多波束與側(cè)掃聲吶高質(zhì)量檢測海洋深水岸堤工程

顧小雙 張 旭

(上海山南勘測設計有限公司，上海 201206)

1 引 言

海洋深水施工難度較陸地施工大，水文條件復雜，砂袋在深水區(qū)拋投受材料特性、水流變化等影響，其漂距、著床具有很大不確定性,導致每層砂袋拋投后的形態(tài)不太規(guī)則，給岸堤水下結構帶來一定的安全隱患。為實現(xiàn)工程的技術要求和施工質(zhì)量控制,首先需要對充填砂袋的施工質(zhì)量進行檢測。隨著探測技術的不斷改進，水下檢測方法在海洋岸堤工程中得到廣泛應用，并取得了良好效果。目前，常用的水下檢測方法有浮漂倒垂法、潛水探摸法、ROV檢測和水下聲吶法[1-3]。浮漂的垂直狀態(tài)是影響浮漂倒垂法測量精度的最直接因素，水深越淺精度越高,水深超過20m時,誤差較大，且難以對水下軟體排實現(xiàn)全覆蓋檢測。潛水員的判定能力直接影響潛水探摸檢測效果,在水深、流急區(qū)域難以保證檢測效果，同時存在安全風險。ROV相對于潛水員作為水下檢測載體,具有靈活性強、作業(yè)時間長、多自由度、作業(yè)深度廣等優(yōu)勢，但在水流擾動大、能見度差、渾濁水體等復雜水環(huán)境中，檢測效果尚須進一步完善[4]。水下聲吶法按功能和掃描方式可分為多波速測深和側(cè)掃聲吶影像，二者均采用聲學方法，在工作原理上存在差異。其中，多波束測深可獲取高精度的海底地形，但海底影像辨識度較低；側(cè)掃聲吶影像可顯示高分辨率的海底地貌，但位置精度不佳；二者結合可獲取高精度、高分辨率的水下袋裝砂和軟體排鋪精細結構[5-9]。因此，本文利用上述兩種聲吶法對海洋深水岸堤工程中袋裝砂和軟體排鋪情況進行檢測[10-11]，獲取袋裝砂棱體的準確數(shù)字高程，定量計算相鄰排體的搭接寬度，綜合解譯評價袋裝砂和軟體排鋪設質(zhì)量，為排除施工隱患提供技術依據(jù)。

2 方法原理

2.1 多波速系統(tǒng)工作原理

多波束系統(tǒng)是通過發(fā)射換能器陣列向海底同時發(fā)射多條聲波，再利用垂直于發(fā)射換能器的接收換能器陣列同步接收反射聲波，然后通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向正交的兩組聲學換能器陣,獲得垂直航向由大量波束組成的測深剖面，并在航向上構成測深剖面條帶，經(jīng)過姿態(tài)改正，包括橫搖校正、縱搖校正、艏搖校正、延遲校正，以及聲速改正等，獲得到高分辨率的海底地形和水下目標的三維特征。

2.2 側(cè)掃聲吶工作原理

側(cè)掃聲吶法是通過水下拖魚兩側(cè)的換能器向水底發(fā)射聲吶信號，接收反射信號,獲得海底地貌聲吶影像的一種物探調(diào)查方法。側(cè)掃聲吶法對回波幅度的處理較好，因此海底影像分辨率較高，對質(zhì)量判定的水下目標體檢測而言效果較好；但由于受聲吶拖魚姿態(tài)、與定位天線距離偏差等精度影響,難以得到水下目標體準確的水深及尺度。

2.3 多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的融合方法

多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)經(jīng)各項改正后，對兩數(shù)據(jù)的特征點進行拾取(等深線和灰度)。通過最近鄰匹配獲得匹配點后，計算圖像間的變換矩陣，利用空間變換完成配準，采取多項式擬合的方法實現(xiàn)圖像的配準，對配準后的圖像分別采用加權和小波變換的方法進行數(shù)據(jù)融合。

