多波束測深系統(tǒng)在葛洲壩導沙底坎清淤中的應用

張壯志，劉暢快

（1.中國長江三峽集團公司，湖北宜昌443002；2.中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌443002）

1 多波速測深系統(tǒng)介紹

多波束測深系統(tǒng)也稱聲納陣列測深系統(tǒng)，利用超聲波原理進行工作。系統(tǒng)由GPS導航定位系統(tǒng)、多波束換能器（探頭）、光纖羅經(jīng)、聲速剖面儀、水深數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)據(jù)處理計算機和處理軟件構成（見圖1）。多波束測深系統(tǒng)信號接收部分由n個成一定角度分布的相互獨立的換能器完成，每次能采集到n個水深點信息，可對測區(qū)進行全范圍無遺漏掃測。目前，該系統(tǒng)波束數(shù)已達100多個，波束寬度僅有1°～2°，總掃描寬度為150°～180°，多波束按帶狀方式進行，水下覆蓋為一個面（見圖2），所覆蓋的寬度是水深的4～10倍[1]，極大地提高了測量的效率，可完全實現(xiàn)測深數(shù)據(jù)自動化及在外業(yè)準實時自動繪制出測區(qū)水下彩色等深圖。利用多波束聲信號進行測掃成像，提供直觀的測時水下地貌特征，被形象地稱為“水下CT”。

2 多波速測深系統(tǒng)應用實例

2.1 項目背景

葛洲壩水電站是一座低水頭徑流電站。經(jīng)多年運行，葛洲壩大江電站上游導沙坎前已淤積了大量泥沙，不能發(fā)揮原有的攔沙作用。大量亂石挾泥沙沖至大江電站排沙底孔進水口區(qū)域，已對該區(qū)域底坎鋼板及底板混凝土造成不同程度破壞，需對大江電站上游導沙坎前區(qū)域實施清淤項目。

圖1 多波束測深系統(tǒng)主要組成部分Fig.1 Main components of the multi-beam echo sounding system

圖2 多波束水下覆蓋圖Fig.2 Underwater coverage of the multi-beam echo sounding system

為全面反映清淤前后水下地形的變化情況及對清淤工作量進行精確計算和統(tǒng)計，選用多波束測深系統(tǒng)來完成電站上游導沙坎前區(qū)域清淤前后的水下地形測量。

2.2 測量范圍

該項目橫向測量范圍為大江防淤堤至三江防淤堤之間水域，縱向測量范圍為從大江防淤堤堤頭至葛洲壩水利樞紐上游壩體。整個測區(qū)范圍（如圖3）沿壩軸線方向約1.4 km，垂直壩軸方向約1 km，測量面積約1.4 km2。

圖3 葛洲壩大江電站上游導沙坎前清淤區(qū)域圖Fig.3 Sketch of sediment elimination at Dajiang hydropower station

2.3 技術措施

2.3.1 技術準備

（1）儀器設備的選用

該系統(tǒng)導航定位采用Trimble5700型GPS，利用其實時載波相位差分技術進行GPS導航定位。導航軟件采用HypackMAX綜合水文測量軟件。水下地形施測前應選取岸上至少一個五等平面控制點對DGPS定位精度進行檢驗，達到精度要求方可用于水下定位測量，DGPS參考站架設引據(jù)控制點一般不應低于五等平面精度。

該系統(tǒng)主要儀器設備見表1。

（2）多波速系統(tǒng)的校正

系統(tǒng)校正操作應在水下掃測之前或掃測結束后立即開展，以保證系統(tǒng)校正與掃測時多波束系統(tǒng)各儀器狀態(tài)一致。多波束系統(tǒng)校正計算應在校正操作現(xiàn)場完成并做好校正參數(shù)記錄,多波束系統(tǒng)校正方法及要求見表2。

（3）聲波剖面測量

聲速剖面測量采用SV Plus3643型聲速剖面儀，量測掃測區(qū)域水表面至河床底（最大水深）的溫度和聲速剖面。

表1 多波速測深系統(tǒng)主要設備配置Table 1:Main equipments of the multi-beam echo sounding system

（4）測線布設

主測線宜平行于等深線總方向或岸線，檢查線應垂直于主測線方向且均勻布設，在重要航行地區(qū)，測線間距取有效掃寬的1/2，一般采用全覆蓋測量，測線間距不大于有效掃寬的4/5。

在保證全覆蓋的前提下，測線部分地段超寬長度小于測線長度1/5的不需要補線。垂直于主測線方向均勻布設3條或3條以上檢查線，進行多波束測深檢查。

（5）測深準備

探測距離（量程）足夠大，保證在測區(qū)最深區(qū)域仍可實現(xiàn)最大掃寬，又不宜太大以便獲得比例適當?shù)钠聊槐O(jiān)測效果。

發(fā)射功率應足夠高，保證在全測區(qū)（或分區(qū)施測的某一區(qū)域整體）內(nèi)都有足夠強的回波信號；發(fā)射功率又不宜太大，以抑制二次回波、擊穿海底等不良現(xiàn)象發(fā)生。

接收增益宜取較低水平，以避免超飽和現(xiàn)象，并適當抑制噪聲，接收增益又不可太小，否則會丟失信號。

表2 多波束系統(tǒng)校正方法及要求Table 2:Correction method and requirement for the multi-beam echo sounding system

