多波束測(cè)深技術(shù)在水下拋石驗(yàn)收評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

黎建洲 王 超 袁澤雄 楊尚一 胡 蕾

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所, 湖北 武漢 430010; 2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430010; 3.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430010; 4.湖北省漢江興隆水利樞紐管理局, 湖北 武漢 430061; 5.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 湖北 武漢 430064)

0 引言

目前,水下除險(xiǎn)加固、防汛搶險(xiǎn)和堤岸整治項(xiàng)目廣泛采用水下拋石處理[1]。水下拋石易被水流沖刷流失,施工定位船的定位誤差會(huì)導(dǎo)致拋投區(qū)拋石不均勻,甚至出現(xiàn)漏拋區(qū)域,無(wú)法發(fā)揮拋石工程的實(shí)際作用,屬于隱蔽工程。因此，在拋石完成后應(yīng)該重視水下拋石的施工質(zhì)量檢驗(yàn)[2-3]。目前,水下拋石質(zhì)量驗(yàn)收根據(jù)《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》,根據(jù)拋石前后斷面線上測(cè)點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)對(duì)比,統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)增厚值合格率和斷面增厚值合格率作為驗(yàn)收依據(jù)[4]。

傳統(tǒng)水下拋石驗(yàn)收方法采用單波束測(cè)深技術(shù),按照測(cè)量比例尺布置測(cè)線和測(cè)點(diǎn)間距,最后通過(guò)拋石前后水下斷面對(duì)比進(jìn)行計(jì)算[5]。單波束測(cè)深技術(shù)是逐點(diǎn)測(cè)量方式,而且由于定位誤差和測(cè)量船航行誤差,拋石后的測(cè)線與拋石前的原始斷面線無(wú)法完全重合,選擇不同的斷面線會(huì)導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)增厚值合格率和斷面增厚值合格率計(jì)算結(jié)果不同,通過(guò)傳統(tǒng)的斷面法計(jì)算水下拋石總方量也會(huì)不同,且無(wú)法精確確定欠拋量和欠拋區(qū)域,導(dǎo)致水下拋石驗(yàn)收結(jié)果的不唯一。

多波束測(cè)深技術(shù)與單波束測(cè)深技術(shù)相比屬于面狀式測(cè)量,通過(guò)姿態(tài)傳感器和秒脈沖(PPS)時(shí)間同步改正得到的水深數(shù)據(jù)更加精確[6]。對(duì)拋石前后的水下地形進(jìn)行多波束全覆蓋測(cè)量,水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波處理后結(jié)合ArcGIS進(jìn)行三維建模和疊加分析,可以準(zhǔn)確地計(jì)算水下拋石總方量，直觀地顯示超拋和欠拋區(qū)域,全面地反映水下拋石前后地形變化和現(xiàn)狀[7-8]。

1 多波束測(cè)深技術(shù)原理

本文采用的水下多波束測(cè)深系統(tǒng)由Kongsberg公司EM2040C多波束測(cè)深設(shè)備、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器(OCTANS)、聲速剖面儀和多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)等共同組成,并通過(guò)采集電腦、采集顯示器、導(dǎo)航顯示器實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)整體組成如圖1所示。

圖1 Kongsberg EM2040C多波束測(cè)深系統(tǒng)

該系統(tǒng)配備的OCTANS內(nèi)含有3個(gè)互相垂直的光纖陀螺。借助于3個(gè)輔助的加速度計(jì),OCTANS從加電開始,在5 min內(nèi)即可以高達(dá)100 Hz的頻率準(zhǔn)確地輸出羅經(jīng)方位信息和三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息。

加拿大AML公司Micro SVP Plus聲速剖面儀上裝有固定距離的發(fā)射聲源和反射器,在水中聲源發(fā)射的聲波經(jīng)反射器反射后被接收,根據(jù)其往返程時(shí)間,可測(cè)量計(jì)算出水中的聲波傳送的速度。在進(jìn)行水下檢測(cè)過(guò)程中,由于水中(海水或河水)的溫度、壓力及鹽度不均勻,在水深大于10 m的條件下,水中的聲波傳播速度明顯不同,它將造成水中的聲波傳播路徑彎曲。如果對(duì)此影響不加考慮,測(cè)深儀測(cè)得的水下深度,將會(huì)發(fā)生明顯的彎曲。因此，在工作時(shí),將聲速剖面儀從水面投放到水底,即可得到該處的聲速剖面,修正多波束測(cè)深數(shù)值。

