無人船聯合多波束在水工建筑物檢測中的應用研究

畢繼鑫

（浙江華東測繪與工程安全技術有限公司，浙江 杭州 310014）

水電工程是我國經濟發展的重要基礎，截至2021年年底，我國已建水庫大壩9.8 萬多座，總庫容達8 983億m3，基本覆蓋我國境內所有大江大河，與河道、堤防、蓄滯洪區構成的流域防洪工程體系能夠在暴雨洪水發生時保障人民群眾的生命財產安全。然而，我國80%以上水庫大壩修建于20 世紀50 年代至70年代，運行期間水工建筑物受勘測設計缺陷、施工質量漏洞、管理不到位等人為因素以及洪水、地震、滑坡等自然因素的影響存在不同程度的老化、塌陷錯位、沖蝕磨損、泥沙淤積等病險，極易造成不良后果，給國家和社會造成巨大經濟損失。因此，對水庫大壩周邊水下基礎設施或地質情況進行定期檢查，了解水工建筑物的水下運行狀態，提供保養維護、除險加固的檢測依據，成為水電站運行管理的重要基礎工作。

受限于水電站水下檢測設備發展緩慢，相關研究尚處于起步階段。來記桃等［1］綜述了多波束測深系統、側掃聲吶、三維實時聲吶、水下攝像機在雅礱江流域水電站水下檢測中的應用；王瀛勇等［2］采用SeaBat 8125 多波束測深系統獲取壩面點云數據，基于Mi?croStation 平臺構建不規則三角網形成了水電站壩面平整度檢測方法；張智敏等［3］基于SONIC 2024 多波束測深系統研究了水電站圍堰淤積監測及沖淤分析方法；劉海寶等［4］將SONIC 2024 多波束測深系統應用于水電站壩前鋪蓋檢測，重點介紹了其數據采集及處理工作。上述研究都是將多波束測深系統搭載于有人船完成水工建筑物的檢測，然而，水電站普遍地處非通航水域，水上作業安全隱患較大。基于此，本文以白沙河水電站為研究對象，將華微6 號無人船聯合NORBIT多波束測深系統應用于水電站各類水工建筑物的水下檢測，重點研究其岸基通信、數據采集、數據處理、數據分析等關鍵技術，以期為白沙河水電站的管理及除險加固提供依據。

1 無人船聯合多波束測深系統工作原理

1.1 NORBIT 多波束測深系統

NORBIT 多波束測深系統是挪威NORBIT 公司推出的新一代集成化、輕便化、高精度的多波束測深系統，系統量程0.2～275.0 m，中心頻率400 kHz（支持200～700 kHz 可調），波束角度0.5°×1.0°（垂直航線×沿航跡），波束開角7°～210°可調，最大輸出頻率達60 Hz，每脈沖擊發含256 個波束。NORBIT 多波束測深系統集成一體化見圖1，系統將換能器基陣、POS MV Wave?master 定位定向測姿硬件、AML Smart SV 表面聲速探頭集成一體化，甲板單元僅由1 根網線便可解決同類系統至少需要5 根連接線才能接通多波束測深系統的問題。

圖1 NORBIT 多波束測深系統集成一體化

1.2 多波束無人船平臺

把NORBIT 多波束測深系統搭載于華微6 號碳纖維可拆卸式無人船平臺進行水工建筑物檢測，見圖2。船體尺寸1.80 m×0.50 m×0.25 m，吃水0.15 m，最大載重50 kg，能在5 級風3 級浪環境下穩定工作。NORBIT 多波束換能器與含橡膠的無人船套筒通過法蘭盤及連接螺絲固定于無人船船底，換能器接收陣列朝船頭方向，后天線為定位天線，前天線為定向天線；船頭接有2 根網橋天線用于遠程監測（基站、視頻、數據通信），船尾接有兩根遙控天線用于無人船遙控通信；無人船內嵌的PC 主機安裝QINSy 軟件用于實時存儲多波束測量數據，聲吶電纜、定位定向電纜、網線、電源線等插入甲板單元對應接口，同甲板單元安置于船體前艙。此外，無人船內有3 塊電池，分別用來對主控和左槳供電，對右槳供電，對換能器、甲板單元、網橋以及串口服務器供電。

