基于水下多波束的長江堤防護岸工程監(jiān)測技術研究

鄒雙朝，皮凌華，甘孝清，岳紅艷

(1.長江科學院 a.工程安全與災害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心;c.國家大壩安全工程技術研究中心;d.河流研究所，武漢 430010;2.湖北省漢江河道管理局，湖北潛江 433100)

1 研究背景

建國以來，黨和政府對長江崩岸治理十分重視，實施了規(guī)模宏大的護岸工程。據(jù)不完全統(tǒng)計，長江中下游護岸工程拋石總量達8 959.7萬m3，建成丁壩700余條，柴排408.9萬m2，混凝土鉸鏈排117.1萬m2，護岸總長度達1 325km，占崩岸總長的85%以上［1］。護岸工程的實施會使工程范圍內(nèi)的橫向河床變形受到抑制，有利于長江堤防的穩(wěn)定。但近岸未護處仍存在縱向與垂向沖刷，引起深泓刷深并內(nèi)移，進而對護岸工程產(chǎn)生破壞性影響，嚴重時甚至會發(fā)生大面積崩岸，使得護岸工程失效，失去穩(wěn)定河岸的作用。近年來，長江堤防護岸工程受損或崩岸的現(xiàn)象時有發(fā)生。為了預防護岸工程損壞或崩岸的發(fā)生，應對護岸工程進行定期監(jiān)測與分析，必要時采取工程措施消除安全隱患。護岸工程監(jiān)測主要包括護岸工程的位移監(jiān)測、滲透壓力監(jiān)測、水下地形量測、地貌調(diào)查以及河岸、河床部位的侵蝕狀況等［2］。護岸工程的岸腳、坡腳被淘刷是護岸工程失穩(wěn)的最重要原因之一，因此，開展水下地形測量，準確獲取護岸工程部位的岸坡河勢變化信息，了解河床以及近岸受水流沖刷情況、河床局部沖淤變化、深泓線的變化、岸堤線的變化等，是堤防護岸工程監(jiān)測最直觀、最有效的方法。

目前在長江堤防護岸工程水下地形測量中采用較多的是單波束聲納測量技術。該方法按照一定距離間隔(100，50，30m)布設測線，獲取各個不同監(jiān)測斷面的地形。單波束聲納測量技術采用逐點測量方法，將測得的斷面數(shù)據(jù)繪制成圖，采取直線插補法生成等值線，不能完全反映地形真實變化。另外，單波束聲納測量技術在水下地形量測中僅采用差分GPS技術進行瞬間平面定位，而對于監(jiān)測船身的搖晃引起的測深誤差沒有采取補償措施，使得測得的水深不是測點垂直方向的真實水深。單波束聲納測量技術不能夠克服風浪的影響，測量誤差大，且不能實現(xiàn)空間上的連續(xù)測量，難以滿足護岸工程監(jiān)測的需要。水下多波束測深系統(tǒng)是由聲學儀器、GPS、姿態(tài)數(shù)字傳感器、計算機及功能強大的軟件組成的高新水下地形測量新技術。它采用廣角度發(fā)射和多通道信息接收，獲得堤防護岸上百個波束的條幅式地勢數(shù)據(jù)，以帶狀方式對堤防進行監(jiān)測，對堤防護岸工程的水下地形進行全覆蓋測量。水下多波束測深系統(tǒng)采用姿態(tài)數(shù)字傳感器對監(jiān)測船的船身姿態(tài)進行改正，保證了豎直方向水深測量的精度。水下多波束的波束角很窄，可以精確反映水下地形的細微變化、水下目標物的大小和形狀，能夠全面、準確地反映堤防護岸的地形起伏變化。水下多波束測深技術大大提高了堤防護岸工程監(jiān)測的精度、分辨率和工作效率［3］。

本文以長江中游湖北省監(jiān)利縣鋪子灣已建護岸工程河段為例，研究基于水下多波束的堤防護岸工程監(jiān)測技術，豐富和完善了現(xiàn)有的護岸工程的監(jiān)測技術，為長江中游河道護岸工程監(jiān)控與治理提供技術支撐，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 水下多波束測深技術

