多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下拋石驗(yàn)收中的應(yīng)用

李維奇，王小龍，盧禹成

（1.中交（天津）生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究有限公司，天津 300461；2.北京京昌工程測(cè)繪技術(shù)有限公司，北京 102299）

引 言

在航道整治工程中，水下拋石技術(shù)因其施工工藝簡(jiǎn)單、施工便捷、成本經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于筑壩、護(hù)底、鎮(zhèn)腳、壓載等工程中。水下拋石的合格與否關(guān)系到整個(gè)整治工程的質(zhì)量，因此對(duì)其進(jìn)行合理有效的驗(yàn)收則顯得尤為重要。

水下拋石驗(yàn)收根據(jù)《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[1]有如下規(guī)定：護(hù)岸工程“在一般工況區(qū)，測(cè)點(diǎn)增厚值≥75 %設(shè)計(jì)增厚值，合格點(diǎn)數(shù)≥70 %；斷面平均增厚值＞70 %設(shè)計(jì)增厚值，合格斷面數(shù)≥70 %”即為合格。在此基礎(chǔ)上，常規(guī)的檢測(cè)方法就是對(duì)合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，達(dá)到規(guī)范要求即判定為驗(yàn)收合格。傳統(tǒng)方法常采用單波束測(cè)量制作斷面線對(duì)斷面的點(diǎn)、線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該檢測(cè)方法方便快捷，可以直接生成驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求的斷面圖形。但施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)以離散的點(diǎn)、線方式檢驗(yàn)拋石，由于每次測(cè)量的測(cè)線不可能與斷面線完全重合，施工區(qū)域存在欠拋時(shí)就會(huì)導(dǎo)致每次的結(jié)果都不唯一，無(wú)法精確計(jì)算欠拋量和確定欠拋區(qū)域。

這種離散的點(diǎn)、線檢測(cè)方式，由于抽檢斷面選擇的影響，容易造成不合格產(chǎn)品通過(guò)驗(yàn)收，導(dǎo)致工程質(zhì)量事故，給國(guó)家和社會(huì)帶來(lái)惡劣影響。本文以長(zhǎng)江口岸直水道整治工程水下拋石驗(yàn)收工作為例，提出利用多波束格網(wǎng)對(duì)水下拋石進(jìn)行驗(yàn)收，致力于解決傳統(tǒng)方法驗(yàn)收結(jié)果的不唯一性和隨機(jī)性，省時(shí)省力，提高效率。該項(xiàng)目護(hù)岸拋石分為8個(gè)標(biāo)段，共計(jì)18 005 m，總量約85萬(wàn)m3，丁壩拋石分為7個(gè)丁壩1個(gè)潛堤，共計(jì)5 995 m，總量約80萬(wàn)m3。作為“十二五”重點(diǎn)工程，該項(xiàng)目對(duì)于拋石質(zhì)量的要求高，驗(yàn)收嚴(yán)格，符合本文要求。

1 傳統(tǒng)驗(yàn)收工作

傳統(tǒng)驗(yàn)收工作通常采用單波束進(jìn)行測(cè)深，Hypack斷面法就是利用該方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)收工作，具體步驟如下：測(cè)量數(shù)據(jù)xyz和測(cè)量斷面生成TIN模型，然后再生成 ALL格式，最后由斷面模板生成所需斷面。其中有兩個(gè)關(guān)鍵因素（xyz數(shù)據(jù)的間距，測(cè)量斷面的選?。┯绊戲?yàn)收效果，尤其測(cè)量斷面的選擇很大程度影響了驗(yàn)收的結(jié)果。下面分別以落左上護(hù)岸拋石及落成洲頭部潛堤拋石筑壩為例說(shuō)明傳統(tǒng)驗(yàn)收工作。

1.1 落左上護(hù)岸拋石

選取拋石一個(gè)檢驗(yàn)批（K0+000-K0+200）的工前工后數(shù)據(jù)為例，通過(guò)Hypack軟件TIN模型將工前工后水深數(shù)據(jù)生成斷面圖，如圖1、圖2。

傳統(tǒng)拋石驗(yàn)收采用的是抽檢的方式來(lái)進(jìn)行，當(dāng)抽檢斷面正好處于拋石效果較好的區(qū)域（K0+100）就會(huì)驗(yàn)收通過(guò)，當(dāng)處于拋石效果較差區(qū)域（K0+140）就會(huì)驗(yàn)收不通過(guò)。因此選擇不同斷面對(duì)于驗(yàn)收結(jié)果的影響是不同的，結(jié)果有多樣性。

將上述檢驗(yàn)批的驗(yàn)收數(shù)據(jù)按 10 m/條斷面線生成斷面圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 K0+100斷面示意

圖2 K0+140斷面示意

表1 斷面驗(yàn)收統(tǒng)計(jì)

