基于RTK-GPS技術(shù)船閘閘室段水下泥沙淤積測(cè)繪研究*

喻 江，明 攀，陸 俊，范向前，張衛(wèi)云

（1.水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210022）

船閘工程作為水運(yùn)業(yè)通航的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起著至關(guān)重要的作用，船閘工程泥沙淤積問(wèn)題則嚴(yán)重制約著水運(yùn)通航水平的發(fā)展與提升，如何施策精確獲取船閘閘室段水下泥沙淤積的分布形態(tài)、淤積量等情況成為水下工程測(cè)量的一大難題，為當(dāng)前船閘工程安全評(píng)價(jià)和除險(xiǎn)加固的一大絆腳石。

傳統(tǒng)的水下淤積測(cè)量技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面[1-2]：（1）SAR圖像內(nèi)波檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)方法；（2）經(jīng)緯儀測(cè)量記錄法；（3）聲波測(cè)距極坐標(biāo)定位法；（4）斷面與地形法；（5）基于等深線的計(jì)算方法。該方法局限性大、成本高、速度慢、精度低，為了提高測(cè)量精度，有必要將以上幾種方法一并分析，完善各自測(cè)量的不足之處。鑒于傳統(tǒng)水下淤積測(cè)量方法的各種弊端，近年來(lái)已逐漸開發(fā)出更高效率、更高精度的測(cè)量分析技術(shù)，期間，無(wú)人測(cè)量船技術(shù)被投入水下測(cè)量工作。該技術(shù)主要包括GPS定位技術(shù)、實(shí)時(shí)通信技術(shù)、智能導(dǎo)航技術(shù)、自動(dòng)避障技術(shù)等，可對(duì)行程區(qū)域的位置、水質(zhì)、水深等參數(shù)進(jìn)行快速采集，非常適合內(nèi)陸江、河、湖泊流域測(cè)繪[3-4]。

某航道船閘工程布置在樞紐左側(cè)的河道上，左側(cè)為重力式擋水壩段，右側(cè)為重力式溢流壩段。主要由上閘首、下閘首、閘室及上、下游引航道組成，上、下游全長(zhǎng)336.0m。閘室段分為8個(gè)結(jié)構(gòu)段，全長(zhǎng)97.00m，為整體塢式結(jié)構(gòu)，閘室底寬26.00m，口門寬12.00m，左右閘墻頂部寬均為3.00m，閘墻頂部高程127.00m，閘室底板頂高程為111.20m，兩側(cè)閘墻內(nèi)布置輸水廊道及其出流支管，當(dāng)前水位為115.70m。其竣工驗(yàn)收以來(lái)多年未投入正常運(yùn)營(yíng)使用，存在結(jié)構(gòu)老化、閘室段淤積等問(wèn)題，急需清淤等技改升級(jí)。因此，文章基于無(wú)人測(cè)量船RTK-GPS技術(shù)[5]對(duì)該船閘閘室段水下泥沙淤積情況進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量與統(tǒng)計(jì)研究。

1 RTK-GPS技術(shù)船閘航道泥沙淤積測(cè)量

圖1 無(wú)人船量測(cè)作業(yè)流程

圖2 無(wú)人船回聲測(cè)深儀基本原理

（1）基本原理。無(wú)人船作業(yè)流程如圖1，RTK-GPS技術(shù)測(cè)深儀的回聲測(cè)距原理如圖2所示。由換能器向水中垂直發(fā)射短脈沖聲波，聲波遇到水底發(fā)生反射、透射、散射和折射，反射的回波被換能器接收，通過(guò)換能器發(fā)散和反射回波的時(shí)間間隔與波在水中的傳播速度推算水面的高程，進(jìn)一步根據(jù)定位技術(shù)形成三維坐標(biāo)。其中，Z為換能器到水底的距離，聲速在水中的傳播速度為v，傳播時(shí)間為t，則水深Z=vt/2，最后的測(cè)量結(jié)果就等于水深Z加上吃水（吃水是水面到換能器底面的距離），結(jié)合坐標(biāo)系統(tǒng)可得整個(gè)測(cè)量區(qū)域的水深地形圖，換算可得水下泥沙淤積形態(tài)分布。

（2）測(cè)線布置。測(cè)線順著船閘閘室段均勻布置，每隔1.0m間距布置一條測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)97m，共11條測(cè)線，工作頻率采用高頻200kHz進(jìn)行，測(cè)深范圍：0.3～600m，測(cè)深精度：±10mm+0.1% H，分辨率：1cm；吃水范圍：0.1m，具體布置如圖3所示。

（3）測(cè)量結(jié)果與分析。根據(jù)測(cè)線布置方案，設(shè)置測(cè)量軟件的投影和坐標(biāo)參數(shù)，無(wú)人船入水，通過(guò)遙控操作無(wú)人船，每條測(cè)線每隔2m進(jìn)行一次水深和坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。Y=0m、Y=6m、Y=12m測(cè)線泥沙淤積情況如圖4～圖6所示，根據(jù)13條測(cè)線匯總分析可得船閘閘室段泥沙淤積等高線測(cè)繪分布情況如圖7所示。

由圖4～圖7進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到無(wú)人船測(cè)量的該船閘閘室段泥沙淤積測(cè)量結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖3 船閘閘室段無(wú)人船測(cè)量測(cè)線布置圖

圖4 Y=0m測(cè)線泥沙淤積代表圖

圖5 Y=6m測(cè)線泥沙淤積代表圖

圖6 Y=12m測(cè)線泥沙淤積代表圖

圖7 船閘閘室段泥沙淤積等高線分布圖

表1 泥沙淤積測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總表

由表1可知，通過(guò)RTK-GPS技術(shù)測(cè)量手段測(cè)量與統(tǒng)計(jì)分析得到該船閘閘室段泥沙淤積總量為1946.91m3。

2 結(jié)論

文章采用無(wú)人測(cè)量船RTK-GPS技術(shù)對(duì)閩江航道某船閘閘室段進(jìn)行了水下泥沙淤積測(cè)量，結(jié)果表明該技術(shù)定位精度高，工作效率顯著，最終為該船閘工程技改升級(jí)及安全評(píng)價(jià)提供了科技支撐[6]。