多波束測深技術在水下拋石驗收評價中的應用

黎建洲 王 超 袁澤雄 楊尚一 胡 蕾

(1.長江科學院工程安全與災害防治研究所, 湖北 武漢 430010; 2.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心, 湖北 武漢 430010; 3.國家大壩安全工程技術研究中心, 湖北 武漢 430010; 4.湖北省漢江興隆水利樞紐管理局, 湖北 武漢 430061; 5.湖北省水利水電規劃勘測設計院, 湖北 武漢 430064)

0 引言

目前,水下除險加固、防汛搶險和堤岸整治項目廣泛采用水下拋石處理[1]。水下拋石易被水流沖刷流失,施工定位船的定位誤差會導致拋投區拋石不均勻,甚至出現漏拋區域,無法發揮拋石工程的實際作用,屬于隱蔽工程。因此，在拋石完成后應該重視水下拋石的施工質量檢驗[2-3]。目前,水下拋石質量驗收根據《水運工程質量檢驗標準》,根據拋石前后斷面線上測點的水深數據對比,統計測點增厚值合格率和斷面增厚值合格率作為驗收依據[4]。

傳統水下拋石驗收方法采用單波束測深技術,按照測量比例尺布置測線和測點間距,最后通過拋石前后水下斷面對比進行計算[5]。單波束測深技術是逐點測量方式,而且由于定位誤差和測量船航行誤差,拋石后的測線與拋石前的原始斷面線無法完全重合,選擇不同的斷面線會導致測點增厚值合格率和斷面增厚值合格率計算結果不同,通過傳統的斷面法計算水下拋石總方量也會不同,且無法精確確定欠拋量和欠拋區域,導致水下拋石驗收結果的不唯一。

多波束測深技術與單波束測深技術相比屬于面狀式測量,通過姿態傳感器和秒脈沖(PPS)時間同步改正得到的水深數據更加精確[6]。對拋石前后的水下地形進行多波束全覆蓋測量,水下點云數據經過濾波處理后結合ArcGIS進行三維建模和疊加分析,可以準確地計算水下拋石總方量，直觀地顯示超拋和欠拋區域,全面地反映水下拋石前后地形變化和現狀[7-8]。

1 多波束測深技術原理

本文采用的水下多波束測深系統由Kongsberg公司EM2040C多波束測深設備、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)、光纖羅經和運動傳感器(OCTANS)、聲速剖面儀和多波束數據后處理系統等共同組成,并通過采集電腦、采集顯示器、導航顯示器實時控制數據采集。系統整體組成如圖1所示。

圖1 Kongsberg EM2040C多波束測深系統

該系統配備的OCTANS內含有3個互相垂直的光纖陀螺。借助于3個輔助的加速度計,OCTANS從加電開始,在5 min內即可以高達100 Hz的頻率準確地輸出羅經方位信息和三維運動姿態信息。

加拿大AML公司Micro SVP Plus聲速剖面儀上裝有固定距離的發射聲源和反射器,在水中聲源發射的聲波經反射器反射后被接收,根據其往返程時間,可測量計算出水中的聲波傳送的速度。在進行水下檢測過程中,由于水中(海水或河水)的溫度、壓力及鹽度不均勻,在水深大于10 m的條件下,水中的聲波傳播速度明顯不同,它將造成水中的聲波傳播路徑彎曲。如果對此影響不加考慮,測深儀測得的水下深度,將會發生明顯的彎曲。因此，在工作時,將聲速剖面儀從水面投放到水底,即可得到該處的聲速剖面,修正多波束測深數值。

根據本文作者在文獻5中的計算,當Kongsberg EM2040C的縱向接收波束寬度為27°,縱向接收波束最小角度為1°,20 m水深的縱向分辨率為0.359 m;當橫向發射角度設置為100°,橫向發射波束最小角度為1°,20 m水深的橫向分辨率為0.828 m。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐壩址軸線總長2 830 m,自右至左依次布置右岸灘地段長741.5 m,船閘段長47 m,擋水壩段長80 m,電站廠房段(含安裝場)長112 m,泄水閘右門庫段長20 m,56孔泄水閘段長952 m,左岸門庫段長18 m,左岸灘地過流段長859.5 m。工程的主要作用是枯水期抬高庫區水位,滿足下游生態環境用水、改善兩岸灌區的引水條件和通航條件。

2019年通過多波束測深系統，全覆蓋掃測泄水閘下游柔性海漫到下游防沖槽范圍的水下地形,發現泄水閘16～17#孔閘門下游柔性海漫存在1個沖坑。沖坑左右岸方向長約50.6 m,上下游方向寬約43.5 m,沖坑底部高程23.9 m,沖坑最深處與柔性海漫設計高程相比深度為2.6 m,距離壩趾約89.5 m。

為了防止泄水閘下游柔性海漫沖坑受水流沖刷,沖坑范圍繼續向壩址和下游防沖槽不斷擴大,沖坑深度不斷加深,破壞柔性海漫的結構從而危害大壩安全。2020年4月對泄水閘下游柔性海漫沖坑進行了水下拋石處理。為掌握沖坑水下拋石后的現狀和效果,2020年5月利用多波束測深系統全覆蓋掃測泄水閘下游柔性海漫到下游防沖槽范圍的水下地形。

