航道整治建筑物水下檢測(cè)方法初探

張瑩 康路遙 許吉羊

摘 要：隨著我國(guó)航道的飛速發(fā)展，航道工程建設(shè)規(guī)模、投資力度達(dá)到歷史新高度。為保障航道整治建筑物工程質(zhì)量，總結(jié)近年來(lái)航道整治建筑物水下檢測(cè)最新發(fā)展成果，本文從原理、適用性等角度出發(fā)，介紹主要檢測(cè)方法及特點(diǎn)，為現(xiàn)階段的檢測(cè)工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航道整治建筑物;水下檢測(cè);工程質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U617.9? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0130-03

1引言

航道整治建筑物一般位于迎流頂沖部位，隨著河床變化以及水流沖刷，建筑物周邊易毀損。如不能發(fā)現(xiàn)其損毀，及時(shí)采取維修措施，則損毀將進(jìn)一步加劇，最終影響航道整治建筑物整治功能的發(fā)揮，且維護(hù)成本會(huì)大大增加，因此定期對(duì)航道整治建筑物進(jìn)行檢測(cè)顯得尤為重要。本文特對(duì)現(xiàn)有主要航道整治建筑物水下檢測(cè)方法進(jìn)行分析總結(jié)，為檢測(cè)人員制定檢測(cè)方案提供依據(jù)。

2航道整治建筑物水下檢測(cè)方法

2.1水下探摸攝像檢測(cè)方法

水下探摸攝像檢測(cè)方法是通過(guò)搭建攝像平臺(tái)，連接攝像機(jī)與水下電視，水面操作人員根據(jù)監(jiān)控電視系統(tǒng)指揮潛水員，順定位軌跡進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，潛水員與水上操作人員通報(bào)水下具體情況，并進(jìn)行水下攝像取樣。如遇被沙淤埋的情況，用高壓水槍沖沙清理干凈后再進(jìn)行攝像作業(yè)。潛水員根據(jù)本次檢測(cè)的實(shí)際情況，做出客觀具體的潛水檢測(cè)報(bào)告。檢測(cè)員再結(jié)合檢測(cè)報(bào)告，組織整理相關(guān)材料，提供準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

水下攝像系統(tǒng)檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)是較為直觀，能夠清楚看到水底構(gòu)筑物狀態(tài)，潛水員可在水下進(jìn)行障礙物清除等簡(jiǎn)單的施工作業(yè)。其缺點(diǎn)是檢測(cè)受流速、水深、水質(zhì)狀況、構(gòu)筑物淤埋情況等多種條件限制。

2.2二維圖像聲吶檢測(cè)法

二維圖像聲吶檢測(cè)法是通過(guò)發(fā)射聲波在物體或河床表面發(fā)生吸收、反射及散射，部分散射能量沿發(fā)射方向返回?fù)Q能器處而被接收，聲吶探頭以一定角速度繞豎直軸步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)重復(fù)聲波的發(fā)射和接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)欢ń嵌确秶鷥?nèi)目標(biāo)的掃描探測(cè)。基于二維掃描聲吶圖像可開(kāi)展水下目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、屬性定性判讀、簡(jiǎn)單距離量測(cè)工作。

二維圖像聲吶檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)是采用靜態(tài)旋轉(zhuǎn)掃描模式，在相同作業(yè)條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)的多次掃描，適合于水下目標(biāo)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。通過(guò)GPS和羅經(jīng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)聲吶探頭的絕對(duì)定位，從而實(shí)現(xiàn)多站二維掃描圖像的地理鑲嵌，可進(jìn)行水下目標(biāo)分布范圍的檢測(cè)。

二維圖像聲吶檢測(cè)缺點(diǎn)，航道整治構(gòu)筑物一般范圍較大，聲吶設(shè)備有效作業(yè)半徑多小于100m，大區(qū)域成圖時(shí)需要多站掃描拼接。受旋轉(zhuǎn)步進(jìn)角度的限制，二維掃描圖像并非等分辨率成圖，其成圖綜合分辨率多為分米級(jí)，形成的圖像為二維平面投影圖像，無(wú)法反饋構(gòu)筑物的立體形態(tài)。單站測(cè)量時(shí)，要求整個(gè)掃描過(guò)程處于同一測(cè)量基準(zhǔn)下，施測(cè)過(guò)程對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性要求較高。且構(gòu)筑物淤埋情況下無(wú)法使用二維圖像聲吶檢測(cè)。

2.3三維圖像聲吶檢測(cè)法

三維圖像聲吶系統(tǒng)又稱水下三維全景成像聲吶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可生成水下地形、結(jié)構(gòu)和目標(biāo)物的高分辨圖像。三維圖像聲吶通過(guò)聲學(xué)閃耀陣列將不同頻率聲波按一定的角度輻射形成扇面，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的輻射角度，聲波經(jīng)目標(biāo)反射后被聲學(xué)接收器所接收。