2.1 系統(tǒng)組成

水下多波束測深系統(tǒng)一般分為多波束聲學系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器。其中多波束的聲學系統(tǒng)主要實現(xiàn)波束的發(fā)射和接收，主要設備為換能器;多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并反算測量距離或記錄其往返程時間;外圍輔助傳感器主要包括定位傳感器、姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀和羅經(jīng)，主要實現(xiàn)測量船瞬時位置、姿態(tài)、航向的測定，以及水中聲速傳播特性的測定;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以工作站為代表，綜合聲速測量、定位、船姿、聲速剖面和潮位等信息，計算波束腳印的坐標和深度。

本文研究中使用的水下多波束測深系統(tǒng)是丹麥Reson公司的Seabat7125型高精度水下測量儀器設備。它由7－P處理器、GPS定位設備、OCTANS光纖羅經(jīng)和運動傳感器、多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)共同組成，各個功能模塊連接見圖1。Seabat7125水下多波束測深系統(tǒng)可以發(fā)射128°×1°的扇面波束，反射信號經(jīng)換能器接收，通過波束形成器形成256個波束，每個接收窗口大小為27°×0.5°，每個波束的寬度是1°×0.5°，系統(tǒng)的接收扇面角為256°×0.5°，工作頻率為400 kHz，測距量程為200m，測深分辨率為5mm［4］。

圖1 SeaBat7125水下多波束測深系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition of Seabat7125 underwater multi-beam sonar system

2.2 平面位置精度

水下多波束測深系統(tǒng)影響平面位置精度的因素主要有GPS定位精度、時延測量精度、縱橫搖及艏搖測量精度、聲速傳播等。根據(jù)誤差傳播定律，平面位置的總誤差為

mGPS為GPS的定位誤差。采用GPSRTK技術進行平面定位時，平面定位精度為10mm+1×10－6m，電臺一般有效作業(yè)距離為5km，那么mGPS最弱為0.015m。

mTime為時延測量誤差。SeaBat7125系統(tǒng)采用PPS秒脈沖技術對7－P處理器、采集電腦、GPS接收機進行時間同步，系統(tǒng)時延為0.0 s，mTime為0.0m。

mRoll為橫搖誤差。橫搖使波束產(chǎn)生側(cè)向偏移，使得換能器繞x軸在yoz面內(nèi)發(fā)生r角旋轉(zhuǎn)，引起測量斷面的變化(虛線斷面為理想測量斷面，實線為實測斷面)。從圖2上直接計算其最大誤差為

圖2 橫搖誤差影響示意圖Fig.2 The influence of roll error

mPitch為縱搖誤差。縱搖使得換能器繞y軸在xoz面內(nèi)發(fā)生p角旋轉(zhuǎn)，引起測量斷面的變化(虛線斷面為理想測量斷面，實線為實測斷面)，使得理想測量斷面同實際測量斷面產(chǎn)生二面角p。從圖3上直接計算其最大誤差為

圖3 縱搖誤差影響示意圖Fig.3 The influence of pitch error

mYaw為船艏誤差。船艏誤差對邊緣波束的平面位置精度影響計算公式為

式中:m0測定精度一般控制在0.05°;θ為最大波束角;SeaBat7125取60°;H為換能器至水底水深，取30m。則 mRoll為0.104m，mPitch為0.026m，mYaw為0.045m。

聲速誤差mSound對位置的影響主要體現(xiàn)在聲波在水中的非直線傳播，對于淺水區(qū)，聲速測量誤差的影響是非常微小的，數(shù)值一般估算在0.002m［5］。

因此，在深度不超過30m的長江堤防護岸工程河段進行多波束測量時，由式(1)可得誤差最大的平面位置精度為0.118 m。

2.3 水深測量精度

影響水深精度的因素主要有多波束本身的測深誤差m1、潮汐改正誤差m2、換能器靜態(tài)吃水改正誤差m3、船舶姿態(tài)補償橫搖改正誤差m4、船舶姿態(tài)升沉的改正誤差m5、聲速剖面改正誤差m6等。根據(jù)誤差傳播定律，則水深測量的總誤差為

