基于多波束測深與三維掃描聲納的攔污網(wǎng)水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)應(yīng)用

■李同飛 朱瑞虎 徐鵬飛 丁德榮

(1.河海大學(xué)，南京 210098; 2.平潭旅游股份有限公司，平潭 350400;3.福建省港航管理局勘測中心，福州 350009)

電廠取水口是電站的重要設(shè)施，主要作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)以及冷卻用水的水源。 為避免海洋生物進(jìn)入取水口，從而影響電廠運(yùn)行，一般在取水口布置攔污網(wǎng)攔截海洋生物、垃圾物，是電廠取水的第一道攔污屏障[1]。 攔污網(wǎng)的設(shè)置是否合理、維護(hù)是否到位和運(yùn)行是否穩(wěn)定，直接影響到電廠的水源安全。 目前攔污網(wǎng)運(yùn)行狀況基本上采取潛水員探摸、水下攝影、單波束測深儀掃測等方式進(jìn)行檢測及評(píng)判。 這些方法存在較多不足的地方：如水下攝影只有二維圖像信息，且潛水員探摸、水下攝影效率低，范圍有限；單波束測深儀掃測一般只能在儀器垂直下方獲取目標(biāo)點(diǎn)位數(shù)據(jù)，無法獲取儀器側(cè)面的數(shù)據(jù)，如岸壁等地形；受各種因素的影響，上述方法無法滿足攔污網(wǎng)檢測要求[2]。

多波束測深系統(tǒng)是由多種傳感器組合而成的系統(tǒng)，集成了信號(hào)處理、定位和導(dǎo)航、數(shù)字傳感、數(shù)據(jù)處理、三維顯示技術(shù)，以及其他多種前沿高新技術(shù)， 是獲取水深數(shù)據(jù)和水下地形地貌的重要手段，能夠高效率、精確、快速地測量出水下一定范圍內(nèi)地形，或者目標(biāo)物的大小、外形變化，快速、可靠地獲取水下目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)。 三維掃描聲納系統(tǒng)通過發(fā)射聲脈沖獲得檢測目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)，每次以掃描扇區(qū)發(fā)射脈沖；云臺(tái)可以豎向和水平向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)豎向、水平向的掃描，且掃描范圍大。 從而獲取檢測目標(biāo)的不同部位的位置信息，生成水下地形、構(gòu)筑物的高分辨率三維圖像，形成3D 結(jié)構(gòu)圖[3-5]。本研究將以福建某電廠取水口攔污網(wǎng)水下結(jié)構(gòu)檢測為例，利用多波束測深系統(tǒng)對(duì)攔污網(wǎng)質(zhì)量和運(yùn)行狀況進(jìn)行大范圍全景檢查，對(duì)多波束掃測后發(fā)現(xiàn)金屬攔污網(wǎng)缺損等部位進(jìn)一步放大檢測，利用三維掃描聲納測量點(diǎn)位可達(dá)到厘米級(jí)精度、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，取得水下攔污網(wǎng)檢測細(xì)部三維可視化圖像， 獲得精確的細(xì)節(jié)信息，對(duì)攔污網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行定性、定量分析。

1 工程概況和檢測內(nèi)容

1.1 工程概況

本項(xiàng)目用于檢測的取水口位于該電廠碼頭北側(cè)（圖1），取水口漂浮物、懸浮物攔截系統(tǒng)由1 座樁承臺(tái)式攔污網(wǎng)和若干浮體式攔污網(wǎng)組成，攔污網(wǎng)網(wǎng)體材料采用銅合金材質(zhì)。 攔污網(wǎng)共設(shè)5 座承臺(tái)（其中，3 個(gè)承臺(tái)長寬為3.5 m×7 m，2 個(gè)承臺(tái)長寬為3 m×3 m）；8 根樁，樁基直徑1.4 m；9 張網(wǎng)面。

圖1 攔污網(wǎng)地理位置圖

1.2 檢測內(nèi)容

本項(xiàng)目使用多波束測深系統(tǒng)和三維掃描聲納聯(lián)合測量技術(shù)為取水口兩側(cè)防波堤之間攔污網(wǎng)健康狀況進(jìn)行檢測，將攔污網(wǎng)水下結(jié)構(gòu)、破損情況及外來物攔截情況三維圖像化，可以快速地、直觀地反映攔污網(wǎng)健康狀況全貌， 以便為攔污網(wǎng)的維護(hù)、維修提供可視化的資料和可靠的檢測數(shù)據(jù)。

開始前，多波束檢測測線沿?cái)r污網(wǎng)布設(shè)3 條測線，間隔5 m。三維掃描測站為各站間地物明顯重疊有利拼圖原則分別于施工前后布設(shè)6 站和12 站（圖2）。

圖2 施工前后各測站三維掃描儀成像總覽圖

2 使用設(shè)備及參數(shù)

2.1 多波束測深系統(tǒng)