圖2 華微6 號無人船

1.3 多波束測深系統檢測水工建筑物原理

NORBIT 多波束測深系統采用指向性正交的兩組換能器基陣對聲吶波束進行發射和接收（見圖3），發射基陣平行于無人船首尾線排列，接收基陣垂直于無人船首尾線排列。

圖3 多波束測深系統檢測水工建筑物的工作原理

檢測水工建筑物時發射基陣形成的扇形聲波波束照射無人船正下方的狹窄水域并啟動計數器，聲波接觸水域底部水工建筑物時發生反射［5］。各反射點空間位置不同使波束返回時間各不相同，接收基陣接收的回波中包含水下各反射點的空間信息，對各回波信號進行固定方向的多波束形成、幅度檢測、能量累積等處理，直至接收基陣對所有待測角度的回波接收完畢，即完成一次條帶式測量，此時根據對應角度波束的計數值和測量聲速值可計算各反射點距離換能器的距離，再經三角變換可得到水工建筑物多點位的深度信息。

使用多波束測深系統對水工建筑物檢測時通過布設密集的測線保證各次測量的條帶邊緣具有一定重疊度，以此實現水工建筑物的全覆蓋精確水深測量，對測深數據進行潮位、聲速、定位、姿態等輔助參數改正后，基于離散水深數據三維建模法實現水工建筑物可視化檢測。

2 無人船聯合多波束測深系統對水電站數據采集與處理

2.1 水電站概況

白沙河水電站位于湖北省竹溪縣兵營鄉境內的泉河流域，以發電為主，兼有航運、養殖等綜合效益，電站裝機容量50 MW，工程規模屬大（2）型，大壩為混凝土面板堆石壩，水庫最大庫容2.476 億m3，最大壩高104 m。水電站壩前防滲鋪蓋頂部高程380 m，頂寬4 m，坡比1 ∶2.5，其中下層鋪蓋采用粉質黏土鋪蓋，上覆石渣混合料，下層粉質黏土鋪蓋頂寬2 m，坡比1 ∶2.0。采用華微6 號無人船聯合NORBIT 多波束測深系統進行水下掃測檢查，檢查區域主要為上游大壩壩前及右岸水工建筑物。

2.2 岸基通信與測線布設

無人船和操作平板均設有連接網橋主機的無線網橋天線，PC 端通過網線連接電腦，配套使用華微6 號無人船Auto Planner 軟件進行測線布設，通過設置TCP 連接、遠程主機IP 和端口號進行無人船遙控通信與遠程測量監控（見圖4），其測量數據實時存儲在無人船內部嵌入的主機內存盤。水電站測量分為計劃自動測量和現場人工測量，對于白沙河水電站壩前開放水域設置自動控制航線，航線間距為40 m；對于壩前邊界水域，為防止無人船撞岸傾覆，切換為手動控制航線。

圖4 無人船測線布設及遠程測量監控

2.3 校準測量

開展白沙河水電站檢測作業前進行艏向校準工作（見圖5），先操縱無人船繞8 字行駛3 次，然后反向航行30 s，最后同向前進航行30 s，重復上述操作直至艏向均方根值低于0.5°，NORBIT 多波束測深系統自動解算GPS 相對位置關系。

圖5 艏向校準

2.4 數據采集

采用快速靜態法獲取白沙河變形監測點TN01、TN02、TN03、TN04、TN05 在WGS－84 橢球下的平面坐標和大地高程，在監測點TN03 架設Trimble R8 GNSS接收機作為基準站并開啟靜態測量模式，無人船聯合多波束測深系統現場工作見圖6。采用WBMS GUI 聲吶軟件對NORBIT 換能器聲吶進行控制，無人船基于內嵌的POS MV Wavemaster 定位定向測姿系統自動記錄GNSS 數據、來自IMU 的角速度和加速度以及來自方位角測量系統的航向數據，采用毫秒級的時間精度同步位置、方向、涌浪、速度等指標。在QINSy 數據采集軟件Setup 模塊添加NORBIT 聲吶、GNSS、羅經、姿態傳感器并配置參數，設置白沙河水電站地理參數及上述傳感器相對位置，基于Online 模塊進行XTF 格式的多波束數據采集、數據質量控制及數據存儲，實時生成DTM 模型進行3D 顯示。

