片平行于平板式电磁线圈设置于所述生磁单元产生的有效磁场范围内。除加热片外，机器人主体的构成材料均为非磁性材料。发热片材质优选铁片。

作为本发明的进一步改进，外壳材质选用亚克力板；防水层选用灌封胶防水方式，灌封胶相对密度大于1。

作为本发明的进一步改进，所述连接线熔点在100-300℃之间。在加热片加热相变材料过程中，连接线能够被熔断，即，加热相变材料过程中，所述材料单元能够实现与所述生磁单元分离。优选地，所述连接线材质为塑料或尼龙。

本发明还提供利用上述堤坝渗漏封堵机器人封堵渗漏堤坝的方法，包括：

通过探测单元探测水下情况，控制机器人主体移动至渗漏入水口位置：

将护边与坝面接触，使渗漏入水口位于护边内部；启动电磁控制模块使得相变材料熔融、连接线熔断；熔融相变材料在负压吸力作用下被吸入渗漏通道，残留相变材料将剩余的材料单元粘附在渗漏入口周边；

控制卷扬机回收机器人主体，装载新的材料单元，重复前述步骤，直至封堵完成。

进一步的，所述方法还包括：机器人主体移动时，控制升降单元将生磁单元和材料单元升起，使其不与坝面接触；待到达渗漏入水口位置时，控制清理单元清理渗漏入口周边附着杂物，之后控制升降单元将所述生磁单元和材料单元降下，与坝面贴合。

进一步的，还包括，监测水压感应装置的读数，如果降下材料单元使护边与坝面接触后读数发生明显变化，说明渗漏入水口已位于护边内部，则启动电磁控制模块；如果降下材料单元，读数无明显变化，说明定位不准确，则重新定位渗漏入水口位置。

本发明的方法和装置，具备以下有益效果：

（1）提供了相变材料自吸式封堵堤坝水下渗漏的技术装置，为现场环境下的应用提供支撑。

（2）对渗漏通道实现了两层封堵效果。第一，被吸入渗漏通道的液态相变材料凝固后对渗漏通道起到了堵塞、修补作用；第二，残余的相变材料将材料单元粘结在堤坝坡面，对渗漏入口周边破损区起到了防护作用，以减少坝体的进一步破损。

（3）本发明所涉及机器人每次下水封堵作业仅需更换材料单元，其他单元可重复使用，经济效益高，实用性强。

附图说明

图1为基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人整体示意图。

图2为生磁单元和材料单元的剖面示意图。

图3是实施例2所述封堵混凝土面板坝水下渗漏的水下机器人使用状态示意图。

图4为封堵完成后部分相变材料在渗水通道中的堵塞情况。

图中标号说明：

1.生磁单元；2.材料单元；3.升降单元；4.探测单元；5.清理单元；6.移动单元；7控制单元；5-1.毛刷；5-2.挡板；5-3.支架；7-1.卷扬机；7-2. 电磁控制模块；7-3.升降控制模块；7-4.水下视频模块；7-5.水压显示模块；1-1.外壳；1-2.防水层；1-3.电磁线圈；2-1.材料容纳腔；2-2.护边；2-3.相变材料；2-4.发热片；2-5.连接线；8.坝体；9.渗漏通道。

具体实施方式

实施例1

本实施例说明本发明装置的技术方案。

如图1所示，本发明所述机器人包括生磁单元1、材料单元2、升降单元3、探测单元4、清理单元5、移动单元6和控制单元7；

如图2所示，所述生磁单元1包括外壳1-1、防水层1-2、电磁线圈1-3。使用亚克力板制作30cm*30cm*5cm的无盖长方体，形成所述外壳1-1；防水层1-2选用相对密度大于1的灌封胶，电磁线圈1-3选用直径为20cm的平板式电磁线圈；分次在外壳1-1中浇筑灌封胶以密封电磁线圈1-3。

所述材料单元2包括材料容纳腔2-1、护边2-2、相变材料2-3、发热片2-4、连接线2-5。材料容纳腔2-1使用耐温橡胶中部镂空制作，护边2-2选用中密度海绵，相变材料2-3选用质量配合比为4:1的石蜡松香复合材料，发热片2-4选用15cm*15cm方形薄铁片，四角开有小圆孔，连接线穿过小圆孔连接至生磁单元1，连接线2-5选用尼龙线。将相变材料2-3熔化后分次浇筑在材料容纳腔2-1中，使发热片2-4嵌入相变材料2-3中部，并引出连接线2-5，护边2-2粘贴在材料容纳腔2-1表层。通过连接线2-5使材料单元2与生磁单元1结合成整体。

所用升降单元3选用防水型数控电动精密滑轨，探测单元4包括摄像装置及水压感应装置，分别选用高清水下摄像头及水压传感器，清理单元5中毛刷5-1选用电动毛刷。

通过升降单元3使移动单元6与生磁单元1组合为一体，通过螺栓连接使清理单元5与移动单元6组合为一体。

移动单元6通过收放索与卷扬机7-1连接；电磁线圈1-3通过导线连接电磁控制模块7-2；升降单元3通过导线连接升降控制模块7-3；探测单元4通过导线连接显示模块，包括水下视频模块7-4和水压显示模块7-5，分别显示摄像头拍摄的视频及水压传感器探测的水压读数。

