深水潛堤施工的水下定位與檢測技術探討

石峰

（上海達華測繪有限公司，上海200136）

深水潛堤施工的水下定位與檢測技術探討

石峰

（上海達華測繪有限公司，上海200136）

以長江口12.5 m航道整治的潛堤施工為研究對象，采用超短基線實時測量、水下三維聲納實時跟蹤、側掃聲納工后檢測等測量技術手段，闡述了深水區鋪排、砂袋拋放、拋石施工定位及檢測的作業工藝。通過分析為深水區的潛堤施工提供了準確、便捷的測量手段，對同類作業有一定的指導意義。

深水潛堤；水下定位；超短基線；三維聲納；檢測

0 引言

隨著長江口12.5 m航道整治工程的展開，深水潛堤的施工給水下鋪排、拋石護坡及袋裝砂拋放的測量定位、過程監測及工后的檢測提出了挑戰。如何準確、快速、經濟地完成水下潛堤的施工測量作業成為項目實施的核心。

利用超短基線水下實時定位跟蹤、水下三維聲納實時掃描及側掃聲納工后檢測等技術[1-4]，結合施工區的水深、分層流速等信息進行鋪排、水下袋裝砂（或網兜石）拋放的定位測量與實施監測，為深水區水下鋪排、拋石、拋砂袋的準確施工提供新的技術手段，有利于項目的快速、準確、高效實施，有利于推動行業的技術進步。

1 項目實施難點

1.1 施工區環境及施工作業特點

1）水流速度快，最快的流速可達3.0 m/s。

2）水深深，潛堤施工區域的水深超過40 m。3）排布寬，水下受力明顯。

4）拋石網兜、砂袋水面拋放后受水流作用發生漂移。

5）施工后的檢測難度高，傳統的檢測手段難以實施。

1.2 施工測量難點

1）深水、高流速情況下軟排體位置動態實時監測。

2）拋石體、袋裝砂拋放過程中的狀態及漂移距離的檢測。

3）排體鋪設好以后的水下檢測。

4）拋石體、袋裝砂施工結束后的斷面檢測。

2 解決方案及實施工藝

2.1 深水軟體排鋪設施工測量解決方案及工藝

2.1.1 深水軟體排鋪設施工測量解決方案

軟體排的施工測量工作共分為兩部分：施工過程中的動態監測和工后排體位置及搭接狀態的檢測。

1）過程監測

軟體排施工的過程監測與水下實時定位同步進行，利用超短基線水下實時定位技術完成。超短基線的水下定位信標固定安裝在軟體排的邊緣，發射接收機固定安裝在施工船的一側。鋪排施工過程中，通過實時接收水下信標的定位信息來反映軟體排的水下實時位置及運動軌跡，施工人員根據鋪排軟件反映出的實際位置與設計位置的偏差，及時進行調整，確保鋪排施工的準確定位。當排體鋪設到水底后，水下信標隨排體落在水底，再次測量水下信標的位置，從而準確獲取排體的最終位置。

2）工后檢測

軟體排的工后檢測主要檢測排體最終的位置及水下形態，是否發生卷角、折疊以及搭接是否滿足要求等。傳統的水下排體檢測主要采用浮球倒垂法加人工潛摸的方式，精度低、安全風險高。針對該區域水深流急的特點，采用側掃聲納進行軟體排的水下檢測。

2.1.2 超短基線鋪排施工測量工藝

1）測量定位原理

超短基線測量系統主要由發射接收單元（俗稱水聲換能器）及水下應答信標兩部分組成。換能器探頭里有多個水聽器，按三角形布陣，水聽器之間距離只有幾厘米。系統是根據聲波在水中傳播的往返時間及聲速來測量水聲換能器到水下信標的距離（S=vt/2）；利用安裝在水聲換能器探頭中的多個水聽器接收陣接收水下信標應答信號的相位差來確定發射接收機相對船首的方位。

