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      便攜式多波束系統(tǒng)在消力池沖刷檢測中的應(yīng)用

      2022-07-07 06:52:02劉森波丁繼勝馮義楷陳義蘭
      人民黃河 2022年7期
      關(guān)鍵詞:消力消力池沖刷

      劉森波,丁繼勝,馮義楷,楊 龍,陳義蘭

      (自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061)

      據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2018年年底,我國大陸已建5 萬kW 及以上大中型水電站約640 座。 水電站為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展提供綠色動力的同時,還具有防洪、灌溉、航運(yùn)等多重作用。 水電站下泄水流的長期沖刷作用容易對消力池造成傷害,危及大壩安全。 對消力池的檢測既是大壩日常維護(hù)的內(nèi)容,也是保障大壩安全運(yùn)行的必要手段。 目前,常用的消力池沖刷和護(hù)岸穩(wěn)定性檢測手段是基于地形的多波束探測方法。 陳輝等[1]利用GeoSwath Plus 多波束對長江沉排護(hù)岸工程運(yùn)行狀況進(jìn)行了監(jiān)測,通過對不同時期的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,分析護(hù)岸工程的穩(wěn)定情況;趙鋼等[2-3]將SONIC 2024 多波束運(yùn)用到沉排水下鋪設(shè)質(zhì)量檢測中,準(zhǔn)確獲取了數(shù)據(jù),并將SONIC 2024 多波束與聲吶技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于水下表觀病害探測;周良玉[4]將多波束檢測技術(shù)應(yīng)用于水下整治建筑物施工中軟體排、深水袋裝砂及水下拋石控制,通過測量得到高精度水下建筑物圖像、位置和高程數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了水下隱蔽工程可視化與定量化分析,起到了較好指導(dǎo)施工的作用;湯小云等[5]將Seabat 8125 多波束系統(tǒng)用于水電站大壩側(cè)面平整度檢測,取得了良好效果,為大壩側(cè)面地形測量提供指導(dǎo)依據(jù)。

      多波束系統(tǒng)對水下地形具有高效探測能力,為了保證測量精度,作業(yè)前需要嚴(yán)格進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn),計算系統(tǒng)橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差。 多波束系統(tǒng)校準(zhǔn)對水下特征地形要求較高,且需要較長測線。 但是,受大壩下游空間狹窄的限制,校準(zhǔn)工作多有不便,甚至無法進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。 筆者將免校準(zhǔn)的便攜式多波束系統(tǒng)應(yīng)用于大壩下游消力池沖刷檢測,突破了狹小空間的限制,既方便安裝又保證了測量精度。

      1 多波束測量原理

      多波束測深系統(tǒng)利用回聲測深原理,通過換能器的發(fā)射波束模塊在水中發(fā)射聲波,接收波束模塊獲取相應(yīng)的回波,進(jìn)而得到從發(fā)射聲波到回波的時間,然后利用該時間來計算水深[6]。 波束位置計算原理如圖1 所示。

      圖1 波束位置計算原理示意

      假設(shè)c為平均聲速、t為聲波在水中傳播的雙程時間,則

      根據(jù)幾何關(guān)系,D、X計算式分別為

      在多波束測深中,除需進(jìn)行換能器吃水改正外,還應(yīng)進(jìn)行水位改正,最終水深H計算公式為

      通過接收連續(xù)的高密度波束點(diǎn)位置信息,獲取大壩下游及壩底的地形數(shù)據(jù)。 對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,找出異常變化區(qū)域,從而研判消力池的沖刷現(xiàn)狀。

      2 多波束測深系統(tǒng)組成

      多波束測深聲吶是一種大型組合設(shè)備,除其系統(tǒng)本身外,還包括定位、羅經(jīng)儀、姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集工作站和繪圖儀等配套設(shè)備[7]。 隨著技術(shù)和工藝的不斷提高,多波束系統(tǒng)越來越向著小型化、便攜化趨勢發(fā)展。 本文試驗(yàn)采用的設(shè)備為Teledyne ODOM MB2 多波束系統(tǒng),其換能器和控制主機(jī)均實(shí)現(xiàn)了小型化。 Teledyne ODOM MB2 多波束測深系統(tǒng)組成見圖2。 該型設(shè)備在換能器內(nèi)部集成了高精度定位定姿系統(tǒng),因此使用時無須校準(zhǔn)。 換能器固定安裝了Reson SV P70 實(shí)時表層聲速測量儀,可以實(shí)時進(jìn)行表層聲速改正,使測量精度進(jìn)一度提高。 該型多波束系統(tǒng)體積小、質(zhì)量小,方便安裝和拆卸,適用于大壩檢測、疏浚工程檢測等。

