多波束測深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶在水電站壩前淤積測量中的應(yīng)用

李成旭，侯欣欣，王 月，卞玉霞

(1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225；2. 黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000；3.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

水電站經(jīng)過長期運(yùn)行，壩前水工建筑物的淤積是一種很常見的現(xiàn)象。電站建成使用后，水下建筑物長期處于水下，泥沙、木頭及流水長期對水下建筑物的破壞造成材質(zhì)劣化、功能降低等現(xiàn)象[1]。加上泥沙、木頭等在壩前的堆積，嚴(yán)重影響水電站大壩的安全及服役年限。

大型水電站一般會在汛期前后對壩前做水下地形測量。傳統(tǒng)的水下地形測量主要使用測深桿、測深錘及單波束測深儀進(jìn)行測量[2]。在水電站壩前淤積測量中，該方法不僅精度低、效率慢，而且不能準(zhǔn)確地反映壩前淤積情況。本文以某水電站為例，運(yùn)用多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶對壩前進(jìn)行淤積測量，建立水下地形三維模型，生成二維影像，為水電站壩前水下建筑物的修補(bǔ)及淤積清理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 儀器設(shè)備組成及原理

1.1 多波束測深系統(tǒng)組成及原理

多波束測深系統(tǒng)自上世紀(jì)70年代問世以來，就在水下測量中得到廣泛應(yīng)用。相較于單波束測深儀，多波束測深系統(tǒng)的出現(xiàn)是水深測量的又一場革命[3]。

多波束測深系統(tǒng)一般由多波束測深儀、GNSS定位設(shè)備、三維姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)、聲速剖面儀等配套設(shè)施組合而成，如圖1所示。本文使用的多波束測深系統(tǒng)通過采用波動物理原理的“相控陣”方法可以精確定位256個波束中每個波束的精確指向。其指向性可控制到0.5°。根據(jù)每個波束位置上的回波信號用振幅和相位方法確定深度。多波束測深儀測深是利用超聲波的發(fā)射原理來進(jìn)行測量的，利用換能器進(jìn)行聲波的發(fā)射和接收[4]。信號接收單元由n個成一定角度分布的相互獨(dú)立的換能器完成，每次能采集到n個實測數(shù)據(jù)信息。在實時動態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)技術(shù)的加持下，能夠準(zhǔn)確地獲得水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)[5]。其配置的三維姿態(tài)傳感器能夠及時校正船只在水下行駛由于上下起伏與左右搖晃造成的誤差，聲速剖面儀可以改正由于水下聲速不同造成的誤差。

圖1 多波束測深系統(tǒng)組成圖

1.2 側(cè)掃聲吶組成及原理

側(cè)掃聲吶是一種主動式聲吶，從安裝在船體兩側(cè)(船載式)或安裝在拖魚內(nèi)(拖曳式)的換能器中發(fā)出聲波，利用聲波反射原理獲取回聲信號圖像，根據(jù)回聲信號圖像分析水底地形、地貌和障礙物，檢查水下物體的表面結(jié)構(gòu)等[6]。

本文采用的是拖曳式側(cè)掃聲吶。如圖2所示，其系統(tǒng)主要由三部分組成：拖魚、傳輸電纜及工作站組成。①拖魚，該單元功能為發(fā)射脈沖信號并接受來自水底的回波信號；②傳輸電纜連接工作站與拖魚，用于傳輸實測數(shù)據(jù)；③工作站分為硬件與軟件兩個部分，主要是實時控制拖魚的探測參數(shù)，監(jiān)視拖魚的探測信號、探測數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)的融合、提供高壓電源等功能。

圖2 側(cè)掃聲吶工作原理示意圖

2 應(yīng)用實例

本文檢測的水電站壩址樞紐主要由攔河壩、沖砂底孔、河床式廠房、泄洪洞、泄洪閘等組成。工程為二等大(2)型，主要建筑物級別為2級，地震設(shè)防烈度為7度。電站裝機(jī)4臺，總?cè)萘?60 MW，設(shè)計年發(fā)電量32.35億kWh。攔河壩為砼重力壩，壩頂總長222.5 m，最大壩高106 m。水庫正常蓄水位660 m，庫容3200萬 m3，調(diào)節(jié)庫容800萬m3，水庫回水長度約11 km，水面面積1.57 km2。

壩前水深40 m以上，加上機(jī)組一直在運(yùn)行發(fā)電，傳統(tǒng)的作業(yè)手段不能滿足要求，本次作業(yè)擬采用多波束測深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶聯(lián)合查明壩前淤積情況。

2.1 現(xiàn)場實測

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，在合適的地方下船，采用多波束水下探測技術(shù)和側(cè)掃聲吶水下探測技術(shù)對壩前區(qū)域進(jìn)行水下檢查，查明壩前淤積情況，水上作業(yè)示意圖如圖3所示。

圖3 水上作業(yè)示意圖

以定制沖鋒舟為多波束探測系統(tǒng)的載體，安裝多波束探測系統(tǒng)換能器、表面聲速探頭、固定羅經(jīng)、三維姿態(tài)傳感器及RTK移動站，各項安裝須確保設(shè)備與船體搖晃一致。船體坐標(biāo)系統(tǒng)定義船右舷方向為X軸正方向，船頭方向為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向。分別量取RTK天線、定位羅經(jīng)天線、換能器相對于參考點(diǎn)(三維運(yùn)動傳感器中心點(diǎn))的位置關(guān)系，往返各量一次，取其中值。多波束水下探測測線沿等深線布置，探測工作船平行于等深線行進(jìn)至壩前進(jìn)行全覆蓋掃測，相鄰測線覆蓋范圍重合至少20%，對于重點(diǎn)部位進(jìn)行多次覆蓋掃測[7]。