2）施工測量工藝

鋪排測量使用超短基線測量系統如圖1所示。其中操控室內安裝有2套控制單元及1套鋪排軟件施工作業系統。2組超短基線定位系統分別接收固定在排體兩側信標所發出的回聲信號進行定位，系統將兩組數據進行坐標轉換形成符合施工要求的坐標數據，通過后處理軟件及實時顯示平臺監測排體在水下的位置信息，對鋪排作業過程進行監控，對鋪設好的水下排體進行準確定位。

圖1 超短基線鋪排作業水下定位系統示意圖Fig.1 The underwater positioning system of mattress laying work by ultra-short baseline

深水作業時定位信標一般有8～12個。施工時將信標固定在排體的邊緣，每2個為1組，對稱分布在排體的兩邊，分4～6組循環使用，每組間距10～30 m。當某一組水下信標到達水底穩定后，測量其最終坐標并釋放回收該設備，繼續進行下一組的測量，如此循環完成整個排體的施工定位及監測。在施工過程中，通過鋪排軟件的坐標成圖、比對、報警功能實現排體鋪設的測量控制，為下一張排體的鋪設、搭接提供準確的數據成果。

2.1.3 軟體排的工后檢測工藝

1）側掃聲納測量原理

側掃聲納系統是基于回聲探測原理進行水下目標探測。通過系統的換能器基陣以一定的傾斜角度、發射頻率，向水底發射具有指向性的寬垂直波束角的脈沖超聲波，聲波傳播至水底或水底目標后發生反射和散射，又經過換能器的接收基陣接收水底的反射和散射波，經過儀器的處理，用顯示裝置顯示，用記錄器儲存，工作時換能器按一定的頻率發射和接收聲波，并得到一系列回波。由于換能器基陣收到水底各點回波的時間有先后之分，故通過模數轉換電路以聲圖形式顯示、記錄。當聲波傳播距離越遠時，換能器接收到的回波的時間就越長，從而反映出水底排體的位置及陰影信息。掃測排體的工作原理如圖2所示。

2）側掃聲納檢測軟體排的測量工藝

首先將RTK-DGPS、側掃聲納拖魚安裝在測量船上，利用專用的掃測軟件進行測量，如圖2所示。如果水下鋪設的軟體排有下陷或堆積現象，掃測時該區域沒有聲波返回，圖像就會產生陰影，

也就可以反映出水下軟體排的鋪設情況。利用側掃聲納進行排體鋪設好以后的位置及狀態檢測可以達到事半功倍的效果，已在長江口、南通及洋山等多個鋪排施工項目中實際應用。圖3是側掃聲納在長江口12.5 m航道整治白茆沙項目中的檢測成果。

圖2 側掃聲納掃測排體示意圖Fig.2 Sketch of sweeping the mattress by side scan sonar

圖3 混凝土連鎖片排側掃影像Fig.3 Sweeping image ofconcrete chain blocks

2.1.4 超短基線及側掃聲納的測量檢測優點

1）可對施工中的水下排體實現實時動態定位及監測，速度快、效率高，可實現鋪排施工的動態控制。

2）檢測手段簡單，風險小，不用配備專用的檢測船及專業的潛水員，成本費用較低。

3）檢測精度高，信息量豐富，有利于數據成果分析處理。

4）不受水深及排體檢測點多少的影響，易于實現全覆蓋檢測，檢測質量高、風險小。

2.2 袋裝砂及網兜石拋放施工的測量解決方案與工藝

2.2.1 測量解決方案

袋裝砂及網兜石（以下統稱拋放體）受水流作用會隨水流漂移，漂移距離與水的分層流速、水深、下放角度等有關，準確測量并計算其漂移距離是確保施工質量的關鍵。

如圖4所示，在施工作業船上同時安裝水下三維聲納測量系統及超短基線測量系統，在拋放體上拴系可回收的水下定位信標，利用超短基線的測量定位功能實時監測砂袋及拋石體的水下位置狀態，從而確定拋放體的水下移動距離，為施工作業提供預拋量。利用水下三維聲納對拋放體進行實時三維掃描，測量其水下運動形態，為施工拋放方式改進提供依據。