实施例2

本实施例具体说明本发明方法的技术方案。

如图3所示，某小型混凝土面板坝，在2m水深处存在一冲蚀孔，并形成渗漏通道9。采用本发明方法进行修复，包括如下步骤：

1）准备阶段。采用实施例1所述方式制作组装水下封堵机器人，并调试设备确保正常运行。

2）下水定位。通过探测单元监测水下情况，控制水下机器人定位至渗漏位置，并启动清理单元清理渗漏入口周边附着杂物，控制升降单元使材料单元护边与坝面破损处贴合，使渗漏孔位于护边方框内部。监测水压感应装置的读数，如果降下材料单元使护边与坝面接触后读数发生明显变化，说明渗漏入水口已位于护边内部，则启动电磁控制模块；如果降下材料单元，读数无明显变化，说明定位不准确，则重新定位渗漏入水口位置。护边具有透水作用，渗漏孔周边存在渗漏流场，堵漏前仍有水流漏出，这样渗漏孔周边有一定的负压吸力，当相变材料熔化为液态时，便会在此负压吸力作用下，被吸入渗漏通道。

3）封堵渗漏。启动电磁控制模块，使生磁单元工作产生高速变换磁场，材料单元中的发热片由于切割磁感线快速生热，从而熔化相变材料、熔断连接线使材料单元脱离。液态相变材料在渗漏入口处负压吸力作用下被吸入渗漏通道中，并随着热量散失逐渐凝固，从而达到封堵渗漏通道目的；残留于渗漏入口周边的熔融态相变材料由于粘性作用使材料单元粘结于渗漏入口处，起到防护渗漏入口处坝面、防止坝面进一步破损的作用。

4）收回水下机器人。

封堵完成后部分相变材料在渗漏通道中的堵塞情况如图4所示。

Claims (10)

1.一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，包括在水下工作的机器人主体和在水上工作的机器人控制单元；其特征在于，所述机器人主体包括：

生磁单元，包括电磁线圈和依次包裹电磁线圈的防水层、外壳；

材料单元，连接生磁单元底部，包括材料容纳腔，材料容纳腔下表面带凹槽结构，凹槽内容纳固态相变材料和嵌入相变材料中的发热片，所述发热片通过连接线连接生磁单元；所述连接线在相变材料受热熔融时熔断，使材料单元通过相变材料粘附在渗漏入口周边；材料容纳腔底部设有护边；所述材料容纳腔材质为高密度乙烯或橡胶；

移动单元，用于辅助机器人主体沿坝面移动；

探测单元，包括水压感应装置和摄像装置；

所述控制单元包括卷扬机、电磁控制模块和显示模块；分别与机器人主体、生磁单元和探测单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，其特征在于，还包括升降单元，所述升降单元连接生磁单元，控制生磁单元升降；所述控制单元还包括升降控制模块，连接所述升降单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，其特征在于，所述升降单元为电动滑轨。

4.根据权利要求1所述的一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，其特征在于，还包括清理单元；所述清理单元设置于机器人主体前端，包括电动毛刷和电动毛刷后设置的挡板。

5.根据权利要求1所述的一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，其特征在于，所述相变材料为石蜡-松香按质量比4:1配比的复合材料。

6.根据权利要求1所述的一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，其特征在于，所述发热片为铁磁性金属材料；所述电磁线圈为平板式电磁线圈；所述发热片平行于平板式电磁线圈设置于所述生磁单元产生的有效磁场范围内。

7.根据权利要求1所述的一种基于负压吸力的堤坝渗漏封堵机器人，其特征在于，所述连接线熔点在100-300℃之间。

8.利用权利要求1～7任一项所述机器人封堵渗漏堤坝的方法，其特征在于，包括：

通过探测单元探测水下情况，控制机器人主体移动至渗漏入水口位置；

将护边与坝面接触，使渗漏入水口位于护边内部；启动电磁控制模块使得相变材料熔融、连接线熔断；熔融相变材料在负压吸力作用下被吸入渗漏通道，残留相变材料将剩余的材料单元粘附在渗漏入口周边；

控制卷扬机回收机器人主体，装载新的材料单元，重复前述步骤，直至封堵完成。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，机器人主体移动时，控制升降单元将生磁单元和材料单元升起，使其不与坝面接触；待到达渗漏入水口位置时，控制清理单元清理渗漏入口周边附着杂物，之后控制升降单元将所述生磁单元和材料单元降下，与坝面贴合。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括，监测水压感应装置的读数，如果降下材料单元使护边与坝面接触后读数发生明显变化，则启动电磁控制模块；如果降下材料单元，读数无明显变化，则重新定位渗漏入水口位置。

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