2.2 測量實施

本次測量在現場租用鐵皮船,將探頭支架安裝在測量船左側船舷距離船頭1/3處,如圖2所示,羅經固定在探頭頂部的鋼板上,以保證探頭、羅經和作業平臺的姿態一致,采用GPS-RTK進行定位導航。對測區進行全覆蓋測量,在柔性海漫下游200 m的位置,選擇水下地形有起伏變化的區域,布設左右岸方向長約150 m的3條往返測量,完成校準測線的測量。

圖2 探頭支架安裝圖

多波束測深系統在作業前、后均進行了檢測。將船拋錨固定,在水深小于2 m的淺水區用測深桿檢測,在深水區用測深錘檢測,將實測換能器中心所在位置實際水深與多波束測深系統中央波束所測水深進行比對。

在現場四周無遮擋開闊處架設基準站,對4個已知點進行四參數坐標轉換,電站坐標系統為北京54坐標系,將WGS84投影坐標轉換為北京54坐標,由表1中誤差可以看出,坐標轉換誤差最大為6.7 mm,滿足水下地形測量需要。

表1 已知點坐標及轉換誤差

3 水下拋石效果評價

高云云等[9]以張家港市老海壩河段水下拋石河勢整治理工程為例,研究點云密度對水下拋石效果評價的不確定性;吳雅文等[10]以長江南京斷某河段上游拋石護岸工程為例,研究點云密度對水下拋石效果評價的影響。研究結果均表明，點云密度對水下拋石效果評價影響顯著,且點云密度為5 m時為最佳,既不會因數據過于稀疏導致評價失真,也不會因數據過于密集導致評價困難。

本次將經過處理的多波束水下點云數據,在自動計算機輔助設計軟件(AutoCAD)里按照3 m的間隔展點,建立三角格網,繪制等深線線圖。然后每隔5 m劃分一個斷面,一共劃分14個斷面,每個斷面上間隔5 m選取一個水深點,斷面樁號從右岸至左岸方向依次編號為K0+0.00～K0+65.00,其中K0+0.00斷面位于泄水閘建筑物15聯中間偏左岸方向11.5 m,WK0+65.00斷號位于泄水閘建筑物17聯中間偏左岸方向8.5 m,其他斷面按照5 m的間隔均勻分布。通過比較2020年復測斷面線和設計斷面線,兩者基本能夠吻合,但在K0+15.00、K0+40.00、K0+50.00三個斷面處本次復測斷面仍然表現為沖刷,如圖3所示(以K0+15.00為例),而在K0+55.00、K0+60.00兩個斷面,通過拋石處理后水下地形高程高于設計高程,如圖4所示(以K0+60.00為例),說明沖坑區域水下拋石整體情況較好,但在斷面K0+15.00、K0+40.00～K0+60.00區域內拋石處理不均勻。計算測點增厚值合格率和斷面增厚值合格，結果如表2所示,統計結果表明，測點增厚值和斷面增厚值合格率均大于70%,判定水下拋石效果合格。

圖3 K0+15.00斷面對比圖

圖4 K0+60.00斷面對比圖

表2 水下拋石驗收統計

利用斷面法計算傳統的水下拋石總方量,斷面的選取對最終評價結果有著顯著的影響,導致計算結果具有不唯一性和隨機性[11-12]。多波束測量可以得到大量水下點云數據,將施工前后的數據分別導入ArcGIS中的兩個圖層,將兩個圖層進行疊加,然后利用ArcGIS中的體積計算功能得到準確唯一的水下拋石總方量。

確定傳統的水下拋石欠拋和超拋區域,需要將設計斷面線和施工后斷面線導入CAD圖中,劃分施工網格后逐條斷面線進行對比，確定不合格區域,過程煩瑣,且不直觀[13]。將多波束水下點云數據和設計數據分別導入ArcGIS中的兩個圖層,利用差值計算功能即可快速直觀地得到水下拋石欠拋和超拋區域,如圖5所示。

圖5 水下欠拋和超拋區域圖

4 結束語

與傳統的水下拋石驗收方法相比,利用多波束測深技術有以下幾個方面的優點:

(1)對多波束測量得到的高精度、高分辨率水下點云數據進行精細處理和三維展示,可以直觀、完整地展現水下拋石處理后的現狀;

(2)傳統水下拋石驗收會因為選擇的斷面不同造成結果的不唯一性,將多波束水下點云數據的密度選擇為5 m,進行測點增厚值和斷面增厚值合格率計算,能夠得到準確、唯一的驗收評價結果;

(3)將施工前后的數據利用ArcGIS進行計算分析,能夠快速、準確地計算水下拋石總方量,直觀地反映水下欠拋和超拋區域,高效地指導水下拋石項目施工,有效降低施工成本。

利用多波束測深技術能夠準確、直觀地了解拋石處理后地現狀,對水下拋石效果評價提供可靠地依據。