圖6 無人船聯合多波束測深系統現場工作

2.5 數據處理

2.5.1 定位數據處理

基于TN03 基準站的靜態數據對無人船軌跡POS數據進行單基站緊組合差分GNSS 后處理［6］和定位測姿數據中誤差計算，以GPS 歷元為橫坐標，分別以后處理定位中誤差、后處理姿態誤差為縱坐標，繪制無人船實時軌跡數據定位測姿誤差變化圖（見圖7）。分析可知，北坐標平均中誤差為0.014 m，東坐標平均中誤差為0.012 m，高程平均中誤差為0.026 m，橫搖平均中誤差為0.748 arc－min，縱搖平均中誤差為0.749 arcmin，艏向平均中誤差為1.970 arc－min，上述中誤差值均小于相關規范要求，因此單基站緊組合差分GNSS后處理可極大提高水電站多波束檢測數據的定位精度。

圖7 無人船實時軌跡數據定位測姿誤差變化

2.5.2 水深數據處理

基于CARIS 軟件并采用無驗潮模式對水電站多波束水深數據進行后處理，由于多波束搭載于已出場檢定的無人船上，因此不需進行校準測量求取系統的橫搖校準值、縱搖校準值、艏向校準值。水深數據處理流程具體如下：

（1）新建船型文件并在船型文件中輸入多波束測深系統各傳感器的相對位置信息，然后利用船型文件新建工程文件。

（2）將XTF 格式的多波束測量數據導入CARIS軟件，其中Ship Navigation 格式選擇含有GNSS 高程數據的Raw Navigation Records，其他導入設置與傳統驗潮模式相同，之后將POS Pac 解算的含有無人船定位信息的SBET 數據文件導入CARIS 軟件。

（3）進行導航數據、姿態數據、航向數據和水深數據的質量檢查。

（4）在Sound Velocity Correction 模塊進行聲速改正，基于Single Height 模式并結合POS Pac 計算的無人船GNSS 天線大地高程在Compute GPS Tide 模塊計算GPS 潮位數據。

（5）通過Merge 功能對水深數據、GPS 潮位數據、羅經數據、無人船GNSS 天線三維坐標及其與換能器的相對高度進行合并，實現條帶水深轉換計算，輸出壩前水底大地高程。

（6）基于TPU 值以及監測點與曲面網格節點的距離，通過CUBE 算法對節點進行改正［7］，生成網格化水深地形曲面。

（7）根據網格模型對水深數據分子區進行編輯，建立水下地形表面網格模型（見圖8），基于此模型導出0.1 m 格網間距的點云數據。

圖8 白沙河水電站壩前水下地形表面網格模型

2.5.3 坐標轉換

白沙河水電站多波束測量數據成果主要為WGS－84 橢球下的平面坐標系（高斯－克呂格投影，3°分帶，中央經線111°00′00.00″E）、大地高程系統，而水電站設計圖紙及日常運維均采用掛靠于BJ－54 橢球的白沙河獨立坐標系（中央經線109°33′02.325647″E、高程投影面450 m）、1956 年黃海高程基準。為使多波束測量成果與水電站系統基準保持一致，首先基于式（1）的布爾薩七參數坐標轉換模型，以TN01、TN02、TN03、TN04 為公共點，通過最小二乘法平差計算坐標轉換七參數；再把TN05 作為檢核點，檢核點轉換殘差為毫米級；最后結合坐標轉換七參數和布爾薩七參數坐標轉換模型［8］，將多波束測量坐標系轉換為白沙河坐標系。

式中：x2、y2、H2為白沙河坐標；x1、y1、H1為多波束測量坐標；Δx0、Δy0、ΔH0為平移參數；εx、εy、εH為旋轉參數；m為尺度比參數。

3 水電站多波束檢測成果分析

將白沙河水電站總布置圖中的防滲鋪蓋頂部平臺、發電進水口、導流放空洞等水工建筑物與多波束掃測點云數據進行疊加，結果見圖9。

圖9 白沙河水電站水下建筑物分布

3.1 防滲鋪蓋頂部平臺

采集白沙河水電站壩前防滲鋪蓋頂部平臺邊界橫剖面點繪制其橫剖面圖，見圖10。分析可知，防滲鋪蓋頂部平臺不再保持水電站建立時的水平狀態，目前防滲鋪蓋頂部平臺呈現由下游向上游傾斜的狀況，即防滲鋪蓋頂部平臺靠近下游邊界高程均高于上游邊界高程。防滲鋪蓋頂部平臺的高程變化規律分為3 段：①沿壩軸線相對于左岸距離35.0 m 范圍內，防滲鋪蓋頂部平臺高程平均值從左至右自379.956 m 遞減至377.426 m；②沿壩軸線相對于左岸距離105.0～128.5 m范圍內，防滲鋪蓋頂部平臺高程平均值從右至左自378.864 m 遞減至377.523 m；③沿壩軸線相對于左岸距離35.0～105.0 m 范圍內，防滲鋪蓋頂部平臺高程變化幅度較小、趨于一致，平均高程為377.427 m。

