雙頻識別聲納技術在長江河段護岸拋石水下監測中的應用
——以南京大勝關水下拋石為例

陳智貴,陳小威,龔 浩,宋 力

(1.江蘇省水利科學研究院 材料結構研究室,江蘇 揚州 225002;2.江蘇九星建設工程有限公司,江蘇 宿遷 223800;3.江蘇熙利建設有限公司,南京 211100)

近年來,水下成像探測技術在國內外受到廣泛關注,相關技術在水下成像研究領域取得長足進步。但由于長江河段水域泥沙、水體懸浮物含量高,造成大部分水域水體可見度較低,目前廣泛適用于海洋領域的激光水下成像系統、微波電視成像系統等無法在渾濁的長江河段水域取得理想的效果[1]。而雙頻識別聲納系統(DIDSON)是一套基于聲學透鏡技術的成像系統,DIDSON系統可以在水體渾濁及光線條件差的情況下實現高清晰成像,形成影像質量級的物體圖像。

本文采用雙頻識別聲納系統,對長江南京河段護岸工程區域進行監測,對于研究不同護岸工程型式的運行效果,正確認識河勢演變規律具有十分重要的意義。同時,對于正確總結長江南京河段護岸工程經驗教訓[2-3],為長江南京河段岸線治理工作提供技術服務及指導也具有重要意義。

1 雙頻識別聲納系統(DIDSON)簡介

傳統的水下結構檢查主要依靠潛水員潛入水下探摸檢查,但潛水員潛水探摸開展難度較大。如果探測面積較大,則費時費力,且無法進行全面探摸,并且水下工作危險性也較高,在水流湍急的流域更難以進行。DIDSON水下成像系統主要應用于水下地形及地貌、海洋生物研究、水下環境監測等眾多領域,在水下成像可讀性、高分辨率及人機直觀性方面具有顯著優勢,可實現水下結構物成像的高清晰化。當前,國內外DIDSON系統主要應用紅外線、可見光及激光等光譜波段,結合微電子光發射機理,由此推進的水下機器人探測技術得到顯著提高,如遙控航行器(ROV)及自主式水下航行器(AUV)等,廣泛應用于海洋開發各種領域。

鑒于水下成像技術的直觀性等特點,有學者將之運用到內陸水域水利工程檢查等方面,以期可以直觀看到水下構筑物的真實形態,更好地對水工建筑物及水利工程進行管理。但由于國內水域的復雜性,如泥沙含量高、水體渾濁等,無線電波和光波等在水中傳播的距離很短,在海洋領域應用效果較好的光譜波段(包括可見光、紅外和激光等)水下成像系統無法得到預期效果[4]。

近年來,水下成像探測技術被廣泛應用于海洋環境、海洋工程、水下管道檢測等領域。在高頻率段,可簡易完成雙頻聲納探測目標成像;在低頻率段,因聲波傳播距離相對較遠,可充分利用聲波回納信號頻率譜特征,進行各類船只的音噪識別。聲波在水中衰減較小,在內河流域能一定程度克服水體渾濁度的影響,起到較好效果。因此,引進雙頻識別聲納系統(DIDSON)對長江南京河段水下護岸工程區域進行掃描,以觀察不同護岸工程的運行效果,該系統能較好地替代傳統潛水員潛水探摸,對水下結構物進行檢查。

2 雙頻識別聲納系統工作原理

DIDSON系統基本原理:利用回聲探測儀,發射不同能量、不同頻率的雙頻聲波,監測不同范圍內水下目標控測物的形狀、大小、位置及形態特征。

雙頻識別聲納系統是一套基于聲學透鏡技術的成像系統,又稱為水雷成像聲納。該系統類似于一臺水下聲學攝像機,可在水下形成清晰的物體圖像(相當于視頻質量),在可視條件差的渾濁水體環境條件下生成高品質質量圖像的效果。雙頻識別聲納圖像識別系統是當前為數不多采用發射聲頻替代可視鏡頭在渾濁水體監測水下物體的高清成像聲納設備,其工作原理是基于聲學透鏡的成像系統,可以自動調節焦距。

