多波束測深技術(shù)在沉排工程水下鋪設(shè)質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

趙　鋼，王茂枚，徐　毅，石銀濤，蔡　軍

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多波束測深技術(shù)在沉排工程水下鋪設(shè)質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

趙鋼，王茂枚，徐毅，石銀濤，蔡軍

（江蘇省水利科學研究院，南京210017）

近年來，因鉸鏈沉排技術(shù)具有較好的護岸效果，得到了廣泛的應(yīng)用，水下沉排鋪設(shè)作為主要工序，其鋪設(shè)質(zhì)量直接影響到該工程的防護效果，因此對水下沉排鋪設(shè)質(zhì)量控制和檢測顯得尤為重要。在定量反映沉排水下鋪設(shè)檢測指標等方面，利用各種先進的檢測技術(shù)，做了許多嘗試和研究，此次將多波束條帶測深技術(shù)成功應(yīng)用到沉排水下鋪設(shè)質(zhì)量檢測中，準確地獲取了數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)符合江蘇省地方標準《水利工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)范》中規(guī)定的各項水下檢查指標，為工程的質(zhì)量評定和驗收提供了技術(shù)支撐。應(yīng)用成果對類似工程的質(zhì)量檢測與評定具有一定借鑒意義。

多波束；混凝土鉸鏈沉排；水下沉排鋪設(shè)；檢測指標；質(zhì)量評定

doi：10．11988/ckyyb．20151130

1　研究背景

以往崩岸整治護岸普遍采用平順拋石的護岸形式。近年來，國內(nèi)在江河護岸工程實踐過程中，創(chuàng)新優(yōu)化出了鉸鏈沉排和四面六邊透水框架體等多種新型護岸結(jié)構(gòu)型式，其中沉排護岸結(jié)構(gòu)型式因其具有適應(yīng)復雜河床地形能力強、護岸整體效果好、抗淘刷能力強等優(yōu)點，使該護岸型式得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。

沉排護岸型式施工的重點環(huán)節(jié)在沉排的水下鋪設(shè)，水下鋪設(shè)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個工程的護岸效果。自1985年開始，建設(shè)單位在總結(jié)混凝土鉸鏈沉排施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，陸續(xù)提出了一些較為全面的沉排檢驗項目和檢驗標準，直到2013年，江蘇省出臺了地方標準《水利工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)范》，對水下鋪排的長度、寬度以及搭接長度等指標做了詳細要求。

由于排體厚度通常在10 cm左右，較薄，在施工完成后，施工區(qū)域水下地形變化細微，應(yīng)用傳統(tǒng)的檢測技術(shù)很難精確反映出水下鋪排的情況，有時甚至無法反映出水下有無鋪排。因此采用一種合適的檢測技術(shù)，能有效地反映出水下鋪排的詳細情況，對施工質(zhì)量的評定和驗收顯得十分重要。為此，本文提出應(yīng)用多波束條帶測深技術(shù)對沉排護岸工程水下鋪設(shè)質(zhì)量進行檢測，并在多個工程中進行了應(yīng)用實踐，取得了良好的效果。

2　沉排技術(shù)及驗收標準

2．1沉排技術(shù)

沉排技術(shù)大體可分為散拋石壓載軟體排、系結(jié)壓載軟體沉排和預(yù)制混凝土塊鉸鏈沉排等。預(yù)制混凝土鉸鏈沉排施工工藝由拼排、拉排、排首倒拉上岸就位、沉排、止排、排尾下沉等幾部分組成［1］。預(yù)制混凝土板尺寸通常為50 cm×80 cm×8 cm。預(yù)制混凝土鉸鏈沉排結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1　預(yù)制混凝土鉸鏈沉排結(jié)構(gòu)布置Fig．1　Arrangement of precast concrete slab connected with hinges

下面以預(yù)制混凝土塊鉸鏈沉排為例介紹沉排技術(shù)。

（1）拼排。在鋪好的特制滑道上，根據(jù)拼、運排船寬度，進行拼裝排體。

（2）拉排。拉排、連排須均勻、緩慢、協(xié)調(diào)進行。當上一層單元排體的尾端落至沉排工作平臺上時，將上層單元排體尾端與下層單元排體首端連接好，繼續(xù)拉排。

（3）排首倒拉上岸、就位。當排首拉到沉排工作平臺前沿，靠近圓弧滑板處時，將排首梁改與岸上地錨精車組相連，倒拉排首；當排首拉至系排梁位置或陸鋪排尾部時，用u形連接件連接排首和系排梁。

（4）沉排、止排。排首上岸就位鎖定后，即可進行沉排施工。

（5）排尾下沉。當最后一個單元排體拉至沉排工作平臺后，按沉排步序繼續(xù)沉排，直至排尾沉至江底落床，在平臺上抽掉特制卸扣插銷，取起排尾梁，完成一塊排體的沉放工作。

