多波束與側(cè)掃聲吶高質(zhì)量檢測(cè)海洋深水岸堤工程

顧小雙 張 旭

(上海山南勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，上海 201206)

1 引 言

海洋深水施工難度較陸地施工大，水文條件復(fù)雜，砂袋在深水區(qū)拋投受材料特性、水流變化等影響，其漂距、著床具有很大不確定性,導(dǎo)致每層砂袋拋投后的形態(tài)不太規(guī)則，給岸堤水下結(jié)構(gòu)帶來(lái)一定的安全隱患。為實(shí)現(xiàn)工程的技術(shù)要求和施工質(zhì)量控制,首先需要對(duì)充填砂袋的施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。隨著探測(cè)技術(shù)的不斷改進(jìn)，水下檢測(cè)方法在海洋岸堤工程中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。目前，常用的水下檢測(cè)方法有浮漂倒垂法、潛水探摸法、ROV檢測(cè)和水下聲吶法[1-3]。浮漂的垂直狀態(tài)是影響浮漂倒垂法測(cè)量精度的最直接因素，水深越淺精度越高,水深超過(guò)20m時(shí),誤差較大，且難以對(duì)水下軟體排實(shí)現(xiàn)全覆蓋檢測(cè)。潛水員的判定能力直接影響潛水探摸檢測(cè)效果,在水深、流急區(qū)域難以保證檢測(cè)效果，同時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。ROV相對(duì)于潛水員作為水下檢測(cè)載體,具有靈活性強(qiáng)、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、多自由度、作業(yè)深度廣等優(yōu)勢(shì)，但在水流擾動(dòng)大、能見(jiàn)度差、渾濁水體等復(fù)雜水環(huán)境中，檢測(cè)效果尚須進(jìn)一步完善[4]。水下聲吶法按功能和掃描方式可分為多波速測(cè)深和側(cè)掃聲吶影像，二者均采用聲學(xué)方法，在工作原理上存在差異。其中，多波束測(cè)深可獲取高精度的海底地形，但海底影像辨識(shí)度較低；側(cè)掃聲吶影像可顯示高分辨率的海底地貌，但位置精度不佳；二者結(jié)合可獲取高精度、高分辨率的水下袋裝砂和軟體排鋪精細(xì)結(jié)構(gòu)[5-9]。因此，本文利用上述兩種聲吶法對(duì)海洋深水岸堤工程中袋裝砂和軟體排鋪情況進(jìn)行檢測(cè)[10-11]，獲取袋裝砂棱體的準(zhǔn)確數(shù)字高程，定量計(jì)算相鄰排體的搭接寬度，綜合解譯評(píng)價(jià)袋裝砂和軟體排鋪設(shè)質(zhì)量，為排除施工隱患提供技術(shù)依據(jù)。

2 方法原理

2.1 多波速系統(tǒng)工作原理

多波束系統(tǒng)是通過(guò)發(fā)射換能器陣列向海底同時(shí)發(fā)射多條聲波，再利用垂直于發(fā)射換能器的接收換能器陣列同步接收反射聲波，然后通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向正交的兩組聲學(xué)換能器陣,獲得垂直航向由大量波束組成的測(cè)深剖面，并在航向上構(gòu)成測(cè)深剖面條帶，經(jīng)過(guò)姿態(tài)改正，包括橫搖校正、縱搖校正、艏搖校正、延遲校正，以及聲速改正等，獲得到高分辨率的海底地形和水下目標(biāo)的三維特征。

2.2 側(cè)掃聲吶工作原理

側(cè)掃聲吶法是通過(guò)水下拖魚(yú)兩側(cè)的換能器向水底發(fā)射聲吶信號(hào)，接收反射信號(hào),獲得海底地貌聲吶影像的一種物探調(diào)查方法。側(cè)掃聲吶法對(duì)回波幅度的處理較好，因此海底影像分辨率較高，對(duì)質(zhì)量判定的水下目標(biāo)體檢測(cè)而言效果較好；但由于受聲吶拖魚(yú)姿態(tài)、與定位天線距離偏差等精度影響,難以得到水下目標(biāo)體準(zhǔn)確的水深及尺度。

2.3 多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的融合方法

多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)經(jīng)各項(xiàng)改正后，對(duì)兩數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)進(jìn)行拾取(等深線和灰度)。通過(guò)最近鄰匹配獲得匹配點(diǎn)后，計(jì)算圖像間的變換矩陣，利用空間變換完成配準(zhǔn)，采取多項(xiàng)式擬合的方法實(shí)現(xiàn)圖像的配準(zhǔn)，對(duì)配準(zhǔn)后的圖像分別采用加權(quán)和小波變換的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