水下多波束測深系統(tǒng)的測深誤差為0.01m，潮汐改正誤差可控制在0.05m;換能器吃水改正誤差(含動吃水)可控制在0.05m;船舶姿態(tài)補償橫搖改正誤差為0.05°，則0.05°引起的邊緣處的最大深度誤差為mz=H×tanθ=0.026m。船舶姿態(tài)升沉的改正誤差為0.05m。聲速測量誤差對深度的影響:若水深為30m，則聲音到達水底所用時間為30m÷(1 500m/s)=0.016 s;若聲速測量誤差為0.06m/s，則引起的深度誤差小于0.001m。

因此，在深度不超過30m的長江堤防護岸工程河段進行多波束測量時，由式(5)計算可得水深測量最大誤差m水深為0.094 6m。

3 護岸工程監(jiān)測方法

根據(jù)長江堤防護岸工程的特點和相應的監(jiān)測規(guī)范，采用水下多波束測深技術進行護岸工程監(jiān)測的作業(yè)方法如下:

(1)多波束系統(tǒng)SeaBat7125探頭支架的安裝需要保證和船體成為一個整體，船體姿態(tài)測量能夠很好反映探頭的發(fā)射和接收位置。

(2)設置船體坐標系中心參考點CRP中心，船右舷方向為x軸正方向，船頭方向為y軸正方向，垂直向上為z軸正方向。分別量取GPS天線、羅經(jīng)、聲納探頭相對于參考點的位置。

(3)在已知控制點架設基準站，檢查RTK的流動站選項與流動站無線電設置，待有RTK固定解時，設置定位數(shù)據(jù)(GGA)、時間數(shù)據(jù)(ZDA)、同步時間觸發(fā)信號(PPS)、端口、波特率等參數(shù)。

(4)在監(jiān)測船上依次安放7－P主機、采集工控機、顯示器等，然后通過采集軟件PDS2000，將GPS流動站的輸出時間信號(PPS，ZDA)、導航定位數(shù)據(jù)(GGA)、OCTANS光纖羅經(jīng)定向數(shù)據(jù)和運動傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)、7－P水下地形數(shù)據(jù)與采集電腦聯(lián)接，各個設備數(shù)據(jù)工作正常，按照預先布置的測線進行堤防護岸工程變化過程水下三維地形監(jiān)測。

(5)護岸工程水下三維地形掃測完成后，選擇特殊的地形，采集多波束水下地形數(shù)據(jù)，并計算探頭安置的校正值。

(6)多波束測深系統(tǒng)換能器的高程確定一般采用RTK法。流動站GPS天線垂直測量精度約為2cm，考慮到天線高與水下多波束測深系統(tǒng)的換能器高程測量誤差、波浪，垂直方向的精度在4cm左右。

(7)聲速剖面測量。與單波束不同，多波束測量依賴于水體介質(zhì)對聲波的傳播、反射、散射，測量各波束的不同到達角，將接收到的數(shù)據(jù)按角度、旅行時經(jīng)過的聲速剖面折算成深度和側(cè)向水平距離。因此，計算時需要掌握測區(qū)的聲速變化特征與規(guī)律，通過聲速剖面軟件編輯，并在數(shù)據(jù)處理時進行聲線彎曲改正。

(8)多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用CARISHIPSand SIPS軟件的HIPS模塊，對各傳感器采集數(shù)據(jù)進行處理，并設定水深數(shù)據(jù)過濾參數(shù)，刪除大部分的假信號，保留高精度的水深數(shù)據(jù)，生成水底立體三維地形圖。將全覆蓋的三維數(shù)據(jù)按照指定的網(wǎng)格抽稀輸出并采用CASS 9.0繪圖軟件編制護岸工程水下地形平面圖。

為了監(jiān)測湖北省監(jiān)利縣鋪子灣護岸工程的水下地形變化，分別于2010年4月和2011年4月，采用SeaBat7125水下多波束測深系統(tǒng)進行水下三維地形監(jiān)測，選擇水文作業(yè)船作為測量船，利用監(jiān)利縣水文站的河勢斷面測點作為基準站，水面高程采用GPS正常高程測量，現(xiàn)場監(jiān)測情況見圖4。