2．2驗收標準

沉排施工一般分為沉排制作、沉排鋪設(shè)2個工序，其中水下沉排鋪設(shè)為主要工序，因此沉排護岸工程要起到預(yù)想的防護效果，對水下沉排鋪設(shè)質(zhì)量控制顯得尤為重要。2013年江蘇省出臺的《水利工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)范》的地方標準對水下鋪排的長度、寬度以及搭接長度等指標做了詳細要求，以預(yù)制混凝土塊鉸鏈沉排為例如表1所示。

表1　預(yù)制混凝土塊鉸鏈沉排鋪設(shè)工序質(zhì)量檢驗項目與標準Table 1　Items and standards of procedure quality inspection for precast concrete slab connected with hinges

3　多波束條帶測深技術(shù)及其可行性分析

多波束條帶測深技術(shù)是一種具有高效率、高精度和高分辨率的水底地形測量新技術(shù)，與傳統(tǒng)的單波束測深技術(shù)相比較，該技術(shù)具有測量范圍大、速度快、精度高等諸多優(yōu)點，它把測深技術(shù)從原先的點線狀擴展到面狀，并進一步發(fā)展到立體測圖，從而使海底地形測量技術(shù)發(fā)展到一個較高的水平。

多波束測深系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)，分為聲學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍設(shè)備，多波束測深原理如圖2所示。目前，比較成熟具有代表性的淺水多波束測深系統(tǒng)產(chǎn)品主要有美國SeaBeam1185、德國Atlas FANSWEEP 20、丹麥Reson Seabat 7101和美國R2SONIC2024等，其主要技術(shù)指標如表2所示。

圖2　多波束測深原理Fig．2　Principle of multi-beam echo sounder

表2　不同類型淺水多波束測深系統(tǒng)主要技術(shù)指標Table 2　Main technical indexes of shallow water multi-beam echo sounder of different types

目前主要的水下檢測技術(shù)有單波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲納技術(shù)、雙頻識別聲納技術(shù)、多波束條帶測深技術(shù)、水下攝像技術(shù)以及潛水員水下探摸技術(shù)等，多年來，我們利用這些檢測技術(shù)，在如何能準確的反映出檢測項目的量化指標方面，做了許多嘗試和研究，多波束條帶測深技術(shù)在這方面具有較大的優(yōu)勢和特點，但也受到諸多方面因素的限制。下面從該技術(shù)的分辨率和有效反映其水下整體姿態(tài)方面的可行性進行分析。

（1）單波束測深技術(shù)的波束寬一般為8°～30°左右，地形分辨率差，在復雜地形海區(qū)工作會產(chǎn)生較大的測量誤差［2］。多波束測深技術(shù)與單波束測深技術(shù)相比采用波束角度更窄的窄波束技術(shù)，波束腳印小，這樣多波束測深技術(shù)能夠探測到海底更細致的地形特征［3］。波束腳印是衡量波束分辨率的重要指標，利用多波束的窄波技術(shù)可以分辨出單塊混凝土板，因此這就為有效、客觀地反映水下鋪排各項檢測指標，提供了一種實現(xiàn)的技術(shù)手段。

（2）另外從反映水下沉排整體效果方面分析，不同于單波束測深系統(tǒng)，多波束條帶測深系統(tǒng)可在測量斷面內(nèi)形成十幾個至上百個測深點，幾百個甚至上千個回向散射強度數(shù)據(jù)，從而保證了較寬的掃幅和較高的測點密度［4］。大量采集的水下信息數(shù)據(jù)形成點云數(shù)據(jù)，為構(gòu)建沉排水下三維姿態(tài)，反映沉排整體效果，提供了數(shù)據(jù)保證。

4　應(yīng)用效果及分析

4．1應(yīng)用效果

梅子洲護岸工程夾江側(cè)護岸項目全長6．7 km，分為鉸鏈沉排與拋石護岸2個部分。鉸鏈沉排是以鋼筋縱橫連接預(yù)制混凝土塊（0．8 m×0．5 m×0．08 m）形成整體，再固定于上部封頂?shù)南蹬帕荷?，沉排護寬分為30，39，40，44，52 m不等。洲頭段采用拋石護岸，該部位拋石近岸拋石厚為1 m、遠岸厚度為1．5 m。沉排工程完工后在每段沉排兩端設(shè)0．6 m厚拋石裹頭，拋石范圍20 m，其中位于沉排范圍內(nèi)為5 m，沉排范圍外為15 m，工程區(qū)域平均水深13 m。

此次在該護岸工程中，成功地應(yīng)用多波束條帶測深技術(shù)對沉排護岸工程水下鋪設(shè)質(zhì)量進行檢驗，詳細獲取了水下鋪排的長度、寬度以及搭接長度等指標數(shù)據(jù)，為該工程的質(zhì)量評定和驗收提供了技術(shù)支撐，沉排水下檢測效果如圖3所示。

