航道整治工程掃測(cè)技術(shù)和方法探討

李 勇，洪 劍，朱春春

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

在航道檢測(cè)方法中，一般采用單波束測(cè)量、多波束測(cè)量、硬式掃床、軟式掃床等方法[1-4]。單波束測(cè)量通常只能反映測(cè)點(diǎn)所在位置的地形情況，由于測(cè)點(diǎn)之間存在間距，無法滿足全覆蓋檢測(cè)的要求。隨著多波束技術(shù)的出現(xiàn)，水深測(cè)量實(shí)現(xiàn)了從“點(diǎn)—線”測(cè)量到“線—面”測(cè)量的跨越，但本質(zhì)上多波束掃測(cè)點(diǎn)之間依然存在間隔，無法做到絕對(duì)意義上的全覆蓋，因此在一些航道整治項(xiàng)目中，仍然使用傳統(tǒng)的硬式掃床和軟式掃床法[5]。各種掃測(cè)技術(shù)均存在不同的適用條件，如何改進(jìn)航道整治掃測(cè)工作一直是專業(yè)技術(shù)人員研究的課題。

1 航道工程主要掃測(cè)技術(shù)分析

目前，根據(jù)各種航道掃測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，在海港航道和沙床質(zhì)航道中多波束掃測(cè)使用最為廣泛，在山區(qū)航道中硬式掃床使用最為普遍，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 多波束掃測(cè)技術(shù)

多波束掃測(cè)是采用多波束形成技術(shù)，在垂直于船行方向的鉛垂面內(nèi)，生成具有一定扇面開角的若干個(gè)波束，并按照一定的模式進(jìn)行發(fā)射和接收獲取測(cè)點(diǎn)水深，每個(gè)波束獲得的測(cè)點(diǎn)隨測(cè)船航行組合成一條帶狀水深區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)水下地形的掃測(cè)。

多波束掃測(cè)優(yōu)點(diǎn)突出，主要表現(xiàn)在：

1）能夠高效獲取水下地形數(shù)據(jù)，對(duì)一些微小的地形變化也能夠反映出來；

2）根據(jù)多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)，可以生成不同比例尺的地形圖、電子航道圖、剖面圖等；

3）分不同測(cè)次進(jìn)行掃測(cè)，可以比較同一區(qū)域的變化，或進(jìn)行施工方量測(cè)算；

4）適合水下隨機(jī)障礙物的探測(cè)，通過三維建模，可直觀顯示水下障礙物情況，指導(dǎo)施工作業(yè)。

但多波束也有一些不足之處：

1）多波束技術(shù)受波束角分辨率和測(cè)區(qū)水深的影響，多波束的掃測(cè)點(diǎn)之間依然存在間隔，對(duì)水下豎向細(xì)微障礙物（如鋼筋）無法保證100%掃測(cè)；

2）為保證掃測(cè)覆蓋效果，同一區(qū)域需采用不同測(cè)線多次掃測(cè)，才能保證掃測(cè)區(qū)域獲得足夠密度的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致掃測(cè)工作量增大；

3）多波束掃測(cè)寬度與水深關(guān)系緊密，在淺水區(qū)全覆蓋掃測(cè)時(shí)，工作效率大大降低，且設(shè)備昂貴存在安全和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)；

4）水下若存在雜草或雜物時(shí)，多波束掃測(cè)可能反應(yīng)過度靈敏，進(jìn)而造成水下地形誤判。

因此，在使用多波束掃測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)區(qū)是否有水草、水深大小等因素影響，建議大于5 米再考慮使用多波束掃測(cè)，以充分發(fā)揮其作業(yè)效率，保證設(shè)備安全。

1.2 硬式掃床技術(shù)

硬式掃床又稱定深掃床，其基本工作原理是將掃床架底部掃桿下放到船舶底部一定深度，通過船舶行進(jìn)過程中是否發(fā)生水下障礙物碰撞，來判斷施工區(qū)域是否存在淺點(diǎn)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

