多波束測(cè)深技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用

鞏維屏，滕忠雪

（松遼委察爾森水庫(kù)管理局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

1 概況

察爾森水庫(kù)泄洪洞是水庫(kù)樞紐工程主要建筑物之一，水庫(kù)建設(shè)期間其主要功能為施工導(dǎo)流，工程建成后主要承擔(dān)泄洪、發(fā)電、灌溉、生態(tài)供水等任務(wù)，為圓形有壓隧洞，泄洪洞全長(zhǎng)392 m，洞徑6.0 m，主要由進(jìn)口建筑物、調(diào)壓井、出口建筑物組成。進(jìn)口設(shè)有沉砂池、攔污柵等設(shè)施，進(jìn)口底高程336 m，水庫(kù)蓄水后由于施工期對(duì)泄洪洞進(jìn)口岸坡防護(hù)不到位，經(jīng)常有岸坡浮石落入進(jìn)口，特別是1998年大水期間，進(jìn)口塌岸嚴(yán)重，大量塌滑物落入泄洪洞進(jìn)口攔污柵前，致使攔污柵無(wú)法正常啟閉，為了保證泄洪洞正常功能不受影響，1999—2002年期間對(duì)進(jìn)口岸坡采用漿砌石進(jìn)行了護(hù)砌，并對(duì)洞口淤積物進(jìn)行了清理，由于當(dāng)時(shí)條件限制未能從根本徹底清除洞口淤積物，在進(jìn)行攔污柵檢修時(shí)，落石進(jìn)入攔污柵底，致使攔污柵無(wú)法回位，每到供水發(fā)電期都有部分石塊進(jìn)入洞內(nèi)，嚴(yán)重威脅著水輪發(fā)電機(jī)組的安全，為保證泄洪洞功能正常發(fā)揮和發(fā)電機(jī)組安全，借察爾森水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程施工機(jī)會(huì)對(duì)泄洪洞進(jìn)口淤積物進(jìn)行徹底清理。據(jù)水下成像探測(cè)估算淤積物體積約為300 m3（寬14 m，長(zhǎng)25 m，堆積厚度為0.3～1.5 m）。2016年10月，利用察爾森水庫(kù)庫(kù)水位較低的有利條件，施工單位組織對(duì)進(jìn)口淤積物進(jìn)行了清理。

2 淤積物清理檢測(cè)

為了檢查清理效果，建設(shè)單位組織對(duì)泄洪洞進(jìn)水口攔污柵附近清淤物清理效果進(jìn)行定量檢測(cè)，首次檢測(cè)采用GNSS（RTK）配合單波束測(cè)深儀對(duì)該部位進(jìn)行了全面水下測(cè)量，期間恰逢庫(kù)區(qū)季風(fēng)時(shí)節(jié)，水面風(fēng)浪較大，測(cè)量船只較難控制，水下地形測(cè)量點(diǎn)的密度很難達(dá)到較密的程度，對(duì)水下地形測(cè)量的高程精度造成較大影響，測(cè)量數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)圖紙差別較大，測(cè)量成果不能直觀、清晰地反映水下清淤的情況。鑒于單波束測(cè)深儀的局限性，經(jīng)認(rèn)真研究，決定采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的測(cè)深手段——多波速測(cè)深技術(shù)，對(duì)泄洪洞進(jìn)口攔污柵及附近地形進(jìn)行全面試驗(yàn)性掃測(cè)，從而獲取進(jìn)口附近水下障礙物信息。

多波束測(cè)深技術(shù)是利用發(fā)射換能器陣列向水下發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)水下地形、地貌、障礙物的照射，探測(cè)水下被測(cè)點(diǎn)的水深值變化，可靠地描繪出水下地形的三維特征的先進(jìn)測(cè)深技術(shù)。

2.1 掃測(cè)區(qū)域確定

根據(jù)進(jìn)口建筑物布置形式，參考原有設(shè)計(jì)圖紙和測(cè)量資料確定察爾森水庫(kù)泄洪洞進(jìn)口淤積物堆積范圍掃測(cè)主要為一個(gè)測(cè)試區(qū)域，測(cè)區(qū)長(zhǎng)約230 m，寬50～100 m。

2.2 測(cè)試設(shè)備

1）MS400多波束測(cè)深系統(tǒng)組成。

為準(zhǔn)確獲取水下淤積物信息，此次采用MS-400高頻淺水多波束測(cè)深儀，該設(shè)備主要面向內(nèi)河、港口、航道、海岸線等淺水領(lǐng)域應(yīng)用，擁有便攜式、高分辨率和高性能等方面的特點(diǎn)，可將操作人員的現(xiàn)場(chǎng)工作減少到最小。內(nèi)置姿態(tài)儀，將聲學(xué)基陣與姿態(tài)測(cè)量集成于一體，可免去用戶測(cè)量時(shí)安裝校準(zhǔn)的繁瑣過(guò)程，同時(shí)也兼容外部高精度姿態(tài)儀。工作過(guò)程中換能器發(fā)射與接收聲波信號(hào)，通過(guò)換能器電纜將聲吶單元（包含多波束信號(hào)處理單元，數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)通信控制單元）與換能器連接進(jìn)行信號(hào)傳輸，經(jīng)系統(tǒng)軟件運(yùn)行平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)后處理，利用設(shè)備內(nèi)部集成的多波束外圍設(shè)備衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供高精度GNSS定位，艏向和三維姿態(tài)補(bǔ)償信息SVS1500表面聲速儀實(shí)時(shí)提供換能器表面的聲速，多波束外圍設(shè)備SVP1500聲速剖面儀提供測(cè)量區(qū)域聲速剖面數(shù)據(jù)，進(jìn)行多波束聲線改正。