三維圖像聲吶在30m范圍內(nèi)，其長(zhǎng)度誤差在4cm以內(nèi)，角度誤差在1°以內(nèi)，球形掃測(cè)一圈大約在6min-12min左右，適用于小范圍定點(diǎn)靜態(tài)掃描，所成圖像為三維立體圖像，對(duì)細(xì)節(jié)識(shí)別度高。三維圖像聲吶缺點(diǎn)是掃測(cè)范圍小，對(duì)整治建筑物整體狀態(tài)檢測(cè)較為困難，需設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，拼圖數(shù)據(jù)量和工作量大。單站測(cè)量時(shí)，要求整個(gè)掃描過(guò)程處于同一測(cè)量基準(zhǔn)下，施測(cè)過(guò)程對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性要求較高，且同樣對(duì)有淤埋構(gòu)筑物無(wú)法檢測(cè)。

2.4多波束檢測(cè)法

多波束測(cè)深系統(tǒng)由波束換能器陣、波束空間位置傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等三部分組成。該系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射和接受聲波，獲得波束到達(dá)水底的時(shí)間，計(jì)算水深值。其主要用于對(duì)水下地形地貌進(jìn)行大范圍全覆蓋測(cè)量及水下實(shí)時(shí)聲納三維圖像顯示，可直觀地看到水下的地形起伏、沖淤情況以及護(hù)岸工程的效果。

多波束測(cè)深系統(tǒng)適用于大范圍走航掃測(cè)，掃測(cè)精度高，掃測(cè)成圖為三維圖像，以廣泛用于航道整治建筑物的檢測(cè)和航道水底地形的掃測(cè)，并且對(duì)細(xì)節(jié)識(shí)別度較高，可以對(duì)船舶姿態(tài)的影響進(jìn)行修正。多波束測(cè)深系統(tǒng)的缺點(diǎn)是價(jià)格高昂，配套設(shè)備較多，安裝復(fù)雜費(fèi)時(shí)，只能檢測(cè)江底表面的狀態(tài)，不能檢測(cè)淤埋的整治建筑物和沉船。

2.5三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)檢測(cè)法

三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)由電源箱、震源、水聽(tīng)器纜、采集單元這幾個(gè)主要部分組成。完整的系統(tǒng)可以應(yīng)用于淡水或海水環(huán)境下獲取高分辨率三維地震數(shù)據(jù)，穿透能力可達(dá)到湖、河床下面約300m的深度，這種對(duì)地層的穿透能力是淺地層剖面儀所不能達(dá)到的，在對(duì)剖深和分辨率有更高要求時(shí)，絕大多數(shù)使用者都會(huì)選擇利用電火花剖面系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行工作。

不同于普通淺水電火花系統(tǒng)，三維電火花地層剖面系統(tǒng)能夠提供的是三維底層沉積及掩埋物體圖像。該功能主要針對(duì)的是對(duì)埋在水底下面的目標(biāo)的探測(cè)，例如管道、錨鏈、鐵錨及沉船等。因?yàn)樵擃惸繕?biāo)在實(shí)時(shí)二維圖像中，往往需要多年的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，或者只有在進(jìn)行了多條測(cè)線的測(cè)量后，才能夠通過(guò)某些特定軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相對(duì)確定的判斷。但三維電火花剖面系統(tǒng)，能夠幫助沒(méi)有多年經(jīng)驗(yàn)的使用者，得到直觀的水底埋藏目標(biāo)的圖像。

該系統(tǒng)可以應(yīng)用于湖泊與江河勘測(cè)、港口勘測(cè)、水利工程，橋梁、路由管道、風(fēng)電項(xiàng)目勘察，掩埋礫石清理，航道危險(xiǎn)障礙物調(diào)查等項(xiàng)目中。三維電火花系統(tǒng)要求船至少有25-35m長(zhǎng)和6-8m寬。船只尾部固定兩個(gè)伸出船側(cè)的支架，支架需要約6m長(zhǎng)，具體長(zhǎng)度根據(jù)船只情況確定。船只運(yùn)行時(shí)的噪音與運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力成正比，因此建議使用低功率，一臺(tái)低轉(zhuǎn)速推進(jìn)器。為了方便布放地震纜絞車(chē)和兩個(gè)震源，船只后甲板應(yīng)有最少25-30m2空間。2臺(tái)高壓電源箱、2臺(tái)采集系統(tǒng)和地震纜定位系統(tǒng)需要在測(cè)量室內(nèi)留出約20m2空間。

相較于其他檢測(cè)方法，三維電火花系統(tǒng)檢測(cè)能穿透地層，對(duì)一定深度的水底地層形成三維圖形，通過(guò)切片分析可以探知淤埋整治構(gòu)筑物和沉船情況。其具有成像立體，精確度更高，易分辨目標(biāo)物等優(yōu)點(diǎn)。但三維電火花安裝較為復(fù)雜，價(jià)格高昂，作業(yè)難度大，且數(shù)據(jù)后處理耗時(shí)較長(zhǎng)。

3結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)航道整治建筑物工程質(zhì)量要求越來(lái)越高，合理規(guī)范應(yīng)用各類水下檢測(cè)手段，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)控和檢測(cè)將成為工程中的頭等大事。在檢測(cè)前期，檢測(cè)人員應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況、各類檢測(cè)方法的特點(diǎn)綜合考慮，制定檢測(cè)方案。對(duì)于檢測(cè)情況較為復(fù)雜的項(xiàng)目可采用多種檢測(cè)方法組合的方式進(jìn)行檢測(cè)，以提高檢測(cè)效率及質(zhì)量。

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