基于多波束測深的海底基床監(jiān)測與分析

孫陽陽，徐良，張建軍，寧進進

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

基于多波束測深的海底基床監(jiān)測與分析

孫陽陽，徐良，張建軍，寧進進

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

隨著多波束測深精度的提高及深水基床鋪設(shè)精度要求的提高，多波束在深水基床鋪設(shè)中的監(jiān)測作用越來越大。文章以港珠澳大橋島隧工程深水碎石基床鋪設(shè)為例，詳細(xì)介紹了多波束在碎石基床整平淺點分析、回淤監(jiān)測分析中所發(fā)揮作用?？蔀轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>

多波束；測深；碎石基床；回淤監(jiān)測

0 引言

近年來隨著大型海底隧道的建設(shè)，深水基床鋪設(shè)的精度要求越來越高，多波束在深水基床鋪設(shè)中發(fā)揮著重要的監(jiān)測作用。

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海、澳門的大型跨海通道，大橋采用橋隧組合方案，其中在伶仃西和銅鼓航道處采用海底隧道，隧道出口與橋梁相接處修建東、西人工島銜接，兩島之間平面距離為5 584 m。

隧道基槽開挖后，首先進行塊石的拋填及夯平，然后進行碎石基床鋪設(shè)。碎石基床鋪設(shè)厚度為1.3 m，壟頂寬度1.8 m，壟溝寬度1.05 m，采用碎石基床整平船“津平1”施工（圖1）。由于沉管安裝精度要求高，根據(jù)《港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》[1]，碎石基床壟頂部標(biāo)高允許偏差為±40 mm，這對碎石基床的驗收工作提出極高要求。

圖1 碎石基床施工圖Fig.1 The construction plansof gravelsubgrade

2 多波束測深原理

多波束測深系統(tǒng)由多波束聲學(xué)系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍輔助傳感器及成果輸出系統(tǒng)組成。多波束聲學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生具有一定方向的波束進行發(fā)射并接收，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并反算其測量距離（圖2）。多波束數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過外圍輔助傳感器參數(shù)對數(shù)字信號進行各項改正，并通過成果輸出系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行后處理及最終成果輸出，最終得到海底水下地形（圖3）。

圖2 多波束測深系統(tǒng)原理圖Fig.2 The principleofmulti-beam bathymetry system

圖3 碎石基床多波束測深三維圖Fig.3 The3D view of gravelsubgradeusingmulti-beam bathymetry

EM 2040多波束掃測頻率范圍為200～400 kHz，掃測角度為140°，最大頻率為50 Hz，脈沖長度很短，小于25 us，深度分辨率達到毫米級，通過具有roll、pitch、heave及heading的高精度OCTANS光纖羅經(jīng)進行姿態(tài)補償，通過聲速剖面儀測量出聲速剖面進行聲線改正，通過表面聲速儀進行換能器處聲速實時改正，從而準(zhǔn)確進行聲速導(dǎo)向，確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[2-3]。

3 多波束測深監(jiān)測分析

3.1 碎石基床整平淺點分析

碎石基床整平過程中整平船會進行基床整平標(biāo)高自檢，自檢通過單點聲吶進行，由于受其測深精度及測深范圍影響，無法對整體基床進行測量，因此在基床整平完成后，部分區(qū)域可能存在淺點及落淤。受沉管安裝精度及碎石基床驗收標(biāo)準(zhǔn)的要求，這些淺點必須及時發(fā)現(xiàn)并進行水下處理。多波束測深系統(tǒng)可在淺點查找方面發(fā)揮重要作用。

根據(jù)JT/T 790—2010《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求》[4]并結(jié)合港珠澳大橋島隧工程現(xiàn)場情況，測深線采用南北布設(shè)，順潮流流向。根據(jù)基床水深，測深線布設(shè)寬度為30～40 m，保證基床上每片區(qū)域都具有2條及以上的測線測量數(shù)據(jù)。此等測量方法，如某區(qū)域有2條測線的測深點都高于正常壟頂面，則可判定此區(qū)域為基床淺點，如僅有1條測線顯示為淺點，則需進行補測，重新確定。如圖4為明顯基床淺點。

圖4 碎石基床淺點測深圖Fig.4 The shallow point bathymetry of gravel subgrade

將基床碎石壟測量標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高進行比對，求出標(biāo)高差值，進行統(tǒng)計分析，可以對碎石基床整體質(zhì)量作出判斷，表1為某管節(jié)碎石基床壟頂標(biāo)高差值統(tǒng)計表。

