防波堤智能巡檢技術與應用

朱鵬瑞，劉紅彪，尹紀龍，薛潤澤

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456）

結構檢測及評估，即結構故障診斷，其目的是確定結構是否存在故障，進而判別故障的程度和方位、結構目前的狀況、使用功能以及結構故障的變化趨勢等[1]。港工建筑物結構檢測目前仍然以常規檢測為主，巡檢方式效率較低且結果粗放，巡檢過程中存在一定的安全隱患和盲區。隨著科技發展，近年來各種先進的設備與技術如無人機、水下機器人、多波束測深系統、聲吶系統等逐步應用于水運結構檢測，大大提高檢測的效率與精度[2-7]。國內外學者對無人機低空攝影測量技術進行了研究，特別是在無人機低空影像的獲取方法、影像處理、三維建模等方面都展開了大量的研究。一些工程應用了無人機低空攝影測量用于碼頭和防波堤的水上外觀檢測，取得了良好的效果。部分港口實現了“水上無人機+水下多波束”初級智能巡檢，由于不同空間數據在數學基礎、空間基準、尺度和格式方面的不一致，檢測成果割裂，無法形成完整的水工建筑物立體信息模型，缺乏直觀性，距離真正的智能巡檢尚有不小的差距。

1 工程背景

某防波堤位于中國東部沿海，是一座典型的斜坡式防波堤，胸墻原為漿砌塊石結構，長度2350m，前沿水深在5m～10m 之間，竣工于1990年，其間多次遭受風暴潮的襲擊，每次風暴潮過后，都針對受損的防波堤進行了搶險維修加固，加固的措施主要是在海堤外坡補充拋石、增加扭工字塊體與扭王字塊體防護。如2019年臺風利奇馬過后，防波堤與堤頭相連的500m 胸墻、外坡及部分面層破壞，如圖1所示。為了深入查找防波堤破壞原因，還原破壞過程，需要對該防波堤進行一次全面深入的檢測與評估。

圖1 防波堤面層碎裂

2 防波堤三維可視化模型構建

針對防波堤各組成部分所處位置及環境特點，需選取相應的巡檢手段，智能巡檢必然涉及多設備多技術的協同配合。水上可見工程利用無人機航拍技術，水下隱蔽工程利用智能無人艇搭載3DSS-iDX 三維側掃多波束測深聲吶掃測與水下機器人光學成像檢測。

2.1 無人機航拍掃描

無人機航拍掃描是實現防波堤水上部分可視化的主要技術手段，包括激光雷達掃測模型與傾斜攝影模型兩部分。將雷達點云數據復合到傾斜攝影模型上，能夠增加航拍模型的屬性信息，水平精度2cm，垂直精度5cm，在代表部位的拐角部位或護面塊體布置監測特征點，實現無人機航拍測量的精確性與連續性。在低潮位時采用飛馬D2000RTK 旋翼無人機進行航拍，航線規劃依據激光頭掃描距離和掃描速率確定飛行速度、航帶寬度和飛行高度。防波堤航拍點云見圖2。

圖2 防波堤航拍點云三維模型

2.2 智能無人艇測水深

在高潮位時采用智能無人艇搭載3DSS-iDX 三維側掃多波束測深聲吶進行水下地形掃測，將掃海測量數據輸入CARIS HIPS and SIPS 7.0 專業后處理軟件，整理后點云模型見圖3。

圖3 防波堤水深點云模型

2.3 水上與水下點云三維模型構建

作為空間三維數據的展示，點云成果的展示是一種常見的數據成果展現形式，點云數據具有曲面模型所不具有的特征展示等優勢，將智能巡檢獲得的水上與水下構件點云數據融合處理，去除上方的管廊架等噪聲點，渲染后建立防波堤的三維可視模型，從而形成一整套完整的智能巡檢技術。

圖4 防波堤水上與水下結構點云融合渲染細節

3 防波堤斷面變化精細化分析與驗證

3.1 模型斷面提取與對比

將無人機與無人艇協同掃描的多源數據融合起來，不僅能夠實現防波堤整體面貌的三維精細模型，還能將實測狀態與設計或之前狀態斷面對比，研判當下防波堤現狀，分析防波堤破壞程度與破壞原因。

從點云復合模型中提取出現有斷面輪廓線，將斷面現狀與修復設計斷面進行對比分析。總體上現狀斷面輪廓與設計斷面輪廓吻合度一般，內側面層發生了明顯的沉降，外坡坡肩坡面線低于修復設計，坡腳坡面線低于修復設計，典型斷面對比見圖5。

圖5 斷面現狀與原設計斷面對比

3.2 水下機器人光學成像

采用加拿大Shark Marine seawolf5 水下機器人系統進行水下構件質量檢查。重點分析防波堤胸墻與面層嚴重破損段K0+140m～K0+320m 區段，其水下10%的扭王字塊與扭工字塊體斷肢，斷肢形式主要為中間連桿斷肢或者端部斷肢，如圖6所示。

圖6 K0+140m～K0+320m 扭工字塊大量斷肢

綜合斷面分析成果與水下機器人檢測成果，防波堤胸墻整體破壞段對應的水下坡面形態與設計斷面存在一定差異，水下扭工字塊斷肢、扭王字塊滑落現象較多，滑落的斷肢塊體、塊石堆積在缺口前方水下區域并覆蓋在正常的護面塊體上，形成突出于外坡面的鼓包，此處明顯處于動態變化的不穩定狀態，是安全隱患最大的區段。

4 防波堤破損原因簡析

該防波堤面層荷載較小，波浪是其主要荷載，因此推斷發生損壞的原因主要為對堤前波浪水動力特性認識不足[8]。該防波堤胸墻高度僅1m，風暴潮發生時，大量的海浪越過堤頂，會對堤頂和面層形成較大的沖擊力，胸墻坍塌，面層沖擊碎裂，加速了面層下方回填料的流失，造成了面層下方的脫空現象。同時風暴潮造成護面塊體振動、碰撞，甚至沿著坡面上下滾動，出現塊體磨圓、斷肢等情況，形成薄弱區域。該防波堤在每一次修復時，為加強護面塊體穩定性，在薄弱區域補拋了較大質量的護面塊體，然后大護面塊體需要更大的接觸面積與更好地勾連咬合才能保持穩定性，工程上“以大覆小”反而沒達到預期加固的效果。

5 結論

（1）防波堤智能巡檢獲取的點云數據是面測量方式，可對防波堤的斷面變化進行精細分析。如何將航拍點云、多波束點云、聲吶側掃數據與光學成像等數據融合并集成下一個統一的智能巡檢系統中，提供三維實景、多角度、全方位的展示，能夠觀測結構體的連續變化，將是今后的發展趨勢。

（2）該斜坡堤破損成因：超出設計標準的自然災害是造成防波堤胸墻坍塌、面層碎裂脫空、護面塊體滑落與水下扭工字塊護面塊體斷肢的主要原因。