圖3　沉排水下檢測Fig．3　Underwater inspection of mattress

4．2應(yīng)用分析

多波束測深系統(tǒng)的波束角大小、覆蓋寬度、波束數(shù)目（每ping）以及幀率等技術(shù)指標的優(yōu)劣，對能否成功反映出水下沉排的細節(jié)等情況至關(guān)重要［5-6］。下面結(jié)合工程實例，針對不同的工程外部水深條件和特點進行分析。

4．2．1水深條件

水深條件是該技術(shù)應(yīng)用成功的關(guān)鍵因素。在多波束系統(tǒng)波束角一定的情況下，水深越深則波束腳印越大，分辨率越低，這會直接影響應(yīng)用的效果。

預(yù)制混凝土板（50 cm×80 cm×8 cm），要想比較清晰地分辨出水底預(yù)制混凝土板，那就需要保證每塊混凝土板至少有4～5個有效測點。通過工程實例以及對不同水深條件下波束腳印大小的分析，對于波束角為0．5°×1．0°的多波束測深系統(tǒng)，在水深15 m以內(nèi)效果較好，能夠較清晰地反映出水下沉排的細節(jié)，如排體長度、寬度和搭接情況；在水深達到20 m，反映的細節(jié)就會出現(xiàn)一些模糊，特別是搭接情況比較模糊（如圖4）；在水深達到25 m以上，就比較難反映出水底沉排的情況。對于波束角為1．5°×1．5°的多波束測深系統(tǒng)，在水深5 m以內(nèi)效果較好，反映得比較清晰；在水深達到10 m，反映的效果會出現(xiàn)一些模糊；在水深達到15 m以上，就很難反映出水底沉排的情況。

圖4　不同水深條件下掃測效果對比（波束角為0．5°×1．0°）Fig．4　Comparison of scanning effect under different water depths with beam angle of 0．5°×1．0°

4．2．2波束腳印

在有條件的情況下，盡量選擇波束角小的多波束條帶測深系統(tǒng)進行掃測，這樣通過硬件可直接獲取到高質(zhì)量、高分辨率的數(shù)據(jù)，可大大節(jié)省內(nèi)業(yè)處理的時間并提高工作效率，不同水深條件下波束腳印大小如表3所示。沉排水下鋪設(shè)施工質(zhì)量檢測時，建議盡量采用波束角為0．5°×1°多波束測深系統(tǒng)，效果會比較好。

表3　不同水深條件下波束腳印大?。〒Q能器中間波束）Table 3　Beam footprint size under different waterdepths（intermediate beam of transducer）

4．2．3覆蓋寬度

在掃測過程中，覆蓋寬度不宜選的太大。選得過大雖可提高工作效率，但會大大降低水下地形的分辨率，影響對水下微地形細節(jié)的分辨。對于 Sea-Beam1185和Reson Seabat 7101多波束測深系統(tǒng)，覆蓋寬度分別為153°和150°，不能調(diào)節(jié)。而SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)覆蓋寬度分別為10°～160°可調(diào)節(jié)，每ping會發(fā)射256個等角分布的物理波束，以水深15 m平坦海底為例，覆蓋寬度90°，則每ping會覆蓋平坦海底30 m寬，約12 cm可分布一個波束（不考慮入射角和非中心波束波束腳印會不相等的影響），也與該條件下最小波束腳印13 cm相符，可有效分辨出水底預(yù)制混凝土板（50 cm×80 cm×8 cm），在對像沉排這種水下微地形的監(jiān)測，通常選擇覆蓋寬度在90°以內(nèi)，既保證了一定的覆蓋寬度和工作效率，同時也確保了很好的分辨率。

4．2．4船速與航向

在工作中，船速不宜太快，船速過快會在沿航向方向留下空白間隔，大大降低航線方向的地形分辨率，如圖5所示。幀率達到40 Hz以上的多波束測深系統(tǒng)，通過工程實例應(yīng)用分析，船速控制在5節(jié)以內(nèi)，既能保證在航線方向每6 cm布置1ping數(shù)據(jù)，航線方向細節(jié)反映得比較清楚，又能確保一定的施測速度和效率。

圖5　船速過快條件下掃測效果Fig．5　Scanning results under excessively high ship velocity

4．2．5測線布置

由于單塊排體通常都是從岸坡拉至江中，然后順著岸線進行搭接，護岸的寬度一般在幾十米左右，而長度一般都在幾公里以上，因此測線應(yīng)順排體的搭接方向布置，這可以減少測線之間和條帶數(shù)據(jù)之間的拼接，減少分辨率的損失。