表1 碎石基床差值統(tǒng)計表Table1 The statisticsofgravelsubgrade difference

3.2 碎石基床回淤監(jiān)測分析

碎石基床施工完畢至沉管安裝期間，島隧工程施工區(qū)域可能受臺風(fēng)影響及漲落流影響造成基床回淤，如回淤過大，造成回淤沉積物厚度超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，則無法進行沉管沉放安裝。因此，碎石基床整平后基床回淤檢測分析必不可少[5]。

碎石基床回淤監(jiān)測，測線應(yīng)與基床首次測量時測線保持一致，使得測量環(huán)境一致，減小誤差影響。通過對碎石基床回淤狀況的分析，可以判斷出碎石基床回淤厚度，從而確定是否具備沉管安裝條件，避免造成巨大損失。

圖5為碎石基床整平完成及5 d后測量數(shù)據(jù)差值分布圖。圖中數(shù)值代表回淤量，正值代表相對于基床整平后回淤，“-”代表相對于基床整平后數(shù)據(jù)偏深。

圖5 基床回淤差值圖Fig.5 Thed ifferentialm ap of subgrade siltation

由圖5可以看出碎石基床第三、四、五船位回淤量較大，部分區(qū)域回淤20 cm左右，對沉管安裝造成影響。同時基床北側(cè)區(qū)域回淤量多于基床南側(cè)區(qū)域。

對碎石基床壟頂面高程差值數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

表2 基床回淤值Table2 The tableof subgrade siltation

由于受基床回淤影響，因此測量時效性相當(dāng)重要，基床整平完畢后即刻進行多波束掃測，如發(fā)現(xiàn)可疑區(qū)域，應(yīng)對其進行探摸，判斷是碎石淺點還是回淤物。

4 結(jié)語

大型海底沉管隧道對碎石基床整平精度提出了更高的要求，多波束測深精度也有了很大提高，部分多波束測深系統(tǒng)量程分辨率已達到毫米級，這對沉管碎石基床的驗收提供了良好基礎(chǔ)。采用多波束進行碎石基床監(jiān)測，可以高效、全面地對沉管碎石基床質(zhì)量進行檢測，為后續(xù)沉管的安裝提供保障，同時可為其他類似海洋工程施工提供參考。

[1]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[S].修訂版.2013. Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and quality acceptance criteria for tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[S].Rev.ed.2013.

[2]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008. ZHAO Jian-hu,LIU Jing-nan.Multibeam bathymetric and image dataprocessing[M].Wuhan：Wuhan University Press,2008.

[3]鄭偉，李煒.GPS-RTK三維水下地形測量的應(yīng)用與誤差分析[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（7）：42-45. ZHENGWei,LIWei.Application and erroranalysisof GPS-RTK three-dimensional underwater topographic survey[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):42-45.

[4]JT/T 790—2010，多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求[S]. JT/T 790—2010,Technical requirements for multibeam echosoundersystem surveying[S].

[5]高耿明，潘潤秋.基于多波束測深的海底沉管基槽回淤監(jiān)測與分析[J].測繪信息與工程，2010，35（4）：32-33. GAOGeng-ming,PANRun-qiu.Based onmulti-beam bathymetry of the seabed foundation trenchmonitoring and analysis[J].Journal ofGeomatics,2010,35(4):32-33.

M onitoring and analysis of seafloor subgrade using multi-beam bathymetry

SUNYang-yang,XU Liang,ZHANG Jian-jun,NING Jin-jin
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarborEngineering Co.,Ltd.,Qingdao，Shandong266071,China）

With the improvementof the accuracy of themulti-beam bathymetry and seafloor subgrade pavement,multi-beam playsan increasing role in themonitoring of the seafloor subgrade pavement.Taking the deepwater gravel subgrade pavement of the Hongkong-Zhuhai-macao Bridge island&tunnelprojectas an example,we introduced ahuge roleabout themulti-beam at the shallow point analysis on gravel subgrade leveling and the siltation monitoring analysis,which can provide references for similar projects.

multi-beam;bathymetry;gravel subgrade;siltationmonitoring

U452.1

A

2095-7874（2015）11-0046-03

10.7640/zggw js201511013

2015-10-19

孫陽陽（1990— ），男，山東德州市人，助理工程師，測繪工程專業(yè)，主要從事水深測量工作。E-mail：987440768@qq.com