圖4 監(jiān)利縣鋪子灣護岸工程監(jiān)測現(xiàn)場Fig.4 The monitoring site of Puziwan revetment work in Jianli county

4 監(jiān)測成果分析

本文采用監(jiān)測導線法、橫斷面分析法、沖刷坑面積分析法等對護岸工程的水下地形量測成果進行分析。監(jiān)測導線法可分析近岸河床變化，直接反映監(jiān)測河段沿線河床的變化情況和近岸河床沖淤變化的沿程分布關系，具有總體量化分析的特點。橫斷面分析法和沖刷坑面積變化可直接反映出局部岸段近岸河床沖淤變化的橫向分布關系［6］。上述方法各有優(yōu)缺點，將3種方法結(jié)合起來，實現(xiàn)護岸工程的監(jiān)測的總體量化分析和局部圖形分析的優(yōu)勢互補。

綜合考慮鋪子灣護岸工程的實際情況，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)選取3條監(jiān)測導線和5個監(jiān)測斷面分析(見圖5)，并對比2次多波束測量成果，分析護岸工程的水下地形變化。

4.1 監(jiān)測導線分析

圖6是護岸工程的岸腳高程分別為5，10，15m時3條導線上的高程變化分布圖。由監(jiān)測結(jié)果可以看出，磯頭以上，5m高程處的已護工程的坡腳高程不變，10m和15m岸線工程的坡腳變小。磯頭以下部分，5m護岸工程的坡腳發(fā)生了部分沖刷，使得高程變低;10m和15m處，2次已護工程地形變化不大，基本保持穩(wěn)定。

圖5 鋪子灣河段監(jiān)測導線和橫斷面布置圖Fig.5 The monitoring lines and their cross sections on Puziwan river segment

4.2 橫斷面分析

圖7是護岸工程的5個橫向監(jiān)測斷面的高程變化分布圖。從圖中5個橫斷面的高程變化過程來看，2010年至2011年，靠近堤防岸線位置發(fā)生了較大的坍塌，2011年鋪子灣護岸加固工程，在坍塌的基礎上進行拋石護岸加固，使得鋪子灣左岸的河床抬高4m左右。在磯頭保護下，上游1#斷面和2#斷面的深槽向右偏移，這樣加劇了3#斷面、4#斷面和5#斷面的右河床的變化，使得河床變深。

圖6 監(jiān)測導線高程變化過程分布圖Fig.6 Variation of the elevation of monitoring lines

圖7 1#—5#橫斷面高程變化分布圖Fig.7 Variation of the elevation of cross sections 1#—5#

4.3 沖刷坑面積分析

圖8和圖9分別是磯頭上游和下游高程－3 m沖刷坑的變化圖。從圖8和圖9可看出，經(jīng)過近1 a的沖刷，磯頭上游的沖刷坑，深槽向右岸偏移，增加了河床的沖刷面積;磯頭下游的沖刷坑，由于主流的變化，使得下游的深坑向下游發(fā)展，沖坑面積有所擴大。

4.4 護岸工程穩(wěn)定性分析

引起護岸工程崩塌的直接原因是組成河岸的土體失穩(wěn)所致，土體的穩(wěn)定性取決于土體的穩(wěn)定坡度和實際坡度之間的對比關系。當實際坡度緩于穩(wěn)定坡度的時候，河岸是穩(wěn)定的;反之，則是不穩(wěn)定的。土體的穩(wěn)定坡度主要取決于土壤的物理特性，此外還與水流、氣候、植被、人類活動等外部因素有關。當土體組成發(fā)生液化，必然改變土體的穩(wěn)定坡度，此時即使河岸實際坡度未變陡或變化很小，一旦當前穩(wěn)定坡度的變化超越了河岸實際坡度的臨界值，就會發(fā)生崩塌。一般情況下，黏土、亞黏土與細沙土夾層河岸的穩(wěn)定坡比均緩于1∶3。對鋪子灣選取的1#—5#橫斷面的護岸工程坡度比進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

