兩種主要測量手段在拋石護岸工程水下質量檢測中的應用*

羅 青，王茂枚，趙 鋼，陳 楠，蔡 軍

(江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017)

拋石護岸工程是崩塌岸坡加固治理施工的重要措施，對長江河勢穩定及堤防安全具有積極的作用，同時因其施工靈活、操作簡單、價格低廉、能較好地適應河床變形等特點而被廣泛應用[1-2]。拋石護岸工程作為水下隱蔽工程，其水下質量檢測的方法是利用測深儀對施工前、后的水下地形進行測量，分析施工后地形變化即拋石增厚值來評價施工質量。水下工程質量檢測是保障工程發揮經濟與社會效益的重要環節，檢測結果的正確性關系到工程能否正常運行。目前，測深儀以傳統的單波束測深儀與新興的多波束測深系統為主。與單波束測深儀相比，多波束測深系統具有掃幅寬、全覆蓋、高效率、高精度和高分辨率等諸多優點[3]。大量對兩者測量精度以及在不同應用中的對比研究表明多波束測深系統具有明顯的優勢[4-5]。但多波束測深系統設備笨重、安裝復雜、操作繁瑣，需要投入更多的人力、物力、財力[6]，而單波束測深儀輕便，易于安裝，操作與后處理簡單，經過許多學者的開發應用和改進[7-8]，無論是觀測精度還是工作穩定性，都已經達到相當高的水平，因此單波束測深儀仍然被廣泛使用。

當前，水下工程質量檢測采用“斷面法”進行數據分析，通過若干條斷面施工前、后兩期數據的疊置分析結果判斷施工質量。相比一般的水下地形測量，其應用要求比較特殊：1)要求檢測斷面測量數據的準確性；2)要求檢測斷面地形相對變化即檢測結果的正確性。針對這種特殊的應用，單波束測深儀與多波束測深系統的兩期測量結果有怎樣的差異，會對檢測結果產生怎樣的影響還鮮有研究。本文對這2種測量手段施工前、后的測量數據以及差值的檢測斷面數據進行定性和定量分析，以期為拋石護岸工程水下質量檢測中測量手段的科學使用提供參考依據。

1 測量手段的檢測特點

1.1 單波束測深儀檢測特點

單波束測深儀(簡稱單波束)測深特點是單點連續測量形成斷面地形數據，數據沿測線密集分布，而測線間沒有數據。進行工程質量檢測時，須根據預設的檢測斷面進行測量，通過導航軟件的偏航顯示情況，對測船航向進行修正，確保測船始終沿著檢測斷面方向航行，對測船航向要求較高。

1.2 多波束測深系統檢測特點

多波束測深系統(簡稱多波束)是一種由多傳感器組成的復雜系統，主要由換能器、DSP數據處理系統、高精度的運動傳感器、GPS衛星定位系統、聲速剖面儀及數據處理軟件構成[9]。它采取多組陣和廣角度發射與接收，可以同時獲取上百條水下條帶水深數據，形成條幅式高密度水深數據，是一種全新的海底地形精密探測技術。與單波束測深儀相比，多波束測深系統把測深技術從點、線擴展到面[10]，測量時，多波束點云數據可以全覆蓋工程區。

2 試驗及數據分析

2.1 試驗方案

大勝關段位于南京市雨花臺區和建鄴區長江右岸梅山新碼頭—秦淮新河下游，在長江江蘇段具有一定的代表性。選取長440 m、寬100 m、設計拋厚1.5 m的部分工程區作為試驗區，采用ATLAS DESO 35單波束測深儀(測深范圍0.2～200 m，頻率210 kHz)，精度1 cm±0.1%深度和R2SONIC 2024多波束測深系統(用于2～500 m深度的水域，量程分辨率1.25 cm)，按照規范[11]布設了10條檢測斷面，共生成210個檢測點。

在施工前和施工后，分別使用單波束與多波束對試驗區進行水下地形測量，單波束根據預設檢測斷面進行測量，多波束進行全覆蓋掃測。獲取的測量數據均通過自檢，主測深線與檢查線的深度互差均滿足規范[12]要求。

2.2 施工前測量數據分析

對施工前單波束與多波束的測量數據進行空間疊置，篩選同名點(2種測量數據X、Y互差不超過5 cm)的測量數據作為試驗數據，共篩選試驗數據477個，水深在25～45 m范圍內，對兩者的測量差值進行統計分析。施工前測量差值絕大部分位于-0.2～0.2 m之間，占比92.8%(表1)。由此可見，拋石護岸施工前，單波束與多波束測量結果基本吻合。

表1 拋前深度差值對比分析

2.3 施工后測量數據分析

對施工后單波束與多波束的測量數據進行空間疊置，篩選同名點(2種測量數據X、Y互差不超過5 cm)測量數據作為試驗數據，共篩選試驗數據409個，水深在25～45 m范圍內，對兩者的測量差值進行統計分析。施工后，差值絕對值≤0.2 m，占比50.9%；差值絕對值≤0.5 m，占比91.1%(表2)。由此可見，拋石護岸施工后，單波束與多波束的測量差異增加。

