水電站河道沖刷破壞水下多波束測(cè)深檢測(cè)分析

華朝鋒

(貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司烏江渡發(fā)電廠，貴州 遵義 563002)

沖刷破壞是喀斯特地區(qū)高水頭、大流量大型水電站發(fā)電尾水道安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要威脅。電站服役期間，采用合理無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)下游河道水下地形進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確掌握河道底部及兩岸邊坡的沖刷破壞程度，并及時(shí)提出有針對(duì)性的處理方案以防止沖刷破壞進(jìn)一步加劇影響水工建筑物的運(yùn)行安全，已成為水電站定期專(zhuān)項(xiàng)檢查和研究的重點(diǎn)[1-3]。水電站發(fā)電尾水下游河道底部主要為水墊塘或消力池，其水深十幾米甚至幾十米，很難通過(guò)修筑圍堰等措施進(jìn)行直觀檢查。水下地形測(cè)量是一種特殊測(cè)量形式，傳統(tǒng)水下測(cè)量主要包括測(cè)深桿法、潛水探摸法、回聲測(cè)深儀法等，但此類(lèi)測(cè)量方法普遍存在測(cè)量精度低、可視范圍小、定位繁雜等問(wèn)題[4-5]。多波束測(cè)深技術(shù)利用發(fā)射換能器陣列，多波束測(cè)深可獲得一個(gè)條帶覆蓋區(qū)內(nèi)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的水下深度值，從而實(shí)現(xiàn)從單波束“點(diǎn)—線”測(cè)深向“線—面”測(cè)量的跨越[6-7]。同時(shí)，多波束測(cè)深系統(tǒng)采用慣導(dǎo)系統(tǒng)并配置GNSS輔助定位，可精準(zhǔn)獲取水下地形的三維模型，并繪制詳實(shí)等深線圖和典型測(cè)線地貌圖，可為水電站水工建筑物運(yùn)行性態(tài)專(zhuān)項(xiàng)檢查和運(yùn)行隱患排除及處理提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

烏江渡水電站位于貴州省遵義市境內(nèi)，原裝機(jī)630MW，經(jīng)擴(kuò)機(jī)、增容改造后裝機(jī)1250MW，是我國(guó)石灰?guī)r喀斯特地區(qū)興建的第一座大型水電站。工程于1970年開(kāi)工，1983年底竣工投運(yùn)發(fā)電。擋水建筑物為混凝土重力拱壩，壩高165m，壩頂長(zhǎng)395m。壩址處河谷呈“V”形，壩基地層為下三疊統(tǒng)玉龍山石灰?guī)r(T1)，總厚度233m，石灰?guī)r地下喀斯特高度發(fā)育，巖體完整性差。“烏江渡水電站大壩安全第五次定期檢查、專(zhuān)項(xiàng)檢查(分析)項(xiàng)目及要求”中提出：采用設(shè)備對(duì)壩趾至左耳下游影響范圍內(nèi)河床及坡腳進(jìn)行地形測(cè)量，繪制水下地形圖、缺陷平面分布圖、典型測(cè)線地貌圖，并與以往成果進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明河床淘刷情況。

2 多波束水下測(cè)量實(shí)施

為查明烏江渡水電站下游河道檢測(cè)區(qū)域的河床及兩岸地形和沖刷淘蝕情況，運(yùn)用多波束測(cè)深技術(shù)結(jié)合GPS-RTK技術(shù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位，開(kāi)展水下地形測(cè)量工作[8-10]。采用華星A12 GNSS RTK系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)輔助定位；安裝Sonic 2024型寬帶超高分辨率多波束測(cè)深儀和水下無(wú)人潛航器搭載水下高清彩色攝像設(shè)備進(jìn)行水下高質(zhì)量掃測(cè)作業(yè)。

2.1 儀器設(shè)備安裝

沖鋒舟作為水下地形測(cè)量多波束探深系統(tǒng)的載體，在預(yù)設(shè)位置安裝好水下發(fā)射、接受換能器、RTK流動(dòng)站等儀器設(shè)備，并完成儀器設(shè)備的緊固和初始參數(shù)設(shè)置、校調(diào)。

2.2 定位輔助

采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)提供定位參數(shù)，項(xiàng)目實(shí)測(cè)坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系[11]，高斯3°帶投影，測(cè)區(qū)中央子午線為105°。工作現(xiàn)場(chǎng)使用網(wǎng)絡(luò)RTK對(duì)各基點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，作為水下地形檢測(cè)工作的坐標(biāo)框架。最后，完成WGS-84與烏江渡水電站坐標(biāo)系之間的“三個(gè)線性平移量、三個(gè)角度旋轉(zhuǎn)值和一個(gè)比例尺因子”七參數(shù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算

通過(guò)計(jì)算得到表1所列的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成果后，為驗(yàn)證轉(zhuǎn)換成果的可靠度，使用網(wǎng)絡(luò)RTK站，選取烏江渡水電站較為可靠的控制點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，轉(zhuǎn)換后成果與實(shí)測(cè)基點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表2)。

表2 WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為烏江渡水電站坐標(biāo)系后坐標(biāo)差值對(duì)比

由表2可知，控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化后實(shí)測(cè)坐標(biāo)與控制點(diǎn)基準(zhǔn)坐標(biāo)相差均不超過(guò)±0.059m，可見(jiàn)轉(zhuǎn)換成果的定位精度符合《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》(DL/T 5173—2012)的相關(guān)要求[12]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用PDS2000軟件完成水下地形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合CARIS HIPS and SIPS軟件完成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的姿態(tài)校正、測(cè)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)合并等處理，最終獲得詳實(shí)的水下地形和沖坑位置、深度、高程等數(shù)據(jù)信息，并繪制地形等深線圖和典型測(cè)線地貌圖。