DIDSON最早由美國海軍進行研發,主要應用于在渾濁的水體中實現搜尋水雷,是一種新型非接觸式探測設備,為了保障潛水員的安全,系統于1997年研發成功,又稱為水雷成像聲納(Limpet Mine Imaging Sonar,LIMIS)。2002年以后,Sound Metrics Corp公司將其商業化,并成功運用于民用領域。目前,已廣泛應用于水產漁業、水下結構、管道檢查、水體探測等方面。系統應用效果圖見圖1。

圖1 DIDSON雙頻識別聲納系統工作效果圖

由于系統采用聲納成像,所得圖像沒有顏色,只有明暗度。該系統具有不用接觸物體,對水體的渾濁度沒有要求,使用簡單,能實時得到所觀測物體的“視頻”畫面等優點。DIDSON(300m型)雙頻識別聲吶主要工作參數見表1。

3 長江南京大勝關河段拋石區域概況

長江河段大勝關水下拋石實施區域位于梅子洲境內,長江梅子洲分汊河道段屬于順分汊河段,上源頭為下三山,下游至下關境內。主要區域自上游而下,分布于梅子州及梅子州下游潛州。長江主流線路從七壩過渡至大勝關右岸處,而后進入梅子州左汊,再經梅子州左側岸壁流入潛州左汊岸,同梅子州右汊水流相匯合后流入下游浦口段。該區域水下拋石雙頻識別聲納監測區位置見圖2。

圖2 大勝關水下拋石多波束監測區位置示意圖

4 拋石區域雙頻識別聲納測量成果

大勝關水下拋石區域雙頻識別聲納測量對選定區域進行全覆蓋掃描,系統采用高頻狀態、識別模式工作,掃描距離在5m以內,掃描成果見圖3。

圖3 大勝關水下拋石區域雙頻識別聲納掃描成果圖

由以上4幅雙頻識別聲納掃描成果圖可以看出,拋石底部區域大部分已陷入泥沙中,該區域拋石對于促淤起到了一定效果[5]。但大部分區域塊石經過水流的沖刷,均有不同程度的流失,直徑大的石塊相應保留較完好[6-7]。

5 水下拋石護岸型式運行效果分析

大勝關水下拋石區域位于南京河段梅子洲河段,為長江南京河段整治工程大勝關護岸防護工程組成部分,拋石施工于2005年12月開工,2006年5月完成所有拋石工作。大勝關岸段河寬較窄,修建橋梁等水下工程建筑物對河勢影響較大,南京長江三橋及高速鐵路橋的建設引起附近區域河床及橋墩處的一系列沖刷,目前長江三橋附近已出現45m沖刷坑。

長江河段大勝關區域為南京河段水下岸坡深槽發育最深、護堤灘地最狹長、岸坡坡比最陡之處。近年來,該岸段深槽發育明顯,2003年該岸段開始出現兩個-45m槽,槽總長約0.8km;2005年兩個槽并成一個,槽長約1km;2006年-45m槽增長至1.1km,并在上游新出現一個-45m沖刷坑;2007年-45m槽下游又新增3個-45m沖刷坑,-45m槽尾下延320m。

三橋下游至梅子洲入口處-5m河槽縮窄,左岸0m線淤積右移180～300m,-5m岸線右移200～250m。大勝關到梅子洲左汊-30m槽2006年連通,與2009年相比有所淤積,槽尾淤積上移140m。

三橋下游深槽拓展發育,-40和-45m深槽橫向發展,槽寬拓展。-45m深槽與2010年相比,槽寬增加約20m,現槽寬為65m;-40m深槽與2010年相比,槽寬增加約65m,現槽寬為180m。

根據以上分析,大勝關水下拋石護岸雙頻識別聲納監測區域整體以淤積為主,局部護岸沖刷,在坡腳處沖刷較為劇烈。后期需加強觀測,防止沖刷破壞加劇。

6 結 語

長江河段整治工程施工環境復雜多變、施工難度大,長江河段的治理要有科學合理的前期規劃、設計,根據工程特點,合理選擇護岸的實施形式。施工過程中,要求建設、施工、監理各方嚴格按照規范進行[8]。拋石施工過程中,必須對水位、水深及水流流速、實施前后的斷面等數據進行實時監測,利用雙頻識別聲納系統監測技術對水下拋石情況進行聲波攝像,并作為水下拋石防護應用效果分析的基礎資料,通過不斷地分析、總結,對施工方案及時做出有針對性的調整。