表2 拋后深度差值對比分析

2.4 檢測斷面統計分析

根據施工前、后的測量數據分別生成單波束與多波束的檢測斷面數據，計算出其檢測點增厚值，最后對單波束和多波束的檢測點增厚值進行差異分析。由表3可見，單波束與多波束檢測點增厚差值差異顯著，遠大于施工前與施工后兩者的測量差異。

表3 檢測點增厚值差值占比

任選一條檢測斷面，作單波束與多波束施工前、后檢測斷面對比。由圖1a)可見，施工前，單波束與多波束生成的檢測斷面線基本吻合；由圖1b)可見，施工后，兩者的檢測斷面差異增加，尤其是陡峭和變化較大的區域。單波束由于測量數據稀疏，生成的檢測斷面較平滑；而多波束數據密集，檢測斷面更接近真實地形，并且施工會增加單波束生成的檢測斷面誤差。

圖1 檢測斷面

2.5 原因分析

1)水下地形復雜度與波束角及波束偏移。拋石施工工藝隨機性大，拋石后，水下地形粗糙不平，短期內人為破壞了水下地形的空間相關性[13]。圖2為工程區多波束數據生成的任意一條施工前、后水下地形斷面對比。由圖2可見，施工后，水下地形的復雜度增加，放大了單波速測深儀的測量誤差。一方面，單波束波束角普遍比多波束波束角大，波束角越大，腳印越大，水下地形分辨率就越低，測量誤差越大；另一方面，單波束測深沒有進行測船姿態矯正，測船的橫搖和縱搖使聲波傾斜入水，產生了水深數值上的偏差和測點位置的偏移[14]。表4列出波束傾斜不同角度在不同水深下測點位置的偏移距離。

圖2 施工前、后斷面對比

表4 不同波束傾角下的偏移距離

2)單波速航跡線偏移。目前，水下工程質量檢測方法是“斷面法”，測深儀獲取的測量初始數據根據檢測斷面線差值生成檢測數據。單波束測量時，測量船沿著檢測斷面線進行數據采集，但測量船航跡線與斷面線難以完全重合，而是呈沿著斷面線左右擺動的曲線(圖3)。航跡線的偏移導致測量數據位置的偏移，從而增加了差值生成的斷面誤差。更重要的是，施工前、后單波束的2次測量軌跡也不能完全重合，導致兩期數據進行疊置分析時數據之間位置偏移更大，使檢測點增厚值與斷面增厚值存在較大的誤差。在工程水下質量檢測時，多波束測量的海量點云數據可以實現兩期數據位置與檢測斷面的統一，但單波束航跡線的偏移對工程水下質量檢測結果的影響往往被忽略。

圖3 單波束航跡線與檢測斷面線關系

為了說明施工前、后測點位置的偏移可能導致的誤差，作如下統計分析：統計不同偏移距離下，施工前、后的測量數據在偏移距離范圍內與檢測數據的差異，圖4為任意選取的3組偏移距離的統計分析結果。由圖4a)～c)可見，施工前，隨著偏移距離的增加，數據差異無明顯增加，偏移1 m對檢測結果無大影響，差異基本保持在-20～20 cm。由圖4d)～f)可見，施工后，3組深度差值發生明顯變化，與施工前相比，相同的偏移半徑，數據差異增加，同時，隨著偏移半徑的增加，差異增大，偏移50 cm對檢測結果已經產生了較大影響?？梢?，施工后，測點位置的偏移對檢測結果的生成有很大影響，這正是單波束與多波束檢測結果差異明顯的最主要原因。

圖4 施工前、后不同偏移半徑時深度差值頻數分布

3 結語

1)拋石施工前，水下地形具有空間相關性，地形復雜度較低，單波束與多波束的測量數據基本吻合，兩種測量手段的精度滿足施工前水下地形的測量要求。

2)拋石施工后，人為短期內破壞了水下地形的空間相關性，導致水下地形復雜度急劇增加。而水下地形復雜度的增加擴大了波束角及波束傾斜而導致的測量誤差，增加了單波束與多波束的測量數據差異。

3)單波束航跡線的偏移以及施工前、后兩期數據測量軌跡的不重合導致差值生成的檢測結果存在較大誤差，而這種航跡線的偏移對工程水下質量檢測結果的影響往往被忽略。

4)基于以上原因，本文建議在利用單波束測量復雜地形，尤其是深水區時，應考慮單波束測深儀波束角的影響，盡量選用波束角小，測量精度更高的單波束測深儀，并將姿態傳感器應用于單波束測深儀，改正水深數值上的偏差和測點位置的偏移，同時加強單波束航跡線控制，使其盡量貼合檢測斷面線。此外，還可以通過多次測量增加每條斷面的數據密度，減少因航線偏移而造成的斷面誤差。但施工前、后每期數據分別應該增加幾次測量，才能有效地降低斷面誤差，提升檢測精度，這將作為今后研究的重點。