航道整治疏浚工程炸礁工后檢測方法分析

◎ 呂圣華 廣東正方圓工程咨詢有限公司

在諸多航道檢測方法中，施工單位一般會選擇使用單波束測量與多波束測量方法，或者聯(lián)合軟硬掃床檢測技術(shù)，以此掌握炸礁位置的水下地形情況，但單波束檢測方法會因為測點間的間距差異，無法達到全面覆蓋檢測的要求。所以，有必要在炸礁后采用多波束技術(shù)，使水深測量探測從“點線”測量發(fā)展為“線面”測量，通過檢測技術(shù)的應用，降低施工安全風險，提升作業(yè)效率，為其他疏?；蚝降勒喂こ痰恼ń甘┕ぬ峁┙梃b與參考。

1.水下炸礁工藝

一般情況下，深水港口航道建設(shè)與運行常會遇到礁石阻礙，給航道整治與疏浚工程施工帶來麻煩，需根據(jù)礁石的實際分布情況采取炸礁措施，排除礁石帶來的安全隱患。航道整治工程中的建筑物常常位于迎流頂沖位置，伴隨著河床的變化與水流的不斷沖刷，建筑物四周容易損毀，隨著損毀的加劇，航道建筑物將會存在安全隱患。在炸礁之后的礁石清理環(huán)節(jié)，需要采用相應檢測技術(shù)判斷礁石所在的位置，根據(jù)礁石分布情況，聯(lián)合水下水深地形條件進行施工安排，提高現(xiàn)場施工安全技術(shù)，從而高效完成炸礁施工作業(yè)，給航道疏浚與整治工程建設(shè)創(chuàng)造良好的條件。應用檢測技術(shù)掃描水下炸礁后的寬度，判斷水深情況，掌握炸礁作業(yè)效率，從而提高后續(xù)工程施工進度[1]。

2.航道整治疏浚工程炸礁工后檢測方法應用

2.1 多波束檢測方法

2.1.1 工程概況

某流域的炸礁工程中，航道里程共計101.2公里，按內(nèi)河Ⅱ級航道通航標準建設(shè)，航道設(shè)計尺度為3.5米×80米×550米（航道水深×寬度×彎曲半徑)。主要建設(shè)內(nèi)容包括疏浚、炸礁、筑壩、護岸、航標、信息化及配套工程、跨河纜線工程等，全線共整治灘險43處。工程決定主要采用多波束地形掃測技術(shù)，聯(lián)合三維圖像聲吶檢測方法，實現(xiàn)對炸礁后的工程檢測，確保航道通行效果[2]。

2.1.2 多波束水下地形掃測

多波束探測系統(tǒng)適合用于范圍較大的航道中，且測量精度較高，最終可生成三維圖像，目前該技術(shù)已經(jīng)被人們用于航道整治工程中的建筑物檢測與水下地形檢測中，對于細節(jié)部位有著較高的識別度，能夠修正檢測結(jié)果對于船舶姿態(tài)造成的不利影響。項目采用多波束測深系統(tǒng)，這是一種Sea Bat 7125 SV2型高分辨率聲吶系統(tǒng)，在測量點處固定安裝多波束檢測裝置，聯(lián)合7K Control軟件與PDS2000軟件完成數(shù)據(jù)采集工作，對各處傳感器有效控制，完成數(shù)據(jù)采集與顯示等工作。檢測期間，先建立測量項目，數(shù)據(jù)采集過程大致如下：首先，新建項目之前利用可以控制測區(qū)的控制點，計算各項參數(shù)；其次，采用直線段取范圍線，將其保存成dxf的格式，隨后新建檢測項目；最后，打開控制軟件，選擇適合當前水深的頻率，比如400kHz，設(shè)備科自動采集數(shù)據(jù)。軟件中的Realtime可向工作人員顯示畫面，比如檢測到的平面圖與立面圖[3]。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理

Caris軟件處理采集到的數(shù)據(jù)，相應操作流程如下：（1）建立船型文件，文件日期為檢測開始之前的日期，文件可用于將多波束系統(tǒng)指出傳感器安裝的位置與偏轉(zhuǎn)角等信息。（2）新建項目工程，日期為檢測當天的日期。導出檢測文件，打開新建工程，添加當日潮位與剖面聲速文件，將所有數(shù)據(jù)進行融合處理。（3）選中導入的測線文件，截取部分剖面，使其在不同的視圖之下做出條帶編輯，剔除其中的跳點。（4）建立表單文件，可同時建立多個文件，從而獲得橫道某個區(qū)域的具體水深數(shù)據(jù)。（5）建立基礎(chǔ)曲面，選擇某個比較狹小的剖面，在平面視圖與三維視圖下分塊編輯，從中剔除跳點。（6）將未掃描到的區(qū)域采用內(nèi)插的方式得到巷道水深數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)輸出，要求輸出1m的格網(wǎng)水下地形數(shù)據(jù)。圖1為數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后的三維成果圖。

