多波束测深技术在锦屏二级水电站坝后冲刷分析中的应用

周治祥

（浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，浙江杭州，310014）

在水电站运行期间对坝后水下地形进行测量，可及时了解坝后的冲刷情况。水下地形测量是工程测量中的一种特定测量，多用于江河、湖泊和水库等水下地形图的测绘工作。传统水下地形测量方法主要有测深杆法、测深锤法和回声测深仪法等，但这些测量方法所获取的水下地形信息较少，水下地形图的精度普遍较低。随着水声技术、计算机技术、导航定位技术等飞速发展，多波束测深技术在水下地形测量中得到广泛应用，可精准获取水下地形的三维模型，非常直观地获得地貌特征。

1 多波束测深技术原理

多波束测深系统主要由多波束声学系统、多波束采集系统、数据处理系统和外围辅助传感器等组成，其中：换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；多波束采集系统将接收到的声波信号转换为数字信号，并记录声波往返换能器面和水底的时间；外围设备（主要包括定位传感器、姿态传感器、声速剖面仪和电罗经等）测量船瞬时位置、姿态、航向及声速传播特性；数据处理系统以工作站为代表，综合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的坐标和深度，并绘制水下地形图。

测深时，多波束测深系统利用发射换能器阵列，以一定的频率发射沿航迹方向开角窄、垂直航迹方向开角宽的波束，利用接收换能器阵列接收声波（窄波束接收），通过发射、接收扇区指向正交性形成对水下地形的照射脚印[3]，经处理计算后可获得与航迹相垂直的面内的多个水深值，精确又直观地获得水下三维地形图。多波束测深工作原理详见图1，其中，ΨT为沿航迹方向的发射波束开角；ΨR为垂直航迹方向的接收波束开角；θi为波束角；ri为距离；xi为波束脚印到天底之间的距离；zi为水深。

2 工程应用

2.1 项目概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州雅砻江干流上，系雅砻江卡拉至江口河段五级开发的第二座梯级电站，上接锦屏一级水电站库尾。

图1 多波束工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of multibeam working principle

根据库区泥沙调查，锦屏二级水电站入库泥沙在锦屏一级水库蓄水发电后已经大幅减少，对锦屏二级进洞及过机泥沙影响较大的主要为库区内的存量泥沙，主要为2013年6月锦屏一级水库蓄水之前二级库区河道中淤积的泥沙以及锦屏一级泄洪洞冲坑冲刷出来的泥沙。为查明锦屏二级水电站闸坝下游护坦及河道水下地形情况、冲刷淘蚀情况及抛填混凝土块石堆积分布情况，运用多波束测深技术开展水下地形测量工作。

2.2 现场数据采集及处理

2.2.1 现场数据采集

锦屏二级闸坝下游护坦及河道四周高山环绕，水下多波束检查时，应用GPS-RTK技术结合惯性导航系统进行定位。通过采用波动物理原理的“相控阵”方法精确定位512个波束中每个波束的指向（位置），其指向性可控制到0.5°。现场数据采集主要工作如下：

（1）定位坐标系的测量与转换。采用GPSRTK技术提供定位参数。

（2）多波束检测系统传感器安装。以快艇作为多波束检测系统的载体，安装多波束系统水下发射及接收换能器、表面声速探头、固定罗经、三维运动传感器及RTK流动站，各项安装需确保设备与船体摇晃一致。

（3）传感器相对位置测量。船体坐标系统定义船右舷方向为X轴正方向，船头方向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向。分别量取RTK天线、定位罗经天线、接收换能器相对于参考点（三维运动传感器中心点）的位置关系。

（4）现场测量作业。多波束测深系统进行全覆盖扫测时，测线尽量保持直线，相邻测线覆盖范围重合至少20%，对于重点部位进行多次覆盖扫测。在作业过程中，根据现场作业条件适时进行声速剖面的测量，且两相邻声速剖面采集时间间隔不应超过6 h。

图2 多波束测深航迹线示意图Fig.2 Track of multibeam bathymetry

2.2.2 数据处理

内业数据处理采用PDS数据采集软件及CA⁃RIS HIPS and SIPS实测数据后处理软件共同进行，实测数据的处理主要包括：（1）对数据采集软件采集得到的各传感器数据进行处理；（2）对水深数据设定各项合理的过滤参数，删除假信号。完成数据合并后，对得到的水深及位置进行精过滤，其主要内容是对两条相邻测线重合覆盖区域的多余观测数据进行筛选、删除，以保留高精度的水深数据。

图3 典型剖面噪声干扰剔除前后对比示意图Fig.3 Typical section before and after noise interference elimi⁃nation

2.3 坝后冲刷分析

锦屏二级水电站闸坝下游护坦及河道水下多波束测深成果如图4所示。为分析护坦混凝土平直度及冲刷区域发育规模等情况，从图4中提取9条断面进行详细分析，断面位置见图5，各断面的点云图见图6。

（1）由图4可见，锦屏二级闸坝护坦区域内（闸下K0+063.00～K0+107.00）底板平坦、边墙规则平直，未发现明显的混凝土冲蚀，混凝土表观完整。闸下K0+107.00～K0+147.00段为四面体混凝土块堆积区域，块石清晰可见。闸下K0+147.00至下游河段整体地势平坦，局部存在冲刷地势低洼区，位于左右岸护坦处，其中右岸低洼区比左岸低洼区面积大。

（2）由图6可见，1号、3号、5号闸门在大块石海漫区存在冲刷淘空情况，2号、4号闸门在大块石海漫区未发现明显的冲刷淘空情况。以2-2断面为例，2号闸门导墙区域（0～32 m）底板混凝土表观光滑平直、完整；32～75 m段大石块堆积，表面凹凸不平，地形起伏变化相对较大；75～198 m段河道地形起伏变化相对较小，整体平缓，无明显冲坑。

图4 闸坝下游护坦及河道多波束测深成果图Fig.4 Multibeam bathymetric results of the river downstream of the gate dam

图5 断面示意图Fig.5 Section diagram

图6 各断面点云图Fig.6 Points cloud chart of each section

（3）利用网格划分取样，通过统计各网格内淘空深度和网格面积计算淘空方量。经核算，坝后冲刷淘空区域面积约1800 m2，平均淘空深度为1.3 m，淘空方量约2340 m3。

3 结语

多波束测深技术有精度高、效率高等优点，广泛应用于较复杂的水下地形测量、水下建筑物探测等领域[3]。通过多波束测深技术在锦屏二级水电站闸坝下游护坦及河道水下测量中的应用，全面有效获取了闸坝下游护坦混凝土平直度、冲刷区域发育规模等信息，为后续运行管理奠定了基础。