多波束和三維聲吶技術在碼頭工程中的應用實例

譚博珍

摘 要：使用多波束和三維聲吶測量技術對某碼頭工程基床前肩構造及沉箱安放的施工效果進行檢測，將水下隱蔽工程圖像化，直觀地反應隱蔽工程的全貌，為隱蔽工程的檢驗與缺陷的修護提供依據(jù)和可視化的資料。

關鍵詞：多波束;三維聲吶;檢測

1引言

在碼頭工程中，多波束測量技術掃測精度較高，能直觀、準確地判斷海床面的地形情況，是航道、港池、基床施工后重要檢測手段。三維聲吶系統(tǒng)水下目視檢測是利用目力、水下照相或錄像進行檢測的方法[1，2]，該方法能在含沙量大、能見度低、水下地形復雜的環(huán)境中，通過三維圖像清晰反映水工結構真實場景。本文以工程實例，結合多波束和三維聲吶成像兩者技術的結合，通過檢測手段，可視化施工效果，利于碼頭水下結構的質量檢查和修復。

2工程概況

廈門港古雷港區(qū)某泊位工程位于古雷半島西側東山灣灣口東側，碼頭長349m，15萬噸級通用泊位。碼頭基床頂標高為-19.50m，結構采用連片式方沉箱結構（共18個沉箱），沉箱尺寸為長18.75m×寬19.1m×高22.2m，趾長1.0m。沉箱安裝完后，因外部環(huán)境影響，工程停工長達1年，且碼頭前沿柵欄板尚未安裝。復工前，采用多波束和三維聲吶測量技術對基床前肩、沉箱安裝質量檢查，為后續(xù)施工或缺陷修復提供依據(jù)。沉箱安裝平面圖見圖1所示。

3工作原理

3.1 多波束掃測

水深掃測采用美國Trimble SPS461信標機進行動態(tài)定位，配合SeaBat T50-P寬帶多波束測深系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，同時將自動采集的數(shù)據(jù)儲存在計算機中。在水深掃測的同時，設立臨時潮位站進行人工同步潮位觀測，用于多波束后處理數(shù)據(jù)的潮位改正，水深掃測全覆蓋測量范圍。

系統(tǒng)包括SeaBat T50-P處理器;接收/發(fā)射換能器;數(shù)據(jù)采集計算機;OCTANS光纖羅經(jīng)運動傳感器;HY1200聲速剖面儀;SPS461接收器;專用安裝支架;PDS2000導航、數(shù)據(jù)采集軟件;Carise Hips數(shù)據(jù)處理軟件。多波束系統(tǒng)構成示意圖如圖2所示;現(xiàn)場測量圖見圖3所示。

3.2 三維聲吶系統(tǒng)

水下三維聲吶系統(tǒng)（BV5000）首先通過聲吶頭發(fā)射一個頻率1.35MHZ的脈沖信號，形成一個45°*1°的扇形掃描區(qū)域，每個脈沖包含256個聲學波束，以相同間隔排列在垂直方向上，即每個波束的間距為0.178°，系統(tǒng)接收到目標物反射的信號后，結合波束形成、波束指向、振幅及相位檢測等技術，得到扇形區(qū)域256個點與換能器的位置信息，生成1個2D圖像，再通過計算機控制云臺在水平方向上360°旋轉，實現(xiàn)檢測目標物不同部位的位置信息，最終形成3D圖像。

系統(tǒng)設備包括聲吶頭、云臺、接線盒及數(shù)據(jù)傳輸電纜等。系統(tǒng)構成示意圖如圖4所示，現(xiàn)場測量圖見圖5所示。

4檢測內(nèi)容

4.1基床前肩

檢查暗基床寬度、標高與坡度情況，即前肩寬度是否滿足規(guī)范要求，是否存在局部超高或欠拋。

4.2沉箱安裝

檢查沉箱接縫寬度以及安裝過程碰損情況。定性分析沉箱接縫破損情況，對于較大接縫進行定量分析，對明顯的異常情況進行排查。

5數(shù)據(jù)分析

5.1沉箱安裝

5.1.1沉箱安裝接縫

沉箱接縫寬度自北向南進行編號，共18個接縫。對BV5000獲得的數(shù)據(jù)進行分析，并與實際量測尺寸比對。沉箱設計高度為22.2m，按《水運工程驗收標準》，沉箱高度超過10m，允許最大接縫寬度應為8H/1000=177.6mm。

根據(jù)比對數(shù)據(jù)，有16個合格，合格率89%，沉箱接縫寬度分析見表1。另外，9#接縫相鄰沉箱錯位明顯，錯位約20cm。

選取8#沉箱安裝后接縫寬度，上部用直尺實際量測，水下用三維聲吶系統(tǒng)生成的3D結構圖像化，能準確反映沉箱安裝質量。從8#沉箱安裝數(shù)據(jù)分析，基床未夯實而發(fā)生不均勻沉降，導致沉箱之間的縫寬超出設計和規(guī)范允許偏差。對沉箱縫寬不合格的情況，在后續(xù)后沿棱體拋石需特殊處理。? 實測與三維聲吶數(shù)據(jù)對比見圖6所示。

5.1.2沉箱前趾

沉箱前趾在三維聲吶系統(tǒng)生成的3D結構圖像能清晰的反映出沉箱前趾大量堆積物，整個前趾已被覆蓋，無法對其施工效果進行定性定量分析，待清淤后重新掃測。沉箱前趾生成的3D結構圖像見圖7所示。

5.2基床前肩

多波束掃測后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析能反映基床前肩淤積大量的淤泥，無法準確量取寬度、高程，必須清理淤泥后重新掃測。不過通過對比實測斷面和設計斷面，未發(fā)現(xiàn)欠拋現(xiàn)象。基床前肩多波束掃測圖見圖8所示。

6結論

（1）三維聲吶系統(tǒng)（BV5000）精度高、成像清晰，且通過可視化直觀反映水下結構狀況，為水下結構質量檢查和缺陷修復提供重要的技術手段。

（2）SeaBat T50-P多波束測量技術能高精度、全覆蓋，準確測量出水下地形地貌，數(shù)據(jù)處理分析與三維聲吶系統(tǒng)成像結果基本吻合。

（3）本次測量中，三維聲吶系統(tǒng)仍然存在不足，受環(huán)境因素、水流因素、操作方法或設備自身缺陷，對于微小缺陷不能直觀反映。但它借助三維顯示技術，可提供水下目標外形輪廓的更多細節(jié)描述，是目前水下細部結構檢測比較先進的手段[3，4]。

參考文獻：

[1] 程志虎.水無損檢測技術綜述下[J]. 無損檢測， 1997， 19（9）：266-269.

[2] 張劍波.水下結構物檢測與維修技術概論[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[3] 戴林軍，郝曉偉，吳靜，等.基于三維成像聲吶技術的水下結構探測新方法[J]. 浙江水利科技， 2013， （3）：62-65.

[4] 時振偉，劉翔，張建峰，等.三維成像聲吶BV5000在水下測繪領域中的應用[J]. 氣象水文海洋儀器，2013（3）：48-52.