3 工程概況

為合理利用杭州灣北岸灘涂和岸線資源，促進(jìn)濱海旅游產(chǎn)業(yè)和海洋文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，經(jīng)國(guó)家海洋局批復(fù)實(shí)施濱海綜合會(huì)展中心等生態(tài)圍堤項(xiàng)目。工程位置處于杭州灣畔喇叭形出海口，如圖1所示。該水域潮差大，流速快，潮強(qiáng)流急，水文條件復(fù)雜，使得該工程成為上海灘涂生態(tài)開(kāi)發(fā)以來(lái)難度最大的項(xiàng)目之一。在工程實(shí)施過(guò)程中，由于砂袋在深水區(qū)拋投受材料特性、水流變化等影響,其漂距、著床具有很大不確定性,導(dǎo)致每層砂袋拋投后的形態(tài)不太規(guī)則,給圍堤帶來(lái)一定的安全隱患。因此，軟體排的鋪設(shè)、拋石堤堤身結(jié)構(gòu)、水下反濾層、水下袋裝砂棱體成型等項(xiàng)目質(zhì)量的控制是整個(gè)工程施工成敗的關(guān)鍵。

圖1 工程位置示意圖

3.1 工程地質(zhì)

工程區(qū)域地基土層分布較穩(wěn)定，淺部地基土主要以軟弱黏性土為主，局部分布有松散—稍密狀粉土，屬第四紀(jì)全新世(Q4)以來(lái)的濱海—河口相、濱海—淺海相、濱海沼澤相沉積層，下部為較穩(wěn)定的第四紀(jì)晚更新世(Q3)硬塑狀黏土及中密—密實(shí)狀砂土層，屬河口—湖澤、河口—濱海相沉積層。

3.2 地形地貌

工程區(qū)域岸線前沿海域開(kāi)闊，風(fēng)浪大，流場(chǎng)較復(fù)雜，地形由陸域向水域逐漸降低，東、西側(cè)堤地形為西北高、東南低，灘面標(biāo)高一般在-5.0～1.0m之間，順堤段地形位于杭州灣凹岸段水下斜坡上，等深線基本平行岸線，為-16.0～-8.0m，灘面標(biāo)高一般在-5.0m左右，低潮位時(shí)圍區(qū)灘面部分露出水面。

本工程屬于深灘筑堤工程，地質(zhì)條件較差，大堤直接坐落在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層上，且軟土層普遍達(dá)到15m厚，對(duì)本工程大堤的穩(wěn)定極其不利，是大堤發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的薄弱土層，也是上部荷載作用下產(chǎn)生壓縮沉降的主要土層。本工程淺表層軟弱黏性土與稍密狀粉砂性土強(qiáng)度偏低，在潮流波浪的綜合作用下，抗沖刷能力差，堤前灘地須采取一定的防沖護(hù)底措施。

3.3 沖淤分析

杭州灣北岸海床朝著沖淤平衡的穩(wěn)定態(tài)勢(shì)發(fā)展。金山深槽目前中心位置保持穩(wěn)定，深槽西、南側(cè)等深線不斷向外擴(kuò)展，15m、20m等深線的包絡(luò)面積不斷擴(kuò)大，表明深槽10余年來(lái)呈向南、向西擴(kuò)展的整體趨勢(shì)，靠北岸一側(cè)等深線出現(xiàn)局部離岸和靠岸小幅擺動(dòng)特征，但總體呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，距離本工程較近的金山深槽東北角，由于小金山的節(jié)點(diǎn)約束作用，深槽繼續(xù)發(fā)展的可能性很小，威脅本工程所在岸段的可能性比較小。

4 工作方法和技術(shù)

為查明工程區(qū)袋裝砂和軟體排鋪情況，結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)、水文氣象，以及沖淤演化等條件，在工程區(qū)采用了多波速測(cè)深和側(cè)掃聲吶兩種工作方法同步測(cè)量。以最西端為起點(diǎn)，每100m為一個(gè)單元，按距離依次編號(hào)(S2+50，S2+150，……)，綜合考慮水深數(shù)據(jù)影響，主測(cè)線垂直于順堤布設(shè)，間距為25m，檢測(cè)線垂直于主測(cè)線布設(shè)，間距為100m，測(cè)線布設(shè)如圖2所示。