      圖2 Teledyne ODOM MB2 系統(tǒng)組成

      Teledyne ODOM MB2 多波束測深系統(tǒng)工作頻率為200~460 kHz,波束數(shù)10~256,波束開角為1.8°×1.8°,掃寬覆蓋角度范圍10°~140°,最大頻率達(dá)60 Hz,最大測深200 m。 利用該設(shè)備可對水電站消力池進(jìn)行精細(xì)掃測,獲取高分辨率水下地形數(shù)據(jù)。

      3 工程概況

      試驗(yàn)區(qū)位于某大型水利樞紐工程下游,該樞紐以發(fā)電為主,兼顧防洪和航運(yùn),自建成投產(chǎn)至今已安全運(yùn)行十幾年。 為了保障混凝土大壩的安全,亟須對大壩泄洪口下游消力池進(jìn)行檢測,排除不安全因素。 主要檢測消力池護(hù)坦及防沖段,護(hù)坦頂面高程30.6 m、長140 m、寬35 m,防沖段檢測區(qū)域長140 m、寬85 m。防沖段交錯均勻分布13 排消力墩,每個消力墩間隔2.5 m,底邊寬4.0 m,上邊寬2.5 m,垂高分別為0.5、1.0、1.5 m,消力墩頂面高程隨防沖段地形升高而逐排增大。 消力池檢測區(qū)域平面示意見圖3。

      圖3 消力池平面示意

      由于檢測區(qū)域空間狹小,大型多波束測深系統(tǒng)難以發(fā)揮作用,因此采用上文介紹的免校準(zhǔn)便攜式多波束測深系統(tǒng)獲取消力池底板高精度水下地形數(shù)據(jù),檢測消力池護(hù)坦和防沖段消力墩有無沖刷破損。

      4 試驗(yàn)與分析

      4.1 測量流程

      因場地狹小,故采用充氣式橡皮艇側(cè)舷安裝方式,搭載Teledyne ODOM MB2 多波束測深系統(tǒng)對檢測區(qū)域進(jìn)行全覆蓋測量試驗(yàn),取得該區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)。水下地形測量具體流程如下:①測前充分了解試驗(yàn)區(qū)概況,收集試驗(yàn)區(qū)水文、工程設(shè)計資料;②根據(jù)測區(qū)范圍及工作要求規(guī)劃測線,平行泄流方向規(guī)劃13 條測線,測線間距10 m;③將多波束換能器通過安裝桿固定到噪聲影響較小的位置上,正確連接多波束系統(tǒng)主機(jī)與各傳感器,準(zhǔn)確量取換能器、姿態(tài)傳感器相對于參考中心的位置偏移;④通過控制軟件設(shè)置換能器吃水、位置偏移和坐標(biāo)系統(tǒng);⑤在測區(qū)附近岸邊設(shè)立GPS 基站,同步記錄GPS 數(shù)據(jù);⑥進(jìn)行聲速剖面測量,并將聲速數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集軟件;⑦檢查各項設(shè)置無誤后,開始測量工作,并記錄原始數(shù)據(jù)。

      4.2 地形分析

      測量結(jié)束后,將基站數(shù)據(jù)連同姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,獲得精化后的姿態(tài)和定位成果。 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,包括姿態(tài)改正、吃水改正、水位改正、聲速改正和錯點(diǎn)剔除等,構(gòu)建檢測區(qū)域數(shù)字表面模型(DSM),見圖4。DSM 是地表包含了所有地物高程信息的模型表達(dá),它以規(guī)則格網(wǎng)的平面坐標(biāo)(x,y)表示位置,以高程坐標(biāo)(z)表示該格網(wǎng)的高程,準(zhǔn)確描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布和地形的高低起伏。 根據(jù)DSM 的這一突出特點(diǎn),通過地形分析,判斷檢測區(qū)域地表形態(tài)的變化,對比設(shè)計資料即可研判該區(qū)域的沖刷狀況。

      圖4 數(shù)字表面模型

      分析圖4可知,護(hù)坦表面相對平整,防沖段部分消力墩形態(tài)不規(guī)則。 為了定量分析消力池地形變化情況,分別對這兩個區(qū)域采用特征剖面法進(jìn)行地形分析。護(hù)坦特征剖面布設(shè)3 條,間隔10 m;防沖段特征剖面沿著消力墩中心位置,共布設(shè)13 條。 特征剖面布設(shè)示意見圖5。

