多波束测深技术在水下抛石验收评价中的应用

黎建洲 王 超 袁泽雄 杨尚一 胡 蕾

(1.长江科学院工程安全与灾害防治研究所, 湖北 武汉 430010; 2.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心, 湖北 武汉 430010; 3.国家大坝安全工程技术研究中心, 湖北 武汉 430010; 4.湖北省汉江兴隆水利枢纽管理局, 湖北 武汉 430061; 5.湖北省水利水电规划勘测设计院, 湖北 武汉 430064)

0 引言

目前,水下除险加固、防汛抢险和堤岸整治项目广泛采用水下抛石处理[1]。水下抛石易被水流冲刷流失,施工定位船的定位误差会导致抛投区抛石不均匀,甚至出现漏抛区域,无法发挥抛石工程的实际作用,属于隐蔽工程。因此，在抛石完成后应该重视水下抛石的施工质量检验[2-3]。目前,水下抛石质量验收根据《水运工程质量检验标准》,根据抛石前后断面线上测点的水深数据对比,统计测点增厚值合格率和断面增厚值合格率作为验收依据[4]。

传统水下抛石验收方法采用单波束测深技术,按照测量比例尺布置测线和测点间距,最后通过抛石前后水下断面对比进行计算[5]。单波束测深技术是逐点测量方式,而且由于定位误差和测量船航行误差,抛石后的测线与抛石前的原始断面线无法完全重合,选择不同的断面线会导致测点增厚值合格率和断面增厚值合格率计算结果不同,通过传统的断面法计算水下抛石总方量也会不同,且无法精确确定欠抛量和欠抛区域,导致水下抛石验收结果的不唯一。

多波束测深技术与单波束测深技术相比属于面状式测量,通过姿态传感器和秒脉冲(PPS)时间同步改正得到的水深数据更加精确[6]。对抛石前后的水下地形进行多波束全覆盖测量,水下点云数据经过滤波处理后结合ArcGIS进行三维建模和叠加分析,可以准确地计算水下抛石总方量，直观地显示超抛和欠抛区域,全面地反映水下抛石前后地形变化和现状[7-8]。

1 多波束测深技术原理

本文采用的水下多波束测深系统由Kongsberg公司EM2040C多波束测深设备、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、光纤罗经和运动传感器(OCTANS)、声速剖面仪和多波束数据后处理系统等共同组成,并通过采集电脑、采集显示器、导航显示器实时控制数据采集。系统整体组成如图1所示。

图1 Kongsberg EM2040C多波束测深系统

该系统配备的OCTANS内含有3个互相垂直的光纤陀螺。借助于3个辅助的加速度计,OCTANS从加电开始,在5 min内即可以高达100 Hz的频率准确地输出罗经方位信息和三维运动姿态信息。

加拿大AML公司Micro SVP Plus声速剖面仪上装有固定距离的发射声源和反射器,在水中声源发射的声波经反射器反射后被接收,根据其往返程时间,可测量计算出水中的声波传送的速度。在进行水下检测过程中,由于水中(海水或河水)的温度、压力及盐度不均匀,在水深大于10 m的条件下,水中的声波传播速度明显不同,它将造成水中的声波传播路径弯曲。如果对此影响不加考虑,测深仪测得的水下深度,将会发生明显的弯曲。因此，在工作时,将声速剖面仪从水面投放到水底,即可得到该处的声速剖面,修正多波束测深数值。

根据本文作者在文献5中的计算,当Kongsberg EM2040C的纵向接收波束宽度为27°,纵向接收波束最小角度为1°,20 m水深的纵向分辨率为0.359 m;当横向发射角度设置为100°,横向发射波束最小角度为1°,20 m水深的横向分辨率为0.828 m。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽坝址轴线总长2 830 m,自右至左依次布置右岸滩地段长741.5 m,船闸段长47 m,挡水坝段长80 m,电站厂房段(含安装场)长112 m,泄水闸右门库段长20 m,56孔泄水闸段长952 m,左岸门库段长18 m,左岸滩地过流段长859.5 m。工程的主要作用是枯水期抬高库区水位,满足下游生态环境用水、改善两岸灌区的引水条件和通航条件。

2019年通过多波束测深系统，全覆盖扫测泄水闸下游柔性海漫到下游防冲槽范围的水下地形,发现泄水闸16～17#孔闸门下游柔性海漫存在1个冲坑。冲坑左右岸方向长约50.6 m,上下游方向宽约43.5 m,冲坑底部高程23.9 m,冲坑最深处与柔性海漫设计高程相比深度为2.6 m,距离坝趾约89.5 m。

为了防止泄水闸下游柔性海漫冲坑受水流冲刷,冲坑范围继续向坝址和下游防冲槽不断扩大,冲坑深度不断加深,破坏柔性海漫的结构从而危害大坝安全。2020年4月对泄水闸下游柔性海漫冲坑进行了水下抛石处理。为掌握冲坑水下抛石后的现状和效果,2020年5月利用多波束测深系统全覆盖扫测泄水闸下游柔性海漫到下游防冲槽范围的水下地形。