3 工程概況

為合理利用杭州灣北岸灘涂和岸線資源，促進濱海旅游產(chǎn)業(yè)和海洋文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，經(jīng)國家海洋局批復實施濱海綜合會展中心等生態(tài)圍堤項目。工程位置處于杭州灣畔喇叭形出?？冢鐖D1所示。該水域潮差大，流速快，潮強流急，水文條件復雜，使得該工程成為上海灘涂生態(tài)開發(fā)以來難度最大的項目之一。在工程實施過程中，由于砂袋在深水區(qū)拋投受材料特性、水流變化等影響,其漂距、著床具有很大不確定性,導致每層砂袋拋投后的形態(tài)不太規(guī)則,給圍堤帶來一定的安全隱患。因此，軟體排的鋪設、拋石堤堤身結構、水下反濾層、水下袋裝砂棱體成型等項目質(zhì)量的控制是整個工程施工成敗的關鍵。

圖1 工程位置示意圖

3.1 工程地質(zhì)

工程區(qū)域地基土層分布較穩(wěn)定，淺部地基土主要以軟弱黏性土為主，局部分布有松散—稍密狀粉土，屬第四紀全新世(Q4)以來的濱?！涌谙?、濱?！獪\海相、濱海沼澤相沉積層，下部為較穩(wěn)定的第四紀晚更新世(Q3)硬塑狀黏土及中密—密實狀砂土層，屬河口—湖澤、河口—濱海相沉積層。

3.2 地形地貌

工程區(qū)域岸線前沿海域開闊，風浪大，流場較復雜，地形由陸域向水域逐漸降低，東、西側(cè)堤地形為西北高、東南低，灘面標高一般在-5.0～1.0m之間，順堤段地形位于杭州灣凹岸段水下斜坡上，等深線基本平行岸線，為-16.0～-8.0m，灘面標高一般在-5.0m左右，低潮位時圍區(qū)灘面部分露出水面。

本工程屬于深灘筑堤工程，地質(zhì)條件較差，大堤直接坐落在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層上，且軟土層普遍達到15m厚，對本工程大堤的穩(wěn)定極其不利，是大堤發(fā)生滑動失穩(wěn)的薄弱土層，也是上部荷載作用下產(chǎn)生壓縮沉降的主要土層。本工程淺表層軟弱黏性土與稍密狀粉砂性土強度偏低，在潮流波浪的綜合作用下，抗沖刷能力差，堤前灘地須采取一定的防沖護底措施。

3.3 沖淤分析

杭州灣北岸海床朝著沖淤平衡的穩(wěn)定態(tài)勢發(fā)展。金山深槽目前中心位置保持穩(wěn)定，深槽西、南側(cè)等深線不斷向外擴展，15m、20m等深線的包絡面積不斷擴大，表明深槽10余年來呈向南、向西擴展的整體趨勢，靠北岸一側(cè)等深線出現(xiàn)局部離岸和靠岸小幅擺動特征，但總體呈穩(wěn)定態(tài)勢，距離本工程較近的金山深槽東北角，由于小金山的節(jié)點約束作用，深槽繼續(xù)發(fā)展的可能性很小，威脅本工程所在岸段的可能性比較小。

4 工作方法和技術

為查明工程區(qū)袋裝砂和軟體排鋪情況，結合該區(qū)域地質(zhì)、水文氣象，以及沖淤演化等條件，在工程區(qū)采用了多波速測深和側(cè)掃聲吶兩種工作方法同步測量。以最西端為起點，每100m為一個單元，按距離依次編號(S2+50，S2+150，……)，綜合考慮水深數(shù)據(jù)影響，主測線垂直于順堤布設，間距為25m，檢測線垂直于主測線布設，間距為100m，測線布設如圖2所示。