根據(jù)本文作者在文獻(xiàn)5中的計(jì)算,當(dāng)Kongsberg EM2040C的縱向接收波束寬度為27°,縱向接收波束最小角度為1°,20 m水深的縱向分辨率為0.359 m;當(dāng)橫向發(fā)射角度設(shè)置為100°,橫向發(fā)射波束最小角度為1°,20 m水深的橫向分辨率為0.828 m。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水利樞紐壩址軸線總長(zhǎng)2 830 m,自右至左依次布置右岸灘地段長(zhǎng)741.5 m,船閘段長(zhǎng)47 m,擋水壩段長(zhǎng)80 m,電站廠房段(含安裝場(chǎng))長(zhǎng)112 m,泄水閘右門庫(kù)段長(zhǎng)20 m,56孔泄水閘段長(zhǎng)952 m,左岸門庫(kù)段長(zhǎng)18 m,左岸灘地過(guò)流段長(zhǎng)859.5 m。工程的主要作用是枯水期抬高庫(kù)區(qū)水位,滿足下游生態(tài)環(huán)境用水、改善兩岸灌區(qū)的引水條件和通航條件。

2019年通過(guò)多波束測(cè)深系統(tǒng)，全覆蓋掃測(cè)泄水閘下游柔性海漫到下游防沖槽范圍的水下地形,發(fā)現(xiàn)泄水閘16～17#孔閘門下游柔性海漫存在1個(gè)沖坑。沖坑左右岸方向長(zhǎng)約50.6 m,上下游方向?qū)捈s43.5 m,沖坑底部高程23.9 m,沖坑最深處與柔性海漫設(shè)計(jì)高程相比深度為2.6 m,距離壩趾約89.5 m。

為了防止泄水閘下游柔性海漫沖坑受水流沖刷,沖坑范圍繼續(xù)向壩址和下游防沖槽不斷擴(kuò)大,沖坑深度不斷加深,破壞柔性海漫的結(jié)構(gòu)從而危害大壩安全。2020年4月對(duì)泄水閘下游柔性海漫沖坑進(jìn)行了水下拋石處理。為掌握沖坑水下拋石后的現(xiàn)狀和效果,2020年5月利用多波束測(cè)深系統(tǒng)全覆蓋掃測(cè)泄水閘下游柔性海漫到下游防沖槽范圍的水下地形。

2.2 測(cè)量實(shí)施

本次測(cè)量在現(xiàn)場(chǎng)租用鐵皮船,將探頭支架安裝在測(cè)量船左側(cè)船舷距離船頭1/3處,如圖2所示,羅經(jīng)固定在探頭頂部的鋼板上,以保證探頭、羅經(jīng)和作業(yè)平臺(tái)的姿態(tài)一致,采用GPS-RTK進(jìn)行定位導(dǎo)航。對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全覆蓋測(cè)量,在柔性海漫下游200 m的位置,選擇水下地形有起伏變化的區(qū)域,布設(shè)左右岸方向長(zhǎng)約150 m的3條往返測(cè)量,完成校準(zhǔn)測(cè)線的測(cè)量。

圖2 探頭支架安裝圖

多波束測(cè)深系統(tǒng)在作業(yè)前、后均進(jìn)行了檢測(cè)。將船拋錨固定,在水深小于2 m的淺水區(qū)用測(cè)深桿檢測(cè),在深水區(qū)用測(cè)深錘檢測(cè),將實(shí)測(cè)換能器中心所在位置實(shí)際水深與多波束測(cè)深系統(tǒng)中央波束所測(cè)水深進(jìn)行比對(duì)。

在現(xiàn)場(chǎng)四周無(wú)遮擋開闊處架設(shè)基準(zhǔn)站,對(duì)4個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行四參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,電站坐標(biāo)系統(tǒng)為北京54坐標(biāo)系,將WGS84投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo),由表1中誤差可以看出,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差最大為6.7 mm,滿足水下地形測(cè)量需要。

表1 已知點(diǎn)坐標(biāo)及轉(zhuǎn)換誤差

3 水下拋石效果評(píng)價(jià)

高云云等[9]以張家港市老海壩河段水下拋石河勢(shì)整治理工程為例,研究點(diǎn)云密度對(duì)水下拋石效果評(píng)價(jià)的不確定性;吳雅文等[10]以長(zhǎng)江南京斷某河段上游拋石護(hù)岸工程為例,研究點(diǎn)云密度對(duì)水下拋石效果評(píng)價(jià)的影響。研究結(jié)果均表明，點(diǎn)云密度對(duì)水下拋石效果評(píng)價(jià)影響顯著,且點(diǎn)云密度為5 m時(shí)為最佳,既不會(huì)因數(shù)據(jù)過(guò)于稀疏導(dǎo)致評(píng)價(jià)失真,也不會(huì)因數(shù)據(jù)過(guò)于密集導(dǎo)致評(píng)價(jià)困難。