圖2 測(cè)線布設(shè)示意圖

本次測(cè)量采用基準(zhǔn)站差分信號(hào)進(jìn)行平面定位，采用HYPACKMAX進(jìn)行導(dǎo)航，采用NORBITWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)、Edgetech4200MP側(cè)掃聲吶系統(tǒng)。多波束水下地形數(shù)據(jù)采用QPS軟件(包含多波束數(shù)據(jù)采集軟件Qinsy和多波束數(shù)據(jù)后處理軟件Qimera)進(jìn)行處理；側(cè)掃聲吶圖像采用SonarPro進(jìn)行數(shù)據(jù)回放、分析和解釋。在實(shí)際探測(cè)時(shí)，受測(cè)區(qū)水深、鹽度、濁度等外在客觀條件影響，以及多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的聲波頻率相互干擾，多波束測(cè)深系統(tǒng)在滿足水深測(cè)量條件下優(yōu)先選用高的工作頻率(400kHz)，保證探測(cè)精度；波束開(kāi)角20°，隨測(cè)線移動(dòng)適當(dāng)增加，以確保足夠的重疊度；側(cè)掃聲吶系統(tǒng)則采用低/高頻同時(shí)記錄(100kHz/400kHz)，航速控制在4～5節(jié)，DGPS同時(shí)接入多波束和側(cè)掃聲吶采集軟件，拖魚(yú)的實(shí)際位置歸算采用Layback校正方法，量算拖魚(yú)電纜放出的實(shí)際長(zhǎng)度。多波束數(shù)據(jù)在完成各項(xiàng)改正后，對(duì)主測(cè)線與檢測(cè)線重合點(diǎn)水深進(jìn)行深度精度評(píng)估；不符值限差為：當(dāng)水深小于20m時(shí)，測(cè)量誤差不大于0.4m。如果超限點(diǎn)數(shù)超出比對(duì)總數(shù)15%，則重測(cè)該段路由水深；側(cè)掃聲吶后處理軟件對(duì)影像資料進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，回放過(guò)程中注意觀察記錄面貌，調(diào)節(jié)回放參數(shù)，盡量保持兩側(cè)記錄面貌一致，資料清晰，尋找和辨別海底異常反射現(xiàn)象，掌握水下袋裝砂和軟體排鋪精細(xì)結(jié)構(gòu)。

5 綜合解譯

圖3展示了S2+600～S2+800區(qū)域的多波束水下地形成果。其中，在S2+600～S2+700區(qū)域，地形平緩，標(biāo)高在-6.0～-3.8m之間，西北部有一“凸”形區(qū)域，地形相對(duì)較淺，標(biāo)高在-4.3～-3.8m之間，平均坡度小于1°，無(wú)明顯異常起伏，說(shuō)明此段袋裝砂鋪排整齊，中間拼接連續(xù)性較好；中部區(qū)域與“凸”形區(qū)域有一明顯邊界，地形落差約0.3m，與一層袋裝砂高度吻合，說(shuō)明此區(qū)域袋裝砂鋪排比西北部少鋪一層；東南部靠近順堤區(qū)域地形陡然上升，標(biāo)高由-5.8m上升至-4.2m。在S2+700～S2+800區(qū)域，地形整體由東西兩側(cè)向中間變深，說(shuō)明袋裝砂由東西兩側(cè)向中間逐漸鋪排。

圖3 多波束水下地形成果

圖4 S2+600～S2+800區(qū)域測(cè)線C1的側(cè)掃數(shù)據(jù)圖像

圖4展示了S2+600～S2+800區(qū)域測(cè)線C1的側(cè)掃數(shù)據(jù)影像，從圖中可清晰直觀地看出袋裝砂鋪排狀態(tài)，袋裝砂鋪有序排列，拼接比較完整，邊界明顯，且無(wú)明顯缺漏破損現(xiàn)象。在S2+700～S2+800區(qū)域有一明顯袋裝砂鋪設(shè)的分界線，與多波速數(shù)據(jù)吻合。圖5展示了該區(qū)域測(cè)線C2的側(cè)掃數(shù)據(jù)圖像，反映了水下軟體鋪排狀態(tài)，其位置與設(shè)計(jì)位置一致，軟體鋪排似流線型，平行有序排列，右側(cè)間距相同，相鄰軟體排的結(jié)合部分搭接寬度約2m，左側(cè)由密變疏，未出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。

圖5 S2+600～S2+800區(qū)域測(cè)線C2的側(cè)掃數(shù)據(jù)圖像

6 結(jié)語(yǔ)和展望

a.將多波束和側(cè)掃聲吶技術(shù)應(yīng)用于圍墾工程施工檢測(cè)中，多波速地形成果可判識(shí)出袋裝砂鋪排整體情況，側(cè)掃數(shù)據(jù)影像可清晰直觀地識(shí)別出袋裝砂鋪排細(xì)節(jié)信息，有效增強(qiáng)了不同觀測(cè)數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性，提高了水下隱蔽工程的檢測(cè)質(zhì)量。

b.由于水下環(huán)境復(fù)雜，以及儀器自身精度、安裝誤差等影響，為得到更高精度和分辨率的數(shù)據(jù)，應(yīng)適當(dāng)加密測(cè)量，同時(shí)將多波束和側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合，獲取高質(zhì)量的水下袋裝砂和軟體排鋪三維精細(xì)結(jié)構(gòu)。