圖8 磯頭上游和下游高程-3 m的沖刷坑的變化圖Fig.8 Change of the scour pit at elevation-3m in the upstream and downstream of rock spur

圖9 磯頭處2010年與2011年的三維變化圖Fig.9 Comparison of 3-D images of the rock spur in 2010and 2011

表1 鋪子灣1#—5#橫斷面的坡度比統(tǒng)計表Table 1 Slope ratios of cross section 1#—5#of Puziwan river segment

從鋪子灣的岸坡比來看，已護工程已取到穩(wěn)定河岸的作用。在岸坡比較陡的區(qū)域，監(jiān)測導線表明2010年至2011年，岸坡沖淤平衡或者淤積，護岸工程起到穩(wěn)固河岸的作用。坡比小于1∶3較緩的區(qū)域，由于護岸工程的作用及相應區(qū)域的土質(zhì)抗沖性差，岸坡小部分沖刷，但不影響河岸的穩(wěn)定。

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合水下多波束測深技術全覆蓋、高精度、高效率等特點，開展了基于水下多波束的長江堤防護岸工程監(jiān)測技術研究，并將其應用于監(jiān)利縣鋪子灣長江堤防護岸工程中。連續(xù)2 a相同時段進行了2次全覆蓋掃測，根據(jù)2次掃測結(jié)果，采用3種不同的分析方法對堤防護岸的變化過程進行分析，取得如下成果與結(jié)論。

(1)水下多波束測深系統(tǒng)在30m水深情況下的平面和深度測量精度可以滿足護岸工程監(jiān)測的要求。

(2)分別采用監(jiān)測導線分析法、橫斷面分析法、沖刷坑面積分析法對護岸工程的監(jiān)測成果進行分析，結(jié)果表明護岸工程實施后深槽向右岸偏移，減弱了堤防沖刷強度。

(3)統(tǒng)計護岸工程的典型橫斷面的最大坡比、平均坡比，并與監(jiān)測導線分析的成果進行比較，岸坡沖淤平衡，護岸工程穩(wěn)定。

(4)基于水下多波束的長江堤防護岸工程監(jiān)測技術，豐富和完善了現(xiàn)有堤防護岸工程變化過程的監(jiān)測方法，具有一定的市場應用前景。

［1］長江水利委員會.長江中下游護岸工程40年［C］∥長江中下游護岸工程論文集(4).武漢:水利部長江水利委員會，1990:15.(Changjiang Water Resources Commission.Forty Years of Bank Protection in the Middle and Lower Yangtze River［C］∥Proceedings of Bank Protection in the Middle and Lower Yangtze River(volume 4).Wuhan:Changjiang Water Resources Commission，1990:15.(in Chinese))

［2］趙建虎.多波束深度及圖像數(shù)據(jù)處理方法研究［D］.武漢:武漢大學，2002.(ZHAO Jian-hu.Data and Image Processing of Depth of Multi-beam Echo Sounder［D］.Wuhan:Wuhan University，2002.(in Chinese))

［3］RESON Inc.SeaBat 7125 Operator’s Manual［K］.Goleta，California，US:RESON Inc.，2007.

［4］劉勝旋，關永賢.多波束系統(tǒng)的參數(shù)誤差判斷及校正［J］.海洋測繪，2002，22(1):33－37.(LIU Sheng-xuan，GUAN Yong-xian.Correction of Parameter Error on Multi-beam Echo Sounding System［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2002，22(1):33－37.(in Chinese))

［5］余文疇，盧金友.長江河道崩岸與護岸［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.(YU Wen-chou，LU Jin-you.Bank Collapse and Protection of Yangtze River［M］.Beijing:China Water Power Press，2008.(in Chinese))

［6］岳紅艷.長江河道崩岸機理的初步探討［D］.武漢:長江科學院，2001.(YUE Hong-yan.Preliminary Study on Mechanism of Bank Collapse of Yangtze River［D］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2001.(in Chinese))