1）沒有盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了特定深度（高度）面真正意義上的100 %掃測(cè)，確保掃測(cè)過的區(qū)域沒有遺漏淺點(diǎn)；

2）原理簡(jiǎn)單，掃測(cè)可靠性強(qiáng)，可以直觀反映水下地形是否滿足底部高程設(shè)計(jì)的要求。

該方法缺點(diǎn)也很明顯：1）不能測(cè)定水底點(diǎn)的高程，只能作為一種定性檢測(cè)方法；

2）整體上操作復(fù)雜，通常要多人協(xié)同配合作業(yè)，掃床支架的安裝和調(diào)節(jié)繁瑣，甚至要借助吊機(jī)等外部機(jī)械設(shè)備才能完成；

3）工作效率較低，且作業(yè)過程中存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

硬式掃床通常用于土質(zhì)較硬的疏浚工程或炸礁工程，適合于小范圍的工程檢測(cè)，且由于掃架容易受到水流的沖擊影響，因此更適用于掃測(cè)水深相對(duì)較淺的航道工程。

2 綜合掃測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)思路

基于前述分析的多波束掃測(cè)和硬式掃床兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，為保證航道整治施工進(jìn)度和質(zhì)量，結(jié)合三維地形技術(shù)和項(xiàng)目需求，提出如下技術(shù)思路：

1）首先采用多波束掃測(cè)技術(shù)進(jìn)行初步檢測(cè)，獲取航道施工后水深數(shù)據(jù)；

2）依據(jù)多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)和三維地形技術(shù)建立模型，直觀顯示航道施工整治后水下地形情況；

3）根據(jù)三維地形模型判斷水下地形是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，對(duì)疑似區(qū)域進(jìn)行綜合研判，是否需要繼續(xù)施工，若需進(jìn)一步施工處理，則處理后再次利用多波束進(jìn)行掃測(cè)，重復(fù)以上兩步；

4）若水下地形滿足要求，再實(shí)施硬式掃床進(jìn)行最后檢測(cè)，確保航道施工質(zhì)量；

5）硬式掃床過程中若發(fā)現(xiàn)障礙點(diǎn)，則必須進(jìn)行施工再處理，若未發(fā)現(xiàn)障礙點(diǎn)則航道整治達(dá)到要求。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)控制

依據(jù)前述技術(shù)思路，涉及到多波束掃測(cè)、三維建模和硬式掃床等技術(shù)方法，為提高綜合掃測(cè)方法的效率，需注意如下關(guān)鍵技術(shù)控制要點(diǎn)。

1）多波束掃測(cè)

多波束掃測(cè)技術(shù)關(guān)鍵之一是多波束儀器的選定：多波束系統(tǒng)選擇必須考慮其工作頻率、波束寬度、波束數(shù)量、分辨率以及測(cè)程，在滿足測(cè)程的基礎(chǔ)上，盡可能選擇波束數(shù)量多、分辨率高的多波束系統(tǒng)；受制于航道區(qū)域作業(yè)條件的限制，選定多波束儀器應(yīng)便于安裝和使用。

多波束掃測(cè)技術(shù)關(guān)鍵之二是多波束掃測(cè)實(shí)施要點(diǎn)：多波束穩(wěn)固安裝，安裝好后選擇具有一定水下地形特征區(qū)域進(jìn)行安裝校準(zhǔn)，以獲取延時(shí)、橫搖、縱搖以及艏向偏差。在校準(zhǔn)計(jì)算過程中，由于不同偏差之間可能互相產(chǎn)生影響，需要選擇不同記錄數(shù)據(jù)多次迭代計(jì)算，盡可能提高多波束校準(zhǔn)參數(shù)的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)完后，可選擇地形特征明顯區(qū)域，進(jìn)行多波束十字交叉檢驗(yàn)，結(jié)果均滿足規(guī)范要求后方可進(jìn)行掃測(cè)作業(yè)。多波束掃測(cè)前應(yīng)提前布設(shè)掃測(cè)線，確保相鄰測(cè)線掃測(cè)寬度有一定的重合度。掃測(cè)過程中應(yīng)同步觀測(cè)測(cè)區(qū)水位，并測(cè)定測(cè)區(qū)聲速剖面供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