2）關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3 多波束測(cè)深原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水下發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)水下地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的水下被測(cè)點(diǎn)的水深值變化，比較可靠地描繪出水下地形的三維特征。與現(xiàn)場(chǎng)采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。

4 測(cè)量實(shí)施

4.1 設(shè)備安裝

多波束測(cè)深系統(tǒng)換能器（內(nèi)置GNSS慣導(dǎo)系統(tǒng)）采用舷側(cè)懸掛安裝方式，使用專門設(shè)計(jì)的安裝支架將換能器穩(wěn)固安裝在測(cè)量船的右舷下方，換能器下底面低于船底面；兩個(gè)GPS天線安裝在與船龍骨線平行的位置；多波束測(cè)深系統(tǒng)的甲板單元、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)布設(shè)在船上合適位置。

4.2 測(cè)量航跡線

由于此次測(cè)量區(qū)域緊靠水庫(kù)大壩泄洪洞進(jìn)口，測(cè)量區(qū)域的面積小，并且測(cè)量水域有一部分被壩體包圍，船體無(wú)法進(jìn)入這一水域進(jìn)行掃測(cè)，所以選擇船體沿著大壩方向，保證測(cè)量設(shè)備安全的條件下進(jìn)行測(cè)量，盡可能靠近被測(cè)區(qū)域。

4.3 數(shù)據(jù)采集

多波束測(cè)量過(guò)程中，船只沿著大壩行進(jìn)，航速保持穩(wěn)定，控制在2節(jié)左右。多波束測(cè)深系統(tǒng)配套的顯控軟件和導(dǎo)航軟件運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)上，完成設(shè)備工作控制、數(shù)據(jù)采集顯示和測(cè)量導(dǎo)航功能。

使用多波束顯控軟件，可以控制多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作狀態(tài)及其工作參數(shù)。實(shí)時(shí)地顯示出多波束水體圖像數(shù)據(jù)和水下剖面數(shù)據(jù)結(jié)果。測(cè)量過(guò)程中，多波束測(cè)深系統(tǒng)采用了143°開(kāi)角的覆蓋扇面，最大覆蓋寬度達(dá)到6倍水深。多波束采集導(dǎo)航軟件完成數(shù)據(jù)采集記錄、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示、多波束彩色地形實(shí)時(shí)顯示、測(cè)量船航跡線和偏航提示等功能。導(dǎo)航軟件實(shí)時(shí)顯示出已測(cè)區(qū)域的深度分布和測(cè)量覆蓋情況。

5 數(shù)據(jù)處理及成果

5.1 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，使用多波束后處理軟件Hypack進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理過(guò)程中Hypack軟件中顯示的每條線為多波束單次測(cè)量（每Ping）得到的海底地形剖線，圖中顯示出多波束連續(xù)40Ping測(cè)量的地形結(jié)果，可以看出測(cè)區(qū)地勢(shì)情況，較好地呈現(xiàn)了地形形態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)圖呈現(xiàn)出壩體斜坡的地形特點(diǎn)，從某一視圖角度可以看出水下地形為左高右低，呈斜坡?tīng)?，深度變化明顯，地形清晰顯著。通過(guò)測(cè)量顯示器明顯的看出泄洪洞進(jìn)口水下前方沉砂池部分地形，沉砂池邊沿地形變化連接自然，池內(nèi)凸起逼真，較好地反映出沉砂池地形形態(tài)，沉砂池結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)圖紙一致。

5.2 測(cè)量成果

5.2.1 實(shí)測(cè)水下三維地形

數(shù)據(jù)處理完成后，生成測(cè)量區(qū)域的三維測(cè)量數(shù)據(jù)（XYZ數(shù)據(jù)）。使用多波束處理軟件圖功能模塊，生成測(cè)量區(qū)域的三維地形圖，通過(guò)地形圖清晰地反映出泄洪洞進(jìn)口建筑物結(jié)構(gòu)和淤積物位置。

5.2.2 測(cè)量成果圖

測(cè)量區(qū)域?yàn)?0 m×10 m的方形水域，生成的三維地形圖清晰地顯示出大壩泄洪洞進(jìn)口水下地形情況。從地形圖中可以看出泄洪洞進(jìn)口下方靠攔污柵左側(cè)和右側(cè)處有凸起的地形，左側(cè)凸起面積約8 m2，右側(cè)凸起約4 m2，平均堆積高度0.5 m。為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)量結(jié)束后專門派潛水員進(jìn)行有目標(biāo)的水下探測(cè)，潛水員探測(cè)描述與多波束掃測(cè)結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了多波束測(cè)量的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)先進(jìn)的多波束水下測(cè)量技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用，更加準(zhǔn)確地確定了察爾森水庫(kù)泄洪洞進(jìn)口淤積物具體情況，有效地縮短了水下測(cè)量時(shí)間，為水下測(cè)量提供工準(zhǔn)備的清理范圍和工程量，為清理泄洪進(jìn)口水下淤積物清理提供了可靠的地形依據(jù)，從而保證清理質(zhì)量，克服了以往水下測(cè)量由于環(huán)境影響、設(shè)備精度、測(cè)量方法等造成的誤差，同時(shí)也通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了多波束技術(shù)的先進(jìn)性和水下測(cè)量的準(zhǔn)確性。