3 水下檢測(cè)成果分析

3.1 水下地形實(shí)測(cè)現(xiàn)狀

烏江渡水電站發(fā)電尾水下游河道及兩岸邊坡水下地形檢測(cè)項(xiàng)目，采用多波束探測(cè)系統(tǒng)與水下無(wú)人潛航器聯(lián)合進(jìn)行水下探查。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，首先采用多波束探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水下全覆蓋檢測(cè)，了解烏江渡水電站下游河道兩岸邊坡及河道現(xiàn)存狀態(tài)。同時(shí)，基于多波束檢測(cè)成果，采用水下無(wú)人潛航器完成局部邊墻及沖坑外觀情況的探查。電站發(fā)電尾水下游河道及兩岸邊坡水下地形多波束探測(cè)成果見(jiàn)圖1。

圖1 下游河道水下地形多波束探測(cè)成果

由圖1可知，烏江渡水電站投運(yùn)發(fā)電30余年后，下游河道實(shí)測(cè)水底整體上呈現(xiàn)“兩岸高、河中低，上游高、下游低”的特點(diǎn)。水下檢測(cè)發(fā)現(xiàn)河道內(nèi)有3處明顯沖坑(圖1中的1號(hào)、2號(hào)和3號(hào))，其中，1號(hào)沖坑沿上下游方向呈“梭形”，位于(壩橫)0+100至(壩橫)0+150，(壩縱)0+030至(壩縱)0+065；2號(hào)沖坑呈“碗狀”，位于(壩橫)0+200至(壩橫)0+280，(壩縱)0+013至(壩縱)0+080；3號(hào)沖坑呈“橢圓形”，位于(壩橫)0+340至(壩橫)0+400，(壩縱)0+003至(壩縱)0+083。水下檢測(cè)范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)水底高程介于597.5～631.5m之間，其中，高程最低約597.5m，位于下游距尾水壩面220m河道中部[平面坐標(biāo)為(674265.60，3024453.52)]及下游距尾水壩面385m河道中部[平面坐標(biāo)為(674414.39，3024380.27)]。檢測(cè)區(qū)域河道高程帶狀圖見(jiàn)圖2。

圖2 河道高程帶狀圖

對(duì)檢測(cè)范圍內(nèi)河道沿水流方向剖切3個(gè)縱剖面、對(duì)垂直河道剖切8個(gè)橫剖面進(jìn)行典型測(cè)線地貌分析，剖線位置見(jiàn)圖3和圖4。其中，縱剖面的剖面間隔為25m，剖線1號(hào)起點(diǎn)平面坐標(biāo)(674089.72，3024493.41)，終點(diǎn)平面(674487.57，3024302.97)；橫剖面的剖面間隔為50m(1號(hào)、2號(hào)剖面間距為30m)，剖面1號(hào)距尾水壩面為70m。各剖面起始樁號(hào)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖3 縱剖線布置

圖4 橫剖線布置

表3 剖面起始樁號(hào)數(shù)據(jù)

分析得到烏江渡水電站發(fā)電尾水下游河道及兩岸邊坡水下典型測(cè)線地貌，分別見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 水下地貌縱剖線

圖6 水下地貌橫剖線

3.2 沖坑區(qū)域及兩岸邊坡檢測(cè)成果

從三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)觀測(cè)該沖坑面積較大，水下機(jī)器人探查中發(fā)現(xiàn)河道中部區(qū)域出現(xiàn)了較為陡峭深坑，呈“下游高，上游低”的狀況，并且高程最大落差約為16m。為獲得發(fā)電尾水下游河道沖坑準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，利用網(wǎng)格劃分取樣統(tǒng)計(jì)分析各沖坑的長(zhǎng)度、寬度、面積等參數(shù)，并與1994年沖坑實(shí)測(cè)深度進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表4)。

表4 沖坑特性參數(shù)信息分析成果

由表4可知，發(fā)電尾水下游河道水下檢測(cè)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3處明顯沖坑，沖坑面積分別為1058.87m2、4228.34m2和3457.26m2；沖坑深度分別為8.2m、12.1m和12.5m，分別較1994年實(shí)測(cè)值增加0m、1.6m和4.6m。2號(hào)和3號(hào)沖坑雖然其深度較1994年有明顯增加，但該兩處沖坑與兩岸巖體的結(jié)合處均有一定坡度，且邊緣距離山體邊坡均大于15m，未發(fā)現(xiàn)山體與河床結(jié)合面存在淘刷現(xiàn)象，基本不會(huì)對(duì)兩岸邊坡構(gòu)成影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

多波束測(cè)深技術(shù)具有測(cè)量精度高、可視覆蓋范圍廣、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在較復(fù)雜水下地形測(cè)量、水下建筑物無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用效果。將多波束測(cè)深技術(shù)引入烏江渡水電站運(yùn)行期發(fā)電尾水下游河道水下地形檢測(cè)中，有效采集到壩趾至左耳下游影響范圍內(nèi)河床及坡腳的現(xiàn)狀地形點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)，并經(jīng)軟件運(yùn)行分析獲得地形等深線圖、典型測(cè)線地貌圖、沖刷區(qū)域發(fā)展規(guī)模及沖坑特性參數(shù)等數(shù)據(jù)成果，為電站后期運(yùn)行策略制定和安全隱患排除提供了詳實(shí)資料依據(jù)。多波束測(cè)深技術(shù)對(duì)水下地形繪制全面清晰，對(duì)沖刷區(qū)域淘蝕范圍及深度判斷準(zhǔn)確可靠，可為類(lèi)似水下隱蔽工程全面精確檢測(cè)提供技術(shù)支持。