20條斷面線，5條不合格，15條合格，合格率75 %，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是如果抽檢驗(yàn)收選取的斷面不合理，選取了不合格的斷面來(lái)進(jìn)行驗(yàn)收，就會(huì)引起糾紛。反之，如果一個(gè)檢驗(yàn)批不合格選擇合格的斷面來(lái)驗(yàn)收就會(huì)造成驗(yàn)收合格的假象，成為豆腐渣工程，給國(guó)家和社會(huì)帶來(lái)很惡劣的影響。

1.2 落成洲頭部潛堤拋石筑壩

選取落成洲頭部潛堤 K0+1450-K0+1700拋石數(shù)據(jù)做分析，經(jīng)過(guò) Hypack處理，生成斷面如圖 3所示。

生成的斷面線與設(shè)計(jì)斷面標(biāo)高進(jìn)行比對(duì)，分析每個(gè)斷面的完成情況，不合格的斷面進(jìn)行補(bǔ)拋或者修整。拋石筑壩采用10 m/條斷面線逐條進(jìn)行檢查，將不合格區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，匯入 CAD圖中，劃分施工格網(wǎng)交付施工船舶使用。該方法雖然可以確定不合格區(qū)間，但是比較繁瑣，需要進(jìn)行大量計(jì)算方可生成最終的施工格網(wǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

由此可見(jiàn)面對(duì)如此巨大的拋石作業(yè)生產(chǎn)線，常規(guī)的測(cè)量及驗(yàn)收方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程要求，因此本文提出利用多波束測(cè)深系統(tǒng)的先進(jìn)性來(lái)實(shí)現(xiàn)拋石驗(yàn)收工作。

圖3 拋石筑壩斷面

2 多波束測(cè)量原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是，將換能器基陣安裝于專(zhuān)業(yè)測(cè)量船底，測(cè)量船沿測(cè)量海域航行時(shí)，換能器基陣向水體底部發(fā)射一個(gè)扇形的聲波束，同時(shí)接收反向散射信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)，獲得聲波束所覆蓋所有采樣點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)[2]。接收陣接收底部回波信號(hào)后，經(jīng)延時(shí)或相移后相加求和，形成幾十個(gè)或者數(shù)百個(gè)相鄰的波束，扇形的聲波束可以同時(shí)獲得與船的航跡相垂直的扇形面內(nèi)的多個(gè)水深數(shù)據(jù)，并隨著船的航行不斷疊加，一次測(cè)量即可得到航行測(cè)線一定范圍內(nèi)的多個(gè)水深數(shù)據(jù)。

一個(gè)完整的多波束測(cè)深系統(tǒng)，除多波束傳感器外還包括一個(gè)傳感器安裝平臺(tái)、艏向傳感器、姿態(tài)傳感器、聲速傳感器、定位系統(tǒng)和工作站平臺(tái)。GPS定位系統(tǒng)可以對(duì)測(cè)量船實(shí)時(shí)定位，以便得到每一個(gè)測(cè)深點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)；聲速傳感器可對(duì)水體各個(gè)深度的聲速傳播速度進(jìn)行測(cè)量，消除聲速傳播誤差；姿態(tài)傳感器可消除船在航行時(shí)縱橫搖擺的影響；艏向傳感器可實(shí)時(shí)修正航行線路方向。

與單波束相比，多波束具有無(wú)可比擬的先進(jìn)性[3]。主要體現(xiàn)在：

1）全覆蓋式測(cè)量，測(cè)量成果更真實(shí)可靠。避免了單波束需要插值從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)有一定誤差的缺點(diǎn)。

2）受外界不利因素影響小，多波束測(cè)深系統(tǒng)同步記錄船體姿態(tài)信息，起伏、縱搖、橫搖、船向等，由專(zhuān)用后處理軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。

3）多波束測(cè)深系統(tǒng)能對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行多種成圖處理，可生成等值線圖、三維立體圖、彩色圖像、剖面圖等，同時(shí)還能對(duì)同一測(cè)區(qū)不同測(cè)次進(jìn)行比較以及土方計(jì)算等。

4）多波束測(cè)深系統(tǒng)可對(duì)同一測(cè)區(qū)生成不同比例尺的水下地形圖，以滿足不同的需要。

3 多波束驗(yàn)收方法

根據(jù)上述多波束具有的全覆蓋式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，本文提出利用多波束進(jìn)行水下驗(yàn)收的一個(gè)新思路，即充分利用多波束格網(wǎng)數(shù)據(jù)比對(duì)功能和三維展示功能，增加可讀性，避免因統(tǒng)計(jì)問(wèn)題出現(xiàn)偏差，使驗(yàn)收成果直觀化、可視化。針對(duì)上述兩個(gè)案例，分別用多波束進(jìn)行驗(yàn)收。

3.1 落左上護(hù)岸拋石

以落左上拋石一個(gè)檢驗(yàn)批200 m的工前工后數(shù)據(jù)為例，采用多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，然后利用QINSy軟件實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)方式的分析統(tǒng)計(jì)方法，具體步驟如下：

