基于多波束測量技術(shù)的某水電站壩面完整性檢測

馮 露，黃從斌，李 艷

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000；2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

每隔一段時間對水工建筑物進(jìn)行安全評價(jià)是了解水庫大壩、水電站等安全運(yùn)行狀態(tài)的一種途徑，近年來，在強(qiáng)化落實(shí)“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的行業(yè)總基調(diào)下，如何切實(shí)有效做好水工建筑物的安全評價(jià)，也成為各類專家學(xué)者關(guān)注的議題。早期針對水下壩面完整性的檢測方法較為單一，主要依靠人工探摸的視覺觀測、攝影、探摸，目的是檢查構(gòu)件有無明顯缺失、裂痕、磨損等，近年來隨著成像技術(shù)的發(fā)展，多波束測量技術(shù)正在為現(xiàn)階段的水下檢測方法提供了更多可能。應(yīng)用多波束聲吶可以同時獲得水下測深地形與分辨率較低的水下圖像的特性，本文以多波束測量技術(shù)的某水電站壩面完整性檢測為例，介紹了多波束測量技術(shù)在水電站的應(yīng)用，展現(xiàn)了多波束測量范圍廣、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況簡介

某水電站位于長江支流中下游，水電站初始總庫容3.1億 m3，裝機(jī)容量77萬 kW。壩體為混凝土重力壩，壩頂高程為530.5 m。是一座以發(fā)電為主兼顧綜合利用的大型水利樞紐工程。

為了解該水電站上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀完整情況，需對上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀情況進(jìn)行水下檢測工作。壩前泄洪引水設(shè)施水下檢測范圍：上游壩面檢查；壩前溢洪道檢查；沖砂底孔事故檢修門上游流道檢查；地下廠房機(jī)組進(jìn)水口檢查；地面廠房進(jìn)水口檢查。

2 多波束掃測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 多波束掃測設(shè)備介紹

本次采用的多波束掃測系統(tǒng)是TeledyneRESON公司的R2Sonic2024型多波束探測系統(tǒng)，R2Sonic 2024 是一款可高度集成的多波束測量系統(tǒng)，安裝方便、操作易用，主系統(tǒng)主要包括：

(1)RSP機(jī)柜式甲板單元，功能強(qiáng)大的聲吶處理單元，以太網(wǎng)通訊，110-230VAC供電；

(2)水下?lián)Q能器探頭，包括1個TC2181 發(fā)射換能器和1個EM7218接收換能器；

(3)25m甲板連接電纜；

(4)R2sonir聲吶控制軟件；

為了避免在水電站靠近建筑物區(qū)域衛(wèi)星信號失鎖，本項(xiàng)目為多波束定位配備了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在衛(wèi)星信號被遮擋情況下，依然保證定位精度。

本項(xiàng)目采用的多波束測深系統(tǒng)是 TeledyneRESON 公司的 R2Sonic2024 型多波束探測系統(tǒng)，R2Sonic 2024 是一款可高度集成的多波束測量系統(tǒng)，安裝方便、操作易用，主系統(tǒng)主要包括：

(1)RSP機(jī)柜式甲板單元，功能強(qiáng)大的聲吶處理單元，以太網(wǎng)通訊，110～230 VAC供電；

(2)水下?lián)Q能器探頭，包括1個TC2181 發(fā)射換能器和1個EM7218接收換能器；

(3)25 m甲板連接電纜；

(4)R2sonir 聲吶控制軟件。

2.2 多波束檢測技術(shù)

2.2.1 多波束探測系統(tǒng)各項(xiàng)傳感器的安裝

以定制沖鋒舟為多波束探測系統(tǒng)的載體，安裝多波束系統(tǒng)水下發(fā)射及接受換能器，表面聲速探頭、固定羅經(jīng)、三維運(yùn)動傳感器及 RTK 流動站，各項(xiàng)安裝須確保設(shè)備與船體搖晃一致定位坐標(biāo)系的測量與轉(zhuǎn)換。本次多波束探測系統(tǒng)作業(yè)采用了網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)提供定位參數(shù)，實(shí)測坐標(biāo)系為 WGS-84 坐標(biāo)系，高斯 3°帶投影，測區(qū)中央子午線為 102°。

工作現(xiàn)場使用網(wǎng)絡(luò) RTK 對庫區(qū)各基點(diǎn)進(jìn)行了測量，作為本次水下檢查項(xiàng)目的坐標(biāo)框架， 最后，完成 WGS-84 與某水電站庫區(qū)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，計(jì)算成果表見表1。

表1 WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為某水電站庫區(qū)坐標(biāo)系后坐標(biāo)差值對比表