2.2 测量实施

本次测量在现场租用铁皮船,将探头支架安装在测量船左侧船舷距离船头1/3处,如图2所示,罗经固定在探头顶部的钢板上,以保证探头、罗经和作业平台的姿态一致,采用GPS-RTK进行定位导航。对测区进行全覆盖测量,在柔性海漫下游200 m的位置,选择水下地形有起伏变化的区域,布设左右岸方向长约150 m的3条往返测量,完成校准测线的测量。

图2 探头支架安装图

多波束测深系统在作业前、后均进行了检测。将船抛锚固定,在水深小于2 m的浅水区用测深杆检测,在深水区用测深锤检测,将实测换能器中心所在位置实际水深与多波束测深系统中央波束所测水深进行比对。

在现场四周无遮挡开阔处架设基准站,对4个已知点进行四参数坐标转换,电站坐标系统为北京54坐标系,将WGS84投影坐标转换为北京54坐标,由表1中误差可以看出,坐标转换误差最大为6.7 mm,满足水下地形测量需要。

表1 已知点坐标及转换误差

3 水下抛石效果评价

高云云等[9]以张家港市老海坝河段水下抛石河势整治理工程为例,研究点云密度对水下抛石效果评价的不确定性;吴雅文等[10]以长江南京断某河段上游抛石护岸工程为例,研究点云密度对水下抛石效果评价的影响。研究结果均表明，点云密度对水下抛石效果评价影响显著,且点云密度为5 m时为最佳,既不会因数据过于稀疏导致评价失真,也不会因数据过于密集导致评价困难。

本次将经过处理的多波束水下点云数据,在自动计算机辅助设计软件(AutoCAD)里按照3 m的间隔展点,建立三角格网,绘制等深线线图。然后每隔5 m划分一个断面,一共划分14个断面,每个断面上间隔5 m选取一个水深点,断面桩号从右岸至左岸方向依次编号为K0+0.00～K0+65.00,其中K0+0.00断面位于泄水闸建筑物15联中间偏左岸方向11.5 m,WK0+65.00断号位于泄水闸建筑物17联中间偏左岸方向8.5 m,其他断面按照5 m的间隔均匀分布。通过比较2020年复测断面线和设计断面线,两者基本能够吻合,但在K0+15.00、K0+40.00、K0+50.00三个断面处本次复测断面仍然表现为冲刷,如图3所示(以K0+15.00为例),而在K0+55.00、K0+60.00两个断面,通过抛石处理后水下地形高程高于设计高程,如图4所示(以K0+60.00为例),说明冲坑区域水下抛石整体情况较好,但在断面K0+15.00、K0+40.00～K0+60.00区域内抛石处理不均匀。计算测点增厚值合格率和断面增厚值合格，结果如表2所示,统计结果表明，测点增厚值和断面增厚值合格率均大于70%,判定水下抛石效果合格。

图3 K0+15.00断面对比图

图4 K0+60.00断面对比图

表2 水下抛石验收统计

利用断面法计算传统的水下抛石总方量,断面的选取对最终评价结果有着显著的影响,导致计算结果具有不唯一性和随机性[11-12]。多波束测量可以得到大量水下点云数据,将施工前后的数据分别导入ArcGIS中的两个图层,将两个图层进行叠加,然后利用ArcGIS中的体积计算功能得到准确唯一的水下抛石总方量。

确定传统的水下抛石欠抛和超抛区域,需要将设计断面线和施工后断面线导入CAD图中,划分施工网格后逐条断面线进行对比，确定不合格区域,过程烦琐,且不直观[13]。将多波束水下点云数据和设计数据分别导入ArcGIS中的两个图层,利用差值计算功能即可快速直观地得到水下抛石欠抛和超抛区域,如图5所示。

图5 水下欠抛和超抛区域图

4 结束语

与传统的水下抛石验收方法相比,利用多波束测深技术有以下几个方面的优点:

(1)对多波束测量得到的高精度、高分辨率水下点云数据进行精细处理和三维展示,可以直观、完整地展现水下抛石处理后的现状;

(2)传统水下抛石验收会因为选择的断面不同造成结果的不唯一性,将多波束水下点云数据的密度选择为5 m,进行测点增厚值和断面增厚值合格率计算,能够得到准确、唯一的验收评价结果;

(3)将施工前后的数据利用ArcGIS进行计算分析,能够快速、准确地计算水下抛石总方量,直观地反映水下欠抛和超抛区域,高效地指导水下抛石项目施工,有效降低施工成本。

利用多波束测深技术能够准确、直观地了解抛石处理后地现状,对水下抛石效果评价提供可靠地依据。