圖4 水下拋放體檢測示意圖Fig.4 Detection ofthrowing the stone in water

2.2.2 水下三維聲納的測量原理

利用英國CodaOctopus公司生產的EchoScope三維聲納，整個三維聲納測量系統配備了高精度的三維姿態儀、羅經及GPS等，可安裝在測量船或水下機器人上進行動態實時測量。系統利用聲學相控陣技術可在水平及垂直視場（50°×50°）內同時形成16 000個波束（橫向128×垂向128），距離探測精度可達4 cm。

2.2.3 檢測工藝流程

在水下潛堤整體施工前進行典型的預拋施工，并準確測量拋放體在水下的實際漂移距離，為后續大批量水下拋放施工提供依據。拋放前需要做好以下工作。

1）利用ADCP測流設備測量施工區從水面到水底的各水層流速。

2）拋放體上拴系帶回收功能的水下定位信標。3）測量或計算拋放體的體積。

拋放體入水后，利用超短基線及水下三維聲納測量其水下實時的位置及動態，量測并分析其水下移動軌跡，建立水層流速、拋放體體積、水深與拋放體漂移距離的數學模型。

典型拋放施工結束后，根據建立的數模，輸

入施工時的水流、水深、拋放體體積等相關數據信息，比較準確地估算出拋放體沉入水底后的實際位置。拋放過程中仍采用水下三維掃描聲納進行監測，準確測量拋放體的水下實際位置。

2.2.4 砂袋及網兜石工后檢測

砂袋及網兜石的檢測主要是拋放到位后的斷面檢測及水下狀態檢測，采用高精度水下三維聲納來完成，通過三維聲納可獲得砂袋及網兜石水下三維數據信息，形成詳細的數據成果及圖像成果。圖5是利用水下三維掃測水下混凝土方塊的三維圖像，其圖像的分辨率達到厘米級。

圖5 三維聲納測量數據影像圖Fig.5 3D sonar measurement image

根據三維聲納測量獲得的三維水深數據，可以繪制水下潛堤的縱橫向斷面圖。由于三維聲納是全斷面、全覆蓋的測量，測量數據信息豐富，可根據其測量結果對特征點、特殊斷面進行有針對性的分析，從而確保潛堤的施工質量。

3 結語

在流速較快的深水區進行潛堤施工存在許多技術難題，國內外鮮有參考及報道的先例，對水下潛堤施工進行全面、準確的動態監測及實時監測是一項技術挑戰。

超短基線測量定位技術、三維聲納掃測技術、側掃聲納檢測技術等在深水潛堤施工中的綜合應用，為水下潛堤施工的過程實時監測、工后狀態檢測提供了有效的檢測手段，其安全性、準確性、高效性將為深水作業區的水下施工提供重要保障，可為同行業的施工檢測提供參考。

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Discussion on underwater positioning and detecting technology of deep submerged breakwater construction

SHIFeng
（ShanghaiDahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai200136,China）

Taking the submerged breakwater construction for 12.5 m waterway regulation at the Yangtze Estuary as the research object,we used measurement techniques such as ultra-short baseline real-time measurement,underwater 3D sonar real-time tracking,and side scan sonar survey after work,expounded the operation process of deep water mattress laying, sandbag arrangement and location of riprap and measurement.This paper provides accurate and convenient measurement method for deep water submerged breakwater construction,and has certain guiding significance for the same works.

deep submerged breakwater;underwater positioning;ultra-short baseline；3D sonar；detection

U617

A

2095-7874（2015）12-0062-04

10.7640/zggwjs201512015

2015-07-30

石峰（1964—），男，上海市人，高級工程師，測量工程專業。

E-mail：490729930@qq.com