2.3.2 外業(yè)水下地形數(shù)據(jù)采集

測深過程中實時監(jiān)測動態(tài)傳感器、電羅經(jīng)、定位及測深設備的運行狀態(tài)。姿態(tài)傳感器或測深設備發(fā)生故障必須立即停止作業(yè)；羅經(jīng)持續(xù)10 s故障應立即停止作業(yè)，定位數(shù)據(jù)持續(xù)20 s不正常停止作業(yè)，并合理補線。

線測量時，使用小舵角修正航向，盡量避免急轉彎。

測量結束后，應再次核對多波束測深系統(tǒng)的關鍵參數(shù)設置，及時將外業(yè)原始數(shù)據(jù)轉換至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件包能使用的數(shù)據(jù)格式，交付內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用。

測量結束后，現(xiàn)場核對，應排除一切不確定因素，記簿人簽字后方可交內(nèi)業(yè)使用。

2.3.3 測量數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)轉換前應正確選取測船配置文件、濾波參數(shù)，在確保數(shù)據(jù)完整的前提下剔出導航、水深等數(shù)據(jù)的粗差，使數(shù)據(jù)處理時的顯示效果更合理。數(shù)據(jù)處理前應進行聲速剖面改正。

對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉換與檢驗、聲速改正、水深數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)抽稀、合理構造DTM模型，最后按工程測量要求輸出高密度水下地形點位成果并繪制測區(qū)水下地形圖，分色繪制測區(qū)三維電子圖。

水下點位成果輸出時除需輸出一定比例尺成圖點距成果外，還需輸出1 m測點間距水下點位成果（在與壩體及岸邊相接位置5 m范圍內(nèi)，測點間距加密至0.5 m）供清淤工程量計算使用。圖4為經(jīng)多波速系統(tǒng)校正的橫偏圖及艏偏圖。

2.4 檢查成果

多波速測深系統(tǒng)在清淤前后各完成一次水下地形的量測，圖5客觀地反映了2號剖面和52號剖面清淤前后橫斷面的變化情況。圖6為多波束掃測數(shù)據(jù)生成的導沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)（疏浚區(qū)），通過與圖7（地形數(shù)據(jù)生成的導沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)圖）對比，量測成果一致。

2.5 多波速測深系統(tǒng)檢驗

評估多波束測深精度的一種有效方法是采用與主測線相交的檢查測線，用這種方法可以評估多波束本身以及各傳感器安裝、校準、水位改正、聲速改正等對測量結果的綜合影響。外業(yè)實施時，本次施工采用了多波束與單波束同步進行水下地形測量方式以驗收多波束測深成果質量（見圖8、圖9），水深測量驗測精度統(tǒng)計見表2，滿足規(guī)范及設計要求。

圖4 多波束校正Fig.4 Correction for the multi-beam echo sounding system

圖5 不同位置清淤前后橫斷面變化圖Fig.5 Topography conditions before and after sediment elimi?nation

2.6 清淤量計算

根據(jù)多波速測深系統(tǒng)提供的清淤前、后導沙坎前區(qū)域的三維電子圖，結合斷面變化圖，依據(jù)相關規(guī)范[2，3]，本次清淤量計算分別按照開挖總方量、控制范圍內(nèi)的約定有效開挖方量、控制范圍外擴1 m、2 m、3 m、4 m的開挖方量等6項不同要求進行，通過比對及加權處理得出最終清淤方量。

圖6 采用多波束掃測數(shù)據(jù)生成的導沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)（疏浚區(qū)）Fig.6 Three-dimensional topography after sediment elimination measured by the multi-beam echo sounding system

圖7 采用地形數(shù)據(jù)生成的導沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)（ABCDE為清淤區(qū)域）Fig.7 Three-dimensional topography after sediment elimination established with topographic data(ABCDE was the area of sedi?ment elimination)

表3 各測次水下地形驗測精度統(tǒng)計表Table 3:Statistics of precisions of the topography measurement tests

3 結語[4]

多波速水下測深系統(tǒng)在此次葛洲壩導沙坎清淤項目中科學、真實地反映了測區(qū)河床的實際情況，為該項目的順利實施及工程量確認提供了可靠的依據(jù)。比較清淤前后所測水下地形圖，橫斷面變化比較明顯,清淤區(qū)域ABCDE范圍內(nèi)設計清淤高程為40 m，清淤后區(qū)域內(nèi)的河床平均高程為40.57 m，其中ABCD靠上游側的（零星小區(qū)域高程高于40 m）大部區(qū)域高程低于40 m，清淤效果較為理想。

圖8 清淤前多波束、單波束檢驗統(tǒng)計示意圖Fig.8 Comparison between measurement results of multi-beam system and single-beam system before sediment elimination

圖9 清淤后多波束、單波束檢驗統(tǒng)計示意圖Fig.9 Comparison between measurement results of multi-beam system and single-beam system after sediment elimination

在該項目實施一年后，葛洲壩大江電站排沙底孔進水口區(qū)域的水下攝像檢查顯示，大江電站導沙坎上游區(qū)域清淤后，排沙底孔進水口區(qū)域未出現(xiàn)亂石及泥沙，也沒有產(chǎn)生新的破壞區(qū)域，導沙坎重新發(fā)揮了其攔沙護壩的作用。■

[1]高瑩.多波速在掃海測量中的分析[J].交通科技,2009(1),101-102.

[2]JTJ919-99，疏浚工程技術規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[3]JTJ/T321-96，疏浚工程土石方計量標準[S].北京:人民交通出版社,1997.

[4]長江三峽水文水資源勘測局.葛洲壩大江電站上游導沙坎前水域清淤報告[R].2008.