      圖5 特征剖面布設(shè)示意

      特征剖面地形提取方法:從剖面線的起始點(diǎn)開始,沿剖面線每隔0.2 m 取一個點(diǎn),獲取所有點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值,以起始點(diǎn)為里程原點(diǎn)、里程為橫軸、高程為縱軸繪制地形。 護(hù)坦1 號~3 號特征剖面地形見圖6。

      圖6 護(hù)坦1 號~3 號特征剖面地形

      由圖6可知,護(hù)坦地形高低起伏,說明存在沖刷和淤積的情況。 護(hù)坦1 號~3 號特征剖面地形數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

      表1 護(hù)坦特征剖面地形數(shù)據(jù)統(tǒng)計 m

      由表1 數(shù)據(jù)可知,高程整體差異不大,表明護(hù)坦?fàn)顩r良好,但存在不同程度的沖刷和淤積,最大沖刷深度位于2 號剖面,達(dá)到0.10 m,沿水流方向淤積厚度逐漸增大。

      用同樣的方法對防沖段地形進(jìn)行分析。 以防沖段起始位置4 號剖面、中間位置11 號剖面和結(jié)束位置16 號剖面為例,分析消力墩沖刷狀況,見圖7。

      狀況良好的消力墩形狀反映在特征剖面上應(yīng)是規(guī)則的梯形。 圖7 顯示,部分消力墩形狀不規(guī)則,甚至缺失,表明消力墩長期受水流沖刷作用造成了不同程度的損壞。 4 號剖面消力墩中間高程明顯高于消力池底高程,說明此處有淤積情況,淤積厚度約0.5 m,此處消力墩基本完好,結(jié)合護(hù)坦的淤積情況分析,此處的淤積可能是河卵石堆積體。 11 號剖面消力墩存在不同程度受損,16 號剖面消力墩損壞比較嚴(yán)重。

      圖7 防沖段4 號、11 號、16 號特征剖面地形

      統(tǒng)計4 號~16 號剖面消力墩損壞數(shù)量情況表明,隨著防沖段地勢的升高,消力墩損壞程度趨于嚴(yán)重,損壞的消力墩數(shù)占總數(shù)的36.7%。 應(yīng)根據(jù)設(shè)計資料,通過人工摸排或水下攝像確認(rèn)現(xiàn)狀,分析原因,及時采取有效措施排除安全隱患。

      4.3 精度分析

      Teledyne ODOM MB2 多波束系統(tǒng)集成了Applanix公司的高精度POS 姿態(tài)和Trimble 方位一體化測量系統(tǒng)。 馮義楷等[8]已通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的精度:基于GNSS 方位輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理及技術(shù),定位精度可以達(dá)到優(yōu)于2 cm 級別,方位角精度可以優(yōu)于0.01°(依賴于雙GNSS 天線之間的基線長度),該技術(shù)對水下地形測量準(zhǔn)確度提升作用顯著。 因此,對于平面定位精度本文不再討論,只討論測深精度。

      測量區(qū)域?qū)嶋H水深3~20 m。 根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》(SL 197—2013)的規(guī)定:水深≤20 m 時,深度比對互差≤0.4 m;水深為1~10 m 時,測深中誤差≤0.15 m;水深為10~20 m 時,測深中誤差≤0.20 m;深度比對超限點(diǎn)數(shù)超過參加比對總點(diǎn)數(shù)的20%時應(yīng)進(jìn)行重測。 本文共選取檢核點(diǎn)202 個,以互差中誤差作為測量誤差。測深精度統(tǒng)計結(jié)果見表2。

      表2 測深精度統(tǒng)計

      由表2可知,202 個檢核點(diǎn)中,互差小于0.4 m 的點(diǎn)有197 個,占檢核點(diǎn)總數(shù)的97.52%;互差≥0.4 m 的點(diǎn)有5 個,占檢核點(diǎn)總數(shù)的2.48%。 除去5 個互差超限的點(diǎn),互差中誤差為7.3 cm。 結(jié)果表明,本次試驗(yàn)的水深測量精度符合《水利水電工程測量規(guī)范》(SL 197—2013)的規(guī)定,檢測數(shù)據(jù)可靠。

      5 結(jié)論

      分析了多波束測深的原理,利用免校準(zhǔn)的便攜式多波束測深系統(tǒng),基于地形分析方法檢測了消力池的沖刷狀況。 便攜式多波束測深系統(tǒng)具有高度集成、體積小、質(zhì)量小、免校準(zhǔn)、易安裝的優(yōu)點(diǎn),在狹長河道具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢,值得同類工程借鑒應(yīng)用。 多波束系統(tǒng)既可發(fā)揮前期探查作用,又可提供定量依據(jù),與人工摸排和水下機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合可發(fā)揮更大、更有效的作用。

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