2）三維建模

三維建模技術(shù)的關(guān)鍵之一是建模軟件的選擇：首先建模軟件的模型構(gòu)建方法應(yīng)正確，保證建模精細(xì)程度高；其次具有通用性，其成果能被多方使用，能夠用于BIM 設(shè)計(jì)為宜；再次界面友好，功能齊全、操作方便。

三維建模技術(shù)的關(guān)鍵之二是模型的制作：首先在模型制作前，應(yīng)對(duì)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保所有建模數(shù)據(jù)來源質(zhì)量；其次應(yīng)對(duì)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，確保模型的準(zhǔn)確性，必要時(shí)進(jìn)行編輯取舍；再次顏色渲染時(shí)應(yīng)符合常規(guī)色彩設(shè)計(jì)原則，同時(shí)考慮淺點(diǎn)的突出性，保證三維模型的整體效果。

3）硬式掃床

硬式掃床技術(shù)關(guān)鍵之一是掃床架的設(shè)計(jì)與制作。硬式掃床架沒有統(tǒng)一的設(shè)備，通常根據(jù)不同的項(xiàng)目情況和檢測(cè)需求，研究不同的硬掃支架和作業(yè)方法。為了提高工作效率和保證掃測(cè)安全，結(jié)合項(xiàng)目條件和船舶情況，主要設(shè)計(jì)原則：一是掃床架采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，便于掃床架的安裝和拆卸；二是充分利用測(cè)船的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)掃床架的機(jī)械化升降和收放等操作；三是利于進(jìn)行掃床架入水深度的調(diào)節(jié)，提高掃床架的外業(yè)調(diào)節(jié)效率。圖1 所示為一種創(chuàng)新硬式掃床支架結(jié)構(gòu)圖。

圖1 硬式掃床支架結(jié)構(gòu)圖

硬式掃床技術(shù)關(guān)鍵之二是實(shí)施掃測(cè)及其判斷：掃床前，根據(jù)底部掃桿寬度和掃床區(qū)域情況進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)，保證相鄰掃測(cè)面的旁向重合率；作業(yè)過程中，根據(jù)實(shí)時(shí)水位和航槽設(shè)計(jì)標(biāo)高，換算底部掃桿的入水深度，掃測(cè)時(shí)必須保證掃架垂直，同時(shí)測(cè)量軟件記錄掃床軌跡；若遇淺點(diǎn)發(fā)生碰撞，掃架會(huì)發(fā)出聲響并劇烈抖動(dòng)，此時(shí)應(yīng)立刻記錄RTK 所測(cè)定的坐標(biāo)信息，以便后續(xù)施工進(jìn)一步處理；若檢測(cè)過程中無底部掃桿碰撞，則航道整治達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，質(zhì)量滿足要求；在硬式掃床過程中，水深越深，掃架受到的水流沖擊力越大，安全風(fēng)險(xiǎn)也更大，因此宜選擇低水期或小流速期進(jìn)行硬式掃床作業(yè)，以保證硬式掃床的作業(yè)效率、質(zhì)量和安全。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)江航道三峽大壩至葛洲壩兩壩間某工程航道整治內(nèi)容包括若干個(gè)炸礁區(qū)，掃床范圍為炸礁基線至河心側(cè)邊線外約5 m。由于為庫區(qū)航道，炸礁后水深受庫區(qū)水位影響，部分時(shí)間段掃床區(qū)域水深達(dá)9 m，給航道檢測(cè)工作帶來很大難度，本項(xiàng)目采用了多波束測(cè)量+三維建模技術(shù)+硬式掃床的綜合掃測(cè)方法。

3.2 實(shí)施情況

多波束掃測(cè)采用海卓高分辨率多波束測(cè)深系統(tǒng)，為減小系統(tǒng)安裝對(duì)掃測(cè)結(jié)果的影響，專門定制金屬架，掃測(cè)線按順岸方向布設(shè)，旁向重疊度大于70 %，同時(shí)增加掃測(cè)次數(shù)，以提高多波束掃測(cè)的云數(shù)據(jù)量。圖2 為多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)采集界面。