圖2 測線布設示意圖

本次測量采用基準站差分信號進行平面定位，采用HYPACKMAX進行導航，采用NORBITWBMS多波束測深系統(tǒng)、Edgetech4200MP側(cè)掃聲吶系統(tǒng)。多波束水下地形數(shù)據(jù)采用QPS軟件(包含多波束數(shù)據(jù)采集軟件Qinsy和多波束數(shù)據(jù)后處理軟件Qimera)進行處理；側(cè)掃聲吶圖像采用SonarPro進行數(shù)據(jù)回放、分析和解釋。在實際探測時，受測區(qū)水深、鹽度、濁度等外在客觀條件影響，以及多波束測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的聲波頻率相互干擾，多波束測深系統(tǒng)在滿足水深測量條件下優(yōu)先選用高的工作頻率(400kHz)，保證探測精度；波束開角20°，隨測線移動適當增加，以確保足夠的重疊度；側(cè)掃聲吶系統(tǒng)則采用低/高頻同時記錄(100kHz/400kHz)，航速控制在4～5節(jié)，DGPS同時接入多波束和側(cè)掃聲吶采集軟件，拖魚的實際位置歸算采用Layback校正方法，量算拖魚電纜放出的實際長度。多波束數(shù)據(jù)在完成各項改正后，對主測線與檢測線重合點水深進行深度精度評估；不符值限差為：當水深小于20m時，測量誤差不大于0.4m。如果超限點數(shù)超出比對總數(shù)15%，則重測該段路由水深；側(cè)掃聲吶后處理軟件對影像資料進行數(shù)據(jù)回放，回放過程中注意觀察記錄面貌，調(diào)節(jié)回放參數(shù)，盡量保持兩側(cè)記錄面貌一致，資料清晰，尋找和辨別海底異常反射現(xiàn)象，掌握水下袋裝砂和軟體排鋪精細結構。

5 綜合解譯

圖3展示了S2+600～S2+800區(qū)域的多波束水下地形成果。其中，在S2+600～S2+700區(qū)域，地形平緩，標高在-6.0～-3.8m之間，西北部有一“凸”形區(qū)域，地形相對較淺，標高在-4.3～-3.8m之間，平均坡度小于1°，無明顯異常起伏，說明此段袋裝砂鋪排整齊，中間拼接連續(xù)性較好；中部區(qū)域與“凸”形區(qū)域有一明顯邊界，地形落差約0.3m，與一層袋裝砂高度吻合，說明此區(qū)域袋裝砂鋪排比西北部少鋪一層；東南部靠近順堤區(qū)域地形陡然上升，標高由-5.8m上升至-4.2m。在S2+700～S2+800區(qū)域，地形整體由東西兩側(cè)向中間變深，說明袋裝砂由東西兩側(cè)向中間逐漸鋪排。

圖3 多波束水下地形成果

圖4 S2+600～S2+800區(qū)域測線C1的側(cè)掃數(shù)據(jù)圖像

圖4展示了S2+600～S2+800區(qū)域測線C1的側(cè)掃數(shù)據(jù)影像，從圖中可清晰直觀地看出袋裝砂鋪排狀態(tài)，袋裝砂鋪有序排列，拼接比較完整，邊界明顯，且無明顯缺漏破損現(xiàn)象。在S2+700～S2+800區(qū)域有一明顯袋裝砂鋪設的分界線，與多波速數(shù)據(jù)吻合。圖5展示了該區(qū)域測線C2的側(cè)掃數(shù)據(jù)圖像，反映了水下軟體鋪排狀態(tài)，其位置與設計位置一致，軟體鋪排似流線型，平行有序排列，右側(cè)間距相同，相鄰軟體排的結合部分搭接寬度約2m，左側(cè)由密變疏，未出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。

圖5 S2+600～S2+800區(qū)域測線C2的側(cè)掃數(shù)據(jù)圖像

6 結語和展望

a.將多波束和側(cè)掃聲吶技術應用于圍墾工程施工檢測中，多波速地形成果可判識出袋裝砂鋪排整體情況，側(cè)掃數(shù)據(jù)影像可清晰直觀地識別出袋裝砂鋪排細節(jié)信息，有效增強了不同觀測數(shù)據(jù)的互補性，提高了水下隱蔽工程的檢測質(zhì)量。

b.由于水下環(huán)境復雜，以及儀器自身精度、安裝誤差等影響，為得到更高精度和分辨率的數(shù)據(jù)，應適當加密測量，同時將多波束和側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合，獲取高質(zhì)量的水下袋裝砂和軟體排鋪三維精細結構。