本次將經(jīng)過(guò)處理的多波束水下點(diǎn)云數(shù)據(jù),在自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(AutoCAD)里按照3 m的間隔展點(diǎn),建立三角格網(wǎng),繪制等深線線圖。然后每隔5 m劃分一個(gè)斷面,一共劃分14個(gè)斷面,每個(gè)斷面上間隔5 m選取一個(gè)水深點(diǎn),斷面樁號(hào)從右岸至左岸方向依次編號(hào)為K0+0.00～K0+65.00,其中K0+0.00斷面位于泄水閘建筑物15聯(lián)中間偏左岸方向11.5 m,WK0+65.00斷號(hào)位于泄水閘建筑物17聯(lián)中間偏左岸方向8.5 m,其他斷面按照5 m的間隔均勻分布。通過(guò)比較2020年復(fù)測(cè)斷面線和設(shè)計(jì)斷面線,兩者基本能夠吻合,但在K0+15.00、K0+40.00、K0+50.00三個(gè)斷面處本次復(fù)測(cè)斷面仍然表現(xiàn)為沖刷,如圖3所示(以K0+15.00為例),而在K0+55.00、K0+60.00兩個(gè)斷面,通過(guò)拋石處理后水下地形高程高于設(shè)計(jì)高程,如圖4所示(以K0+60.00為例),說(shuō)明沖坑區(qū)域水下拋石整體情況較好,但在斷面K0+15.00、K0+40.00～K0+60.00區(qū)域內(nèi)拋石處理不均勻。計(jì)算測(cè)點(diǎn)增厚值合格率和斷面增厚值合格，結(jié)果如表2所示,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)增厚值和斷面增厚值合格率均大于70%,判定水下拋石效果合格。

圖3 K0+15.00斷面對(duì)比圖

圖4 K0+60.00斷面對(duì)比圖

表2 水下拋石驗(yàn)收統(tǒng)計(jì)

利用斷面法計(jì)算傳統(tǒng)的水下拋石總方量,斷面的選取對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果有著顯著的影響,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果具有不唯一性和隨機(jī)性[11-12]。多波束測(cè)量可以得到大量水下點(diǎn)云數(shù)據(jù),將施工前后的數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入ArcGIS中的兩個(gè)圖層,將兩個(gè)圖層進(jìn)行疊加,然后利用ArcGIS中的體積計(jì)算功能得到準(zhǔn)確唯一的水下拋石總方量。

確定傳統(tǒng)的水下拋石欠拋和超拋區(qū)域,需要將設(shè)計(jì)斷面線和施工后斷面線導(dǎo)入CAD圖中,劃分施工網(wǎng)格后逐條斷面線進(jìn)行對(duì)比，確定不合格區(qū)域,過(guò)程煩瑣,且不直觀[13]。將多波束水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入ArcGIS中的兩個(gè)圖層,利用差值計(jì)算功能即可快速直觀地得到水下拋石欠拋和超拋區(qū)域,如圖5所示。

圖5 水下欠拋和超拋區(qū)域圖

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的水下拋石驗(yàn)收方法相比,利用多波束測(cè)深技術(shù)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):

(1)對(duì)多波束測(cè)量得到的高精度、高分辨率水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理和三維展示,可以直觀、完整地展現(xiàn)水下拋石處理后的現(xiàn)狀;

(2)傳統(tǒng)水下拋石驗(yàn)收會(huì)因?yàn)檫x擇的斷面不同造成結(jié)果的不唯一性,將多波束水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度選擇為5 m,進(jìn)行測(cè)點(diǎn)增厚值和斷面增厚值合格率計(jì)算,能夠得到準(zhǔn)確、唯一的驗(yàn)收評(píng)價(jià)結(jié)果;

(3)將施工前后的數(shù)據(jù)利用ArcGIS進(jìn)行計(jì)算分析,能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算水下拋石總方量,直觀地反映水下欠拋和超拋區(qū)域,高效地指導(dǎo)水下拋石項(xiàng)目施工,有效降低施工成本。

利用多波束測(cè)深技術(shù)能夠準(zhǔn)確、直觀地了解拋石處理后地現(xiàn)狀,對(duì)水下拋石效果評(píng)價(jià)提供可靠地依據(jù)。