通過計(jì)算得到坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成果后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證轉(zhuǎn)換成果的可靠度，現(xiàn)場工作中，使用網(wǎng)絡(luò) RTK 站，選取某水電站的庫區(qū)較為可靠的控制點(diǎn)進(jìn)行了校驗(yàn)，轉(zhuǎn)換后成果與實(shí)測基點(diǎn)對比統(tǒng)計(jì)，控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化后實(shí)測坐標(biāo)與控制點(diǎn)基準(zhǔn)坐標(biāo)相差均小于±0.054 m ，可見轉(zhuǎn)換成果的定位精度符合《水電水利工程施工測量規(guī)范》(DL/T 5173-2012) 的相關(guān)要求。

2.2.2 船體各傳感器相對位置的測量

船體坐標(biāo)系統(tǒng)定義船右舷方向?yàn)?X軸正方向，船頭方向?yàn)?Y軸正方向，垂直向上為 Z軸正方向。分別量取RTK天線、定位羅經(jīng)天線、接收換能器相對于參考點(diǎn)(三維運(yùn)動傳感器中心點(diǎn))的位置關(guān)系，往返各量一次，取其中值。

2.2.3 多波束系統(tǒng)水下探測作業(yè)

多波束探測系統(tǒng)主要針對某水電站消力池、近壩庫區(qū)，在探測過程中，相鄰測線覆蓋范圍重合至少 20%，為進(jìn)一步提高水下探測成果的可靠度，在作業(yè)過程中，須根據(jù)現(xiàn)場條件適時進(jìn)行聲速剖面的測量，且兩相鄰聲速剖面采集時間間隔不應(yīng)超過6 h。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用 PDS2000 數(shù)據(jù)采集軟件以及 CARIS HIPS and SIPS 實(shí)測數(shù)據(jù)后處理軟件共同進(jìn)行，實(shí)測數(shù)據(jù)的處理主要包括：實(shí)測數(shù)據(jù)的姿態(tài)校正處理、實(shí)測數(shù)據(jù)噪音干擾預(yù)處理、各條測線實(shí)測數(shù)據(jù)合并。完成數(shù)據(jù)合并后，對得到的水深及位置進(jìn)行精細(xì)處理，其主要內(nèi)容是對兩條相鄰測線重疊覆蓋范圍的噪音干擾逐一進(jìn)行篩選，刪除，以保留高精度的水深數(shù)據(jù)，見圖1(圖中灰色陰影即為刪除的噪音干擾)，最后，繪制等深線圖以及典型測線地貌圖。

圖1 多波束實(shí)測數(shù)據(jù)典型剖面噪聲干擾剔除示意圖

3 壩面完整性檢測成果分析

綜合某水電站設(shè)計(jì)資料分析，可得以下結(jié)論：某水電站上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀完整情況整體良好，另發(fā)現(xiàn)4處局部異常區(qū)域，由右岸至左岸依次編號為①至④，詳述如下：

1)①號異常：位于 10#壩段沖砂底孔入水口右岸側(cè)，多波束探測成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部磨損，面積約為 13.8 m(長)×6.0 m (高)。

2)②號異常：位于7#～9#壩段溢流壩段壩根)，多波束探測成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部磨損，面積約為16.5 m(長)×10.0 m (高)。

3)③號異常：位于5#～6#壩段壩根，多波束探測成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部磨損，面積約為9.7 m(長)×8.0 m (高)。

4)④號異常：位于地上廠房 5#進(jìn)水口前端右岸側(cè)壩根(圖 2和圖3)，多波束探測成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部開裂塌陷，面積約為 24.0 m(長)×8.5 m(高)，向下塌陷最大高差為 3 m。

圖2 缺陷④三維點(diǎn)云示意圖 缺陷④俯視圖

圖3 15#沖砂底孔喇叭口三維聲吶圖

15#沖砂底孔喇叭口探測結(jié)果(圖4和圖5)：運(yùn)用水下機(jī)器人搭載二維圖像聲吶和攝像頭對 15#沖砂底孔喇叭口進(jìn)行探測，探測成果表現(xiàn)為喇叭口內(nèi)部混泥土結(jié)構(gòu)基本完好，未發(fā)現(xiàn)較大范圍的裂縫、剝蝕等缺陷。

圖4 15#沖砂底孔探測效果圖

4 結(jié)語

本文以多波束測量技術(shù)為例，詳細(xì)闡述了設(shè)備的安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理等流程，綜合處理后得出該水電站上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀完整情況整體良好的結(jié)論。通過多波束測量技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例展示，充分展現(xiàn)了該技術(shù)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用價(jià)值，為水利工程質(zhì)量檢測方法提供了更多的可能。