第一步：在QINSy中新建格網(wǎng)，建立三個(gè)圖層：GQ、GH、ZENGHOU，分別表施工前、施工后和增厚值。

第二步：將施工前和施工后XYZ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為PTS格式，分別導(dǎo)入到格網(wǎng)對(duì)應(yīng)的圖層GQ、GH中。

第三步：通過(guò)格網(wǎng)圖層之間的差值計(jì)算，將工前工后數(shù)據(jù)的差值即增厚值在 ZENGHOU圖層中生成。

第四步：根據(jù)設(shè)計(jì)要求的增厚值，調(diào)整水深值調(diào)整格網(wǎng)色帶顯示，根據(jù)顏色不同，分別展示欠拋區(qū)、超拋區(qū)、流失區(qū)。

第五步：通過(guò)格網(wǎng)分析統(tǒng)計(jì)一個(gè)檢驗(yàn)批拋石合格率是否達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)檢驗(yàn)下一個(gè)檢驗(yàn)批；若沒(méi)有達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，則將增厚值小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的欠拋區(qū)水深數(shù)據(jù)導(dǎo)出，生成分析資料，指導(dǎo)施工。

由于格網(wǎng)的特殊性，計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，即刻完成差值比對(duì)，唯一需要干預(yù)就是驗(yàn)收參數(shù)的輸入要正確。最終結(jié)果如圖4所示，黑色達(dá)標(biāo)，白色不達(dá)標(biāo)。通過(guò) QINSy格網(wǎng)可以很方便快捷判斷出該檢驗(yàn)批達(dá)到了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收合格，結(jié)果是唯一的，不會(huì)因斷面的選擇不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。

圖4 格網(wǎng)顯示拋石區(qū)域的增厚值

3.2 落成洲頭部潛堤拋石筑壩

落成洲頭部潛堤拋石多波束驗(yàn)收與護(hù)岸拋石驗(yàn)收前三步與落左上一致。

第四步：根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，調(diào)整QINSy格網(wǎng)的色彩顯示條帶，將-0.2～0.3 m質(zhì)量控制輸入，生成顯示當(dāng)前施工達(dá)標(biāo)情況的格網(wǎng)。

通過(guò)水深控制輸出未完成施工區(qū)域范圍圖，提交施工船舶，指導(dǎo)施工。如圖5所示，黑色超拋，白色欠拋。

圖5 格網(wǎng)顯示拋石筑壩情況

由于多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)水下全覆蓋式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，使得水下拋石驗(yàn)收結(jié)果可以用三維圖形展示目前形成的丁壩狀態(tài)，將水下隱蔽性工程實(shí)現(xiàn)可視化，如圖6所示。

圖6 頭部潛堤三維

4 結(jié)果分析

對(duì)比上述兩個(gè)案例，可以看出，采用多波束對(duì)水下拋石進(jìn)行驗(yàn)收，步驟簡(jiǎn)單明了，數(shù)據(jù)更全面，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)更加果斷，能夠解決傳統(tǒng)單波束驗(yàn)收所帶來(lái)的驗(yàn)收不準(zhǔn)確、過(guò)程繁瑣等缺點(diǎn)，并可以展示水下拋石的三維圖像，實(shí)現(xiàn)成果的可視化，可以在視覺(jué)上更加直觀的判斷驗(yàn)收成果。更加保證了驗(yàn)收結(jié)果的準(zhǔn)確性、唯一性。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）護(hù)岸拋石驗(yàn)收不同斷面的選擇會(huì)造成驗(yàn)收結(jié)果的不確定性，使用多波束格網(wǎng)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)收的結(jié)果是唯一的，避免產(chǎn)生糾紛。

2）護(hù)岸拋石和拋石筑壩的施工一般通過(guò)斷面來(lái)指導(dǎo)，這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，多波束格網(wǎng)方便快捷的計(jì)算出施工缺陷區(qū)域，指導(dǎo)拋石船進(jìn)行施工。避免由于計(jì)算延誤導(dǎo)致的重復(fù)性作業(yè)，有效降低施工成本。

3）護(hù)岸拋石的驗(yàn)收結(jié)果有很大隨機(jī)或者人為控制因素，造成國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)流失，格網(wǎng)驗(yàn)收就很好解決這一難題，其結(jié)論更加公正客觀，為以后制定相應(yīng)規(guī)范提供依據(jù)。

4）拋石筑壩工程等水下隱蔽工程的驗(yàn)收一直采用看不見(jiàn)摸不著的模式，多波束水深數(shù)據(jù)形成的三維圖像使水下工程展示在世人面前，可視化的驗(yàn)收方式更加讓人信服。

本文從實(shí)際出發(fā)，利用多波束測(cè)深的諸多優(yōu)勢(shì)，為水下拋石重大工程的驗(yàn)收提出一種新的思路。有一定的實(shí)際意義。