為進(jìn)一步提高水下探測成果的可靠度，在作業(yè)過程中，需根據(jù)現(xiàn)場條件適時進(jìn)行聲速剖面的測量，且兩相鄰聲速剖面采集時間間隔不應(yīng)超過6 h。

多波束測量完成后進(jìn)行側(cè)掃聲吶測量，對側(cè)掃聲吶進(jìn)行安裝調(diào)試后，布置測線，先對壩前區(qū)域進(jìn)行全覆蓋測量，再對重點(diǎn)部位進(jìn)行多次掃測。其成果對多波束測量成果進(jìn)行印證。

2.2 成果分析

利用本次多波束測深系統(tǒng)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成如圖4所示的三維模型及圖5所示的地形圖，利用側(cè)掃聲吶采集數(shù)據(jù)生成了如圖6所示的壩前區(qū)域二維影像圖。

圖4 壩前區(qū)域三維模型圖

圖5 壩前區(qū)域地形圖

圖6 壩前區(qū)域側(cè)掃聲吶成果圖

從圖4壩前區(qū)域三維模型圖可以看出，發(fā)電機(jī)組攔沙坎內(nèi)到機(jī)組進(jìn)水口的水下高程呈一個遞減的趨勢，在側(cè)掃聲吶成果圖中下半部分可以很明顯地看到顏色從明到暗的變化。在其他地方的亮色區(qū)域也與多波束測深系統(tǒng)得到的成果相吻合，印證了多波束測深系統(tǒng)得到的成果。

通過與水電站修建時的設(shè)計高程和水電站提供的2017年實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，形成如圖7所示的壩前區(qū)域?qū)Ρ葓D。由壩前區(qū)域?qū)Ρ葓D可知，進(jìn)水口前淤積主要集中在1#機(jī)組進(jìn)水口前，淤積厚度較2017年增加了4.7 m，2#機(jī)組對應(yīng)的攔沙坎下游5～2 5m范圍內(nèi)淤積厚度較2017年增加了1.4～3.3 m，4#機(jī)組對應(yīng)的攔沙坎上游淤積厚度較2017年增加了2.1～3.0 m；泄洪閘鋪蓋前樁號(壩)0-094.0處淤積厚度較2017年最大增加了5.8 m。

圖7 壩前區(qū)域?qū)Ρ葓D

通過繪制斷面圖，可以更直觀地看到淤積情況，本文以1#機(jī)組為例，繪制斷面圖，如圖8所示。從斷面圖可以直觀地看出，1#機(jī)組進(jìn)水口前淤積厚度較2017年增加了4.6～4.8 m，而1#機(jī)組進(jìn)水口設(shè)計高程為612 m，還剩7.3 m。

圖8 1#機(jī)組斷面圖

通過本次水下檢測，查明了壩前淤積情況，為水電站的淤積清理提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。其主要結(jié)論如下。

1)進(jìn)水口至攔沙坎區(qū)域

①淤積主要集中在1#機(jī)組進(jìn)水口前，1#機(jī)組進(jìn)水口前高程為604.6～604.8 m，相較于2017年淤積厚度為4.7 m。

②2#機(jī)組進(jìn)水口前高程為600 m，淤積厚度相較于2017年無明顯變化，2#機(jī)組對應(yīng)的攔沙坎下游5～25 m范圍內(nèi)淤積厚度較2017年增加了1.4～3.3 m。

③3#機(jī)組前高程為600 m，淤積厚度較2017年無明顯變化。

④4#機(jī)組前高程為600 m，4#機(jī)組對應(yīng)攔沙坎下游20 m范圍內(nèi)淤積厚度較2017年增加了1.8 m。

⑤發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口底部設(shè)計高程612 m，1#機(jī)組前底部高程604.7 m，距1#機(jī)組進(jìn)水口剩余7.3 m，2#～4#機(jī)組進(jìn)水口前底部高程600.2 m，距機(jī)組進(jìn)水口底部11.8 m。

2)攔沙坎外

①2#、3#機(jī)組對應(yīng)的攔沙坎上游淤積厚度較2017年無明顯變化，攔沙坎上游側(cè)高程631.1～635.0 m，已經(jīng)超過攔沙坎頂部。

②4#機(jī)組對應(yīng)攔沙坎上游側(cè)實測高程為627 m，距攔沙坎頂部3 m，4#機(jī)組對應(yīng)的攔沙坎上游淤積厚度較2017年增加了2.1～3.0 m。

③泄洪閘鋪蓋無明顯淤積存在，泄洪閘鋪蓋上游樁號(壩)0—094.0處淤積厚度較2017年最大增加了5.9 m。

3 結(jié)論

本文以水電站壩前淤積測量為例，重點(diǎn)介紹了多波束測深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶應(yīng)用，得到了以下幾條結(jié)論。

1)查明了水電站壩前區(qū)域淤積分布情況，通過與以往數(shù)據(jù)和水電站設(shè)計高程相對比，準(zhǔn)確地得到了淤積厚度與淤積位置，為水電站后期處理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2)與傳統(tǒng)的作業(yè)手段相比，多波束測深系統(tǒng)的全覆蓋、高精度、高效率測量得到的三維立體模型可以直觀、真實地反映水下地形地貌。

3)側(cè)掃聲吶與多波束的結(jié)合測量，兩者進(jìn)行印證互補(bǔ)，共同完成水電站壩前區(qū)域水下的測量工作，極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。