圖10 白沙河水電站壩前防滲鋪蓋頂部平臺邊界橫剖面

3.2 防滲鋪蓋底部

白沙河水電站壩前防滲鋪蓋底部橫剖面見圖11，防滲鋪蓋底部平均高程為359.232 m、最大高程為365.687 m、最小高程為356.908 m。通過比較水電站原布置圖中壩前防滲鋪蓋底部高程347.80 m，可知壩前最小淤積厚度為9.108 m、最大淤積厚度為17.887 m、平均淤積厚度為11.432 m。

圖11 白沙河水電站壩前防滲鋪蓋底部橫剖面

3.3 左、右岸山體及壩前深坑

水電站原布置圖中標記壩前深坑底部高程為347.8 m的平坦區域，發電前左岸山體有多條穿插小路。本次多波束檢測成果顯示左、右岸山體清晰可見，但將檢測成果與原布置圖記錄的左、右岸山體及壩前深坑高程進行對比，發現左岸山體下側整體高程提高，分析原因是水庫淹沒導致山體上端不穩固區域產生滑坡堆積至壩前深坑。防滲鋪蓋底部壩面高程361.0 m以下呈現出滑坡體（見圖12），覆蓋壩面左側約1／2 面積，壩前深坑淤積情況與防滲鋪蓋底部淤積情況保持一致。

圖12 壩前深坑滑坡體

3.4 發電進水口

上游發電進水口多波束檢測三維成果見圖13。圖13（a）為多波束檢測結果與水電站原布置圖疊加后的局部放大，其中綠色線為發電進水口側平臺外立面原始上輪廓線、紅色線為水工建筑物其余輪廓線，圖13（b）為發電進水口區域檢測三維模型，綜合對比可知發電進水口側平臺邊緣沖蝕磨損嚴重。此外，進水口底板塌陷成3 個區塊，其中：區塊1 平均高程為410.9 m（與水電站原布置圖一致），區塊2 平均高程為409.6 m（平均塌陷0.7 m），區塊3 平均高程為407.0 m（平均塌陷3.9 m）。

圖13 發電進水口多波束檢測三維成果

3.5 導流放空洞

導流放空洞洞口橫剖面見圖14，與水電站原布置圖中導流放空洞洞口高程359.0 m 相比，白沙河水電站導流放空洞洞口存在0.6～1.6 m 厚度的淤積。

圖14 導流放空洞洞口橫剖面

4 結 語

華微6 號無人船外觀小巧、安裝方便、航行穩定、速度快、續航能力強、不易擱淺，極其適用于地處非通航水域的水電站聲吶檢測工作。通過開展無人船聯合NORBIT 多波束測深系統在白沙河水電站水工建筑物檢測中的應用研究，驗證了無人船聯合NORBIT 多波束測深系統的可行性和可靠性，主要成果如下：

（1）對NORBIT 多波束測深系統采集的水電站實測數據處理后，其結果能如實反映水工建筑物水下真實情況，水下微地形地貌清晰可辨，可為水工建筑物檢修設計與施工方案的完善、變更等提供依據。

（2）無人船聯合多波束測深系統對水工建筑物塌陷錯位、泥沙淤積、沖蝕磨損情況檢測效果較好。白沙河水電站發電進水口底板、防滲鋪蓋頂部平臺產生一定程度的塌陷錯位，防滲鋪蓋頂部平臺靠近下游邊界高程均高于上游邊界高程。防滲鋪蓋底部壩面高程361.0 m 以下呈現出滑坡體，水電站壩前深坑、導流放空洞洞口均存在不同程度的淤積。水電站發電進水口側平臺邊緣沖蝕磨損明顯，檢測成果可以清晰判斷其沖刷磨損范圍及程度。