圖1 立體成果圖

2.1.4 成果質(zhì)量檢驗

為檢驗多波束技術(shù)應用后炸礁工藝效果，本項目同時也會聯(lián)合以往的掃床方式完成工程質(zhì)量檢驗?，F(xiàn)階段巷道整治工程中的硬掃床主要有橫式掃床與順式掃床兩種方式，需要按照水位與水深情況，聯(lián)合炸礁工藝特點確定具體內(nèi)容。本項目中炸礁施工電位的汛期流速超過了1.5m/s，炸礁區(qū)有設(shè)計炸礁邊坡，為了保證周圍安全，本文從安全角度入手，決定選擇大型作業(yè)船展開橫式掃床的檢測作業(yè)，前期確認水深后，掌握水深是否達到了設(shè)計標高，以此為基礎(chǔ)將工程船看作是掃床作業(yè)平臺，桿上設(shè)置掃床架完成橫式掃床工作，整個工程船主要包含2根主纜與左右4根橫移鋼纜，從而對船位加以固定，依靠左右橫移鋼纜達到船位移動的掃床效果。

為了進一步驗證炸礁區(qū)域的炸礁施工效果能否達到技術(shù)規(guī)范，保證掃桿下的水深與掃床質(zhì)量，實現(xiàn)掃測范圍的全面覆蓋，本項目決定采用的技術(shù)要點如下：（1）采用橫豎桿與斜支桿組裝掃床架，中部位置額外增加橫桿，以達到加強的作用，提高入水部分的強度。（2）底部掃桿重疊一根架桿，焊接在一起，避免掃桿在水流的影響之下發(fā)生受力變形問題。（3）掃床架橫掃桿的位置可以使用1根較細的鋼纜，鋼纜繩可用于樹枝掃桿應用中變形問題的檢測分析。（4）根據(jù)檢測的實際情況的，對掃測船的側(cè)錨走向做出調(diào)整，確保掃測船此時可以達到最佳掃測模式，實現(xiàn)檢測范圍的全面覆蓋，同時保證檢測工作的安全可靠。表1為本次掃測后的最大寬度與分辨率情況。

表1 最大掃測寬度和分辨率情況統(tǒng)計

當前施工單位應用的是多波束系統(tǒng)，可以一次性發(fā)射攻擊512個聲波波速，在等距模式下，波束的掃測角度最大可以達到140°，處于不同的水深情況下，測量寬度與分辨率也會有所不同。比如在水深達到30m的時候，經(jīng)過3次防腐檢測可以達到3.6m的測量點間距，此時可以檢測到炸礁之后的細小礁石，掌握當前水下地形情況，為細小礁石清理與航道疏浚工作的開展創(chuàng)造有利條件。

對于作業(yè)效率的檢測，過去的硬式掃床需要在單波束技術(shù)下對水下地形進行初步的檢測分析，在沒有找到淺點的情況下開始硬式掃床，但是掃描床會根據(jù)攬勝的收放情況做出移動調(diào)整，整體移動比較緩慢，掃床的同時水位會有較大的變化，此時人們要根據(jù)水位情況做出掃桿入水深度的及時調(diào)整，此時的掃床作業(yè)效率比較低。對此，在多波束檢測系統(tǒng)的應用下無需先展開單波束的地形測量，可直接掃床，將船的速度控制在每小時低于10km的速度即可，測量時系統(tǒng)會按照GPS測量得到的水面高度做出水位補償，從而有效提高作業(yè)效率[4]。

2.2 水下探摸攝像檢測方法

該檢測方法一般需要搭建專業(yè)攝像平臺，將攝像機和水下電視進行連接，操作人員可以按照監(jiān)控系統(tǒng)對潛水人員加以指揮和安排，順著定位軌跡完成炸礁后的各項檢測作業(yè)。潛水人員和操作人員會相互溝通當前水下實際情況，同時完成水下攝像取樣工作，如果炸礁后發(fā)生了被沙淤埋的問題，可采用高壓水槍進行清理，然后再繼續(xù)攝像作業(yè)。潛水人員會按照實際檢測情況制作檢測報告，檢測人員會按照報告內(nèi)容組織相關(guān)資料，為接下來的炸礁后施工安排提供更加科學準確的檢測結(jié)果。水下攝像系統(tǒng)檢測技術(shù)可以直觀的進行檢測工作，人們可清晰的看到炸礁之后的水下構(gòu)筑物當前狀態(tài)，潛水人員清除水下障礙物時刻根據(jù)水下攝像檢測結(jié)果，完成各項施工作業(yè)，但是該項檢測技術(shù)容易受到水流流速與水深等因素的干擾，或者構(gòu)筑物淤埋情況也會影響檢測效果。因此，可將該檢測技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合使用，最大程度上提高檢測效率。