4．2．6沉排護岸的實施

一般沉排護岸工程都是在岸坡區(qū)域?qū)嵤诒ＷC多波束水下?lián)Q能器安全的情況下，盡量在沉排護岸工程的上方掃測，在水深等外部條件相同的情況下，多波束中央波束的波束腳印最小，越往兩端的波束腳印越大，這有利于提高水下沉排細節(jié)檢測的分辨率。

4．2．7多波束掃測

工程完成后，應(yīng)盡快實施多波束掃測，以免沉排在水中被泥沙覆蓋影響監(jiān)測效果，如圖6所示。

圖6　泥沙覆蓋后掃測效果Fig．6　Scanning effect after sediment coverage

5　結(jié)論和建議

（1）近年來，因鉸鏈沉排技術(shù)具有較好的護岸效果，得到了廣泛的應(yīng)用，水下沉排鋪設(shè)作為主要工序，其鋪設(shè)質(zhì)量直接影響到該工程的防護效果，因此對水下沉排鋪設(shè)質(zhì)量控制和檢測顯得尤為重要。

（2）查閱相關(guān)文獻資料，針對沉排水下鋪設(shè)質(zhì)量檢測方面資料較少，已有的文獻資料，也主要是對各種檢測技術(shù)的可行性進行研究和探討。2013年江蘇省地方標準《水利工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)范》出臺以后，此次成功將該技術(shù)應(yīng)用到沉排水下鋪設(shè)質(zhì)量檢測，準確的獲取《水利工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)范》各項水下檢查指標數(shù)據(jù)，為以后類似工程的質(zhì)量評定和驗收提供了技術(shù)支撐，具有一定借鑒意義。

（3）在檢測過程中，針對不同的工程外部水深條件和特點，應(yīng)選擇適宜的多波束條帶測深系統(tǒng)、條帶覆蓋寬度、施測船速等，并合理布置測線，這樣有利于提高對沉排水下細節(jié)的分辨，更清晰、更準確獲取各項檢測指標數(shù)據(jù)。

（4）該技術(shù)的應(yīng)用也受到一定外部水深條件的限制，當水深較深，隨著波束腳印加大，分辨率也會大大降低，利用該技術(shù)則很難獲取各項檢測指標和有效反映出水下沉排的存在。

（5）建議工程完成后，應(yīng)盡快實施水下鋪排檢測，以免沉排在水中被泥沙覆蓋，而影響檢測效果。參考文獻：

［1］李濤章，葉松，廖小元，等．鉸鏈混凝土板沉排新技

術(shù)與施工實踐［J］．人民長江，2002，33（8）：26-29．

［2］趙會濱，徐新盛，吳英姿，等．多波束條帶測深技術(shù)發(fā)展動態(tài)展望［J］．哈爾濱工程大學學報，2011，22（2）：41 -45．

［3］夏偉，劉雁春，葛健，等．多波束測深系統(tǒng)波束角效應(yīng)研究［C］∥第十九屆海洋測繪綜合性學術(shù)研討會會議專輯．九江：中國測繪學會海洋測繪專業(yè)委員會，2007，65-69．

［4］劉經(jīng)南，趙建虎．多波束測深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］．海洋測繪，2002，22（5）：3-6．

［5］李成剛，王偉偉，閻軍，等．傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)與具有相干特點的多波束系統(tǒng)的研究［J］．海洋測繪，2007，27（2）：77-80．

［6］陳輝，吳杰，趙鋼，等．多波束測深系統(tǒng)在長江沉排護岸工程運行狀況監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．長江科學院院報，2009，26（7）：14-16．

（編輯：姜小蘭）

Application of Multi-beam Echo Sounder to Underwater Quality Inspection of Laying Revetment Mattress

ZHAO Gang，WANG Mao-mei，XU Yi，SHI Yin-tao，CAI Jun
（Jiangsu Hydraulic Research Institute，Nanjing210017，China）

In recent years，hinge mattress technique is widely used because of good revetment effect．The quality of laying mattress has direct influence on the protection effect，so underground laying quality and inspection are important．As for inspection index of laying process of underground mattress，we study it by using several advanced inspection techniques．Then we apply multi-beam echo sounder to the quality inspection of underwater laying process of underground mattress，and obtain accurate data in accordance with underwater inspection indexes in Jiangsu provincial standard（Water Conservancy Project Construction Quality Inspection and Assessment Standards）．The research results offer reference for quality assessment and acceptance in similar projects．

multi-beam；precast concrete slab connected with hinges；underwater laying down of precast concrete slab；inspection index；quality assessment

TV523

A

1001-5485（2016）07-0145-05

2015-12-31；

2016-02-16

趙鋼（1975-），男，湖南株洲人，高級工程師，碩士，主要從事水利工程水下探測、檢測方面的研究，（電話）18936006590（電子信箱）18936006590@163．com。