圖2 多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)采集界面

掃測(cè)完成后，采用專業(yè)軟件進(jìn)行多波束數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行三維地形建模。本項(xiàng)目對(duì)6 個(gè)施工區(qū)域，共進(jìn)行了4 測(cè)次的多波束掃測(cè)，多次指導(dǎo)施工。

為確保航道整治工程質(zhì)量，在多波束檢測(cè)通過后，再采用硬式掃床方式進(jìn)行最終檢測(cè)。硬式掃床作業(yè)船舶長(zhǎng)約28 m，寬約5 m，檢測(cè)過程中在測(cè)區(qū)設(shè)立水尺進(jìn)行水位測(cè)量，通過水位減去設(shè)計(jì)水底標(biāo)高調(diào)節(jié)掃桿入水深度，使用RTK 進(jìn)行導(dǎo)航，實(shí)時(shí)記錄掃測(cè)軌跡線，圖3 所示為硬式掃床作業(yè)圖。

圖3 硬式掃床作業(yè)圖

本項(xiàng)目在多波束掃測(cè)通過后，采用硬式掃床方法對(duì)幾個(gè)施工區(qū)檢測(cè)均順利通過，顯著地提高了硬式掃床的通過率和安全性，保證了航道整治的工程質(zhì)量。

3.3 應(yīng)用效果分析

通過本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，采用綜合掃測(cè)方法，效果顯著。

1）測(cè)繪成果多樣化

首先在施工過程中多次依據(jù)多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行顏色渲染，可直觀展示水下地形情況。如圖4 為所示，將高于設(shè)計(jì)標(biāo)高的數(shù)據(jù)用特殊顏色（紅色）顯示，可很快發(fā)現(xiàn)淺點(diǎn)所在位置、分布大小等情況，同時(shí)對(duì)淺點(diǎn)以外區(qū)域的地形情況也能準(zhǔn)確掌握，便于建設(shè)單位、設(shè)計(jì)人員和施工人員科學(xué)決策、指導(dǎo)施工。

圖4 三維地形模型渲染圖

其次硬式掃床軌跡線圖可以為工程驗(yàn)收提供依據(jù)，多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)可生成水深圖、竣工地形圖等多樣化成果。

2）工作效率顯著提高

首先本項(xiàng)目對(duì)硬式掃床設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和制作，在工作效率上與使用傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行各環(huán)節(jié)耗時(shí)對(duì)比，本項(xiàng)目硬式掃床外業(yè)效率提高35 %以上，取得良好效果。

其次本項(xiàng)目對(duì)同區(qū)域的掃測(cè)，多波束掃測(cè)所耗時(shí)間僅為硬式掃床的1/3，采用多波束掃測(cè)作為航道施工初檢，利用多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)建立三維地形模型，模型精度滿足設(shè)計(jì)要求后再采用硬式掃床方法進(jìn)行檢測(cè)，該技術(shù)路線大大減少了硬式掃床作業(yè)次數(shù)和安全隱患，總體工作效率顯著提高。

4 結(jié)語

1）多波束掃測(cè)作為一種先進(jìn)的測(cè)深技術(shù)，應(yīng)用于航道整治工程檢測(cè)時(shí)，其作業(yè)效率較高，成果豐富，通過三維建模可直觀顯示水下地形情況，快速查找淺點(diǎn)，指導(dǎo)航道施工作業(yè)；

2）硬式掃床技術(shù)作為一種直觀有效的航道掃測(cè)方法，在全覆蓋方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)的掃床架和掃測(cè)方法有利于降本增效，在一定的水深范圍內(nèi)，可以快速、安全、有效的開展硬式掃床，具有100 %全覆蓋；

3）本文提出的多波束掃測(cè)、三維建模和硬式掃床相結(jié)合的綜合方法，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高航道整治檢測(cè)的整體效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，并能夠提供更加豐富的檢測(cè)成果。