2.3 三維圖像聲吶檢測法

在采用三維聲吶檢測方法之前，人們應用的二維圖像聲吶檢測方法，即通過發(fā)射聲波在物體與河床表面的吸收與反射等情況，一部分散射能量會沿著聲波的發(fā)射方向回到換能器，設(shè)備會對這部分能量接收，同時聲吶的探頭會按照一定的角速度繞著豎直軸完成旋轉(zhuǎn)，每一次都會重復聲波發(fā)射與接收的步驟，完成對周圍目標掃描探測分析，但是該技術(shù)只能完成簡單距離下的測量工作，對于復雜的水下情況，炸礁之后的檢測工作應當使用三維聲吶檢測方式。

三維圖像聲吶系統(tǒng)也被叫做“水下三維全景成像聲吶探測系統(tǒng)”，系統(tǒng)可以直接生成水下地形情況與目標物圖像，圖像分辨率較高。三維圖像聲吶一般是在聲學閃耀陣列的作用下，將頻率不同的聲波按照相應的角度成功輻射為扇面，頻率不同，所對應的輻射角度也會不一樣，聲波在經(jīng)過目標反射之后將會被專門的聲學接收器成功接收，為后續(xù)檢測人員的研究分析奠定基礎(chǔ)。圖2為三維聲吶檢測效果圖。

圖2 三維聲吶檢測效果圖

三維圖像聲吶在低于30m的范圍之內(nèi)，測量的長度誤差可以達到4cm以下，角度誤差不會超過1°。球星掃測一周需要10分鐘左右的時間，時刻用于范圍較小的定點掃描，不適宜進行動態(tài)掃描分析，最終得到的三維立體圖像可以幫助檢測人員識別更多細節(jié)內(nèi)容。但該技術(shù)掃測范圍較小，不適合完成炸礁后水下建筑物整體狀態(tài)的檢測分析，必須在建筑物周圍同時設(shè)置不同的測量點，整體數(shù)據(jù)量采集與分析工作量較大。單站測量環(huán)節(jié)，掃描過程必須達到測量基準相同，測量時對于數(shù)據(jù)平臺的安全性與穩(wěn)定性要求比較高。在面對淤埋構(gòu)筑物的時候，建議使用多波束檢測方法。

2.4 三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)檢測方法

這一檢測方法主要依靠了相應的地層剖面系統(tǒng)，系統(tǒng)包含電源箱、震源、水聽器纜以及采集單元等部分構(gòu)成，系統(tǒng)可用于海水和淡水環(huán)境下，檢測后能夠得到高分辨率三維數(shù)據(jù)，穿透力可達到河床之下300m位置的深度，這是過去淺地層剖面儀無法達到的穿透深度。當炸礁后河道整治工程與疏浚工程對于水下剖深與分辨率有著較高的要求時，多數(shù)操作人員都會使用電火花剖面系統(tǒng)完成檢測工作。

三維電火花剖面系統(tǒng)所提供的是針對底層沉積與掩埋物的三維圖像，可對于埋在水下的物體做出目標探測，例如對水下管道和錨鏈檢測分析。過去人們在二維圖像中只能依靠多年經(jīng)驗做出水下目標物位置與埋深的判斷，或者工作人員經(jīng)過多條測量線的測量分析后才能依靠特定軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)。但是三維電火花剖面系統(tǒng)不一樣，系統(tǒng)可以向工作人員提供更加直觀的水底掩埋的目標物圖像。在航道疏浚工程中，炸礁工藝后采用該系統(tǒng)可以獲得較好的勘測效果，航道疏浚工程勘測工作中，三維電火花勘測系統(tǒng)要求船體長度達到25m以上，寬度達到6m以上，船體尾部要按照船只的實際情況來決定，船只運行時噪音與動力之間成正比，所以建議應用轉(zhuǎn)速偏低的推進器。

3.總結(jié)

總而言之，隨著社會的進步與發(fā)展，人們對航道疏浚與整治工程提出了越來越高的要求，炸礁之后需要采用不同的水下檢測技術(shù)，檢測方法的應用將會對工程質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。根據(jù)炸礁工藝的實施情況，聯(lián)合使用多波束檢測、水下探摸攝像檢測、三維圖像聲吶檢測方法，提高檢測效率與檢測精度。