本項(xiàng)目使用的多波束測系統(tǒng)型號(hào)為SeaBat T50-P，為便攜式淺水多波束測深儀。該設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：量程分辨率為6 mm，聲吶頻率為190～420 kHz（可選），波束角10°～165°，儀器量程為500 m。 系統(tǒng)構(gòu)成示意見圖3。

圖3 SeaBat T50-P 統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 三維掃描聲納系統(tǒng)

本項(xiàng)目使用的三維掃描聲納系統(tǒng)為BV5000，主要包含三維掃描聲納頭、云臺(tái)、控制平臺(tái)等。 該設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：扇面和球面掃描區(qū)域?yàn)?5°～360°，視角為45×1°，頻率為1.35 MHz。 系統(tǒng)示意見圖4。

圖4 BV5000 系統(tǒng)示意圖

3 檢測數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目取水口漂浮物、懸浮物攔截系統(tǒng)由一座樁承臺(tái)式攔污網(wǎng)和若干浮體式攔污網(wǎng)組成，攔污網(wǎng)網(wǎng)體材料采用銅合金材質(zhì)。 攔污網(wǎng)共設(shè)5 座承臺(tái)，8根樁，9 張網(wǎng)面。通過數(shù)年來的使用與維護(hù)，攔污網(wǎng)目測已發(fā)生變形，亟須了解水下部分完好情況。

通過使用多波束掃海測量、三維聲納掃描儀對(duì)取水口金屬攔污網(wǎng)健康狀況進(jìn)行檢測，并對(duì)其進(jìn)行定性、定量分析，根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：多張攔污網(wǎng)網(wǎng)面產(chǎn)生不同程度變形，變形方向在水平方向上（順漲潮方向），在垂直方向上各張網(wǎng)呈現(xiàn)倒鍋形，最大變形徑高達(dá)3.15 m；個(gè)別攔污網(wǎng)存在脫邊、破洞，最大脫邊開口弧長27.5 m、最大徑高3 m，破洞窟窿范圍約為2 m×1 m；攔污網(wǎng)外來物（垃圾）較多，最多的外來物（垃圾）堆積范圍弦長約19 m、深度6 m，厚度0.3 m～1.1 m。

3.1 攔污網(wǎng)變形情況分析

從多波束掃測及三維聲納掃描成果可知（圖5）：水平面上，變形方向主要向漲潮方向，沿岸部分因回流存在彎曲；在豎直面上，變形并非平面，而是類似倒鍋形。 同時(shí)可見，攔網(wǎng)底部局部已破損脫落。

圖5 攔污網(wǎng)網(wǎng)面變形及底部三維圖

攔污網(wǎng)通過采取一定的措施進(jìn)行加固，經(jīng)檢測第3、5、7、8、9 張網(wǎng)面變形有改善，第5 張網(wǎng)變化尤其明顯（圖6）。

圖6 施工前后攔污網(wǎng)網(wǎng)面變形對(duì)比圖

3.2 攔污網(wǎng)破損情況分析

根據(jù)圖7、圖8 可知，部分?jǐn)r網(wǎng)破損，存在脫邊、破洞，脫邊主要存在于底部，以及與墩柱連接處。 底部破損最為嚴(yán)重的網(wǎng)中間弧長約27.5 m，最大口子徑高約3.0 m；與左右相鄰墩柱連處脫離，開口徑高最大為10 m。

圖7 攔污網(wǎng)破損位置圖

圖8 攔污網(wǎng)4、攔污網(wǎng)6 破損情況

3.3 攔污網(wǎng)外來物（垃圾）攔截情況分析

各攔污網(wǎng)對(duì)外來物（垃圾）進(jìn)行了攔截，形成堆積，如圖9、圖10 所示。在海底6 m 高的位置形成外來物（垃圾）堆積，堆積物形成一定厚度，在攔網(wǎng)變形后俯看形似月牙，圖中體積約3.15 m3。

圖9 攔污網(wǎng)外來物（垃圾）俯視圖

圖10 攔污網(wǎng)外來物堆積正視圖

經(jīng)施工清理垃圾及加固金屬攔污網(wǎng)，外來垃圾物明顯減少（圖11）。

圖11 施工前后第5 張網(wǎng)面三維聲吶掃描對(duì)比情況

4 結(jié)論

將多波束測深和三維聲納掃描技術(shù)應(yīng)用在電廠取水口攔污網(wǎng)水下結(jié)構(gòu)檢測實(shí)際工作中，可準(zhǔn)確獲得攔污網(wǎng)變形以及損壞情況，可檢測攔污網(wǎng)內(nèi)外來物（垃圾）攔截量，得到攔污網(wǎng)健康狀況和運(yùn)行狀態(tài)的三維狀態(tài)圖，可獲得攔污網(wǎng)修復(fù)工作量及外來物（垃圾）清理工作量，為下一步攔污網(wǎng)安全運(yùn)行管理和隱患治理提供決策依據(jù)。 同時(shí)，根據(jù)檢測結(jié)果，可為攔污網(wǎng)設(shè)置效果評(píng)估及后續(xù)處置工作提供了依據(jù)，以及施工后檢測跟蹤，分析施工效果。