譚博珍

摘 要：使用多波束和三維聲吶測量技術(shù)對某碼頭工程基床前肩構(gòu)造及沉箱安放的施工效果進(jìn)行檢測，將水下隱蔽工程圖像化，直觀地反應(yīng)隱蔽工程的全貌，為隱蔽工程的檢驗(yàn)與缺陷的修護(hù)提供依據(jù)和可視化的資料。

關(guān)鍵詞：多波束;三維聲吶;檢測

1引言

在碼頭工程中，多波束測量技術(shù)掃測精度較高，能直觀、準(zhǔn)確地判斷海床面的地形情況，是航道、港池、基床施工后重要檢測手段。三維聲吶系統(tǒng)水下目視檢測是利用目力、水下照相或錄像進(jìn)行檢測的方法[1，2]，該方法能在含沙量大、能見度低、水下地形復(fù)雜的環(huán)境中，通過三維圖像清晰反映水工結(jié)構(gòu)真實(shí)場景。本文以工程實(shí)例，結(jié)合多波束和三維聲吶成像兩者技術(shù)的結(jié)合，通過檢測手段，可視化施工效果，利于碼頭水下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢查和修復(fù)。

2工程概況

廈門港古雷港區(qū)某泊位工程位于古雷半島西側(cè)東山灣灣口東側(cè)，碼頭長349m，15萬噸級通用泊位。碼頭基床頂標(biāo)高為-19.50m，結(jié)構(gòu)采用連片式方沉箱結(jié)構(gòu)（共18個(gè)沉箱），沉箱尺寸為長18.75m×寬19.1m×高22.2m，趾長1.0m。沉箱安裝完后，因外部環(huán)境影響，工程停工長達(dá)1年，且碼頭前沿柵欄板尚未安裝。復(fù)工前，采用多波束和三維聲吶測量技術(shù)對基床前肩、沉箱安裝質(zhì)量檢查，為后續(xù)施工或缺陷修復(fù)提供依據(jù)。沉箱安裝平面圖見圖1所示。

3工作原理

3.1 多波束掃測

水深掃測采用美國Trimble SPS461信標(biāo)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位，配合SeaBat T50-P寬帶多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。在水深掃測的同時(shí)，設(shè)立臨時(shí)潮位站進(jìn)行人工同步潮位觀測，用于多波束后處理數(shù)據(jù)的潮位改正，水深掃測全覆蓋測量范圍。

系統(tǒng)包括SeaBat T50-P處理器;接收/發(fā)射換能器;數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī);OCTANS光纖羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器;HY1200聲速剖面儀;SPS461接收器;專用安裝支架;PDS2000導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集軟件;Carise Hips數(shù)據(jù)處理軟件。多波束系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示;現(xiàn)場測量圖見圖3所示。

3.2 三維聲吶系統(tǒng)

水下三維聲吶系統(tǒng)（BV5000）首先通過聲吶頭發(fā)射一個(gè)頻率1.35MHZ的脈沖信號，形成一個(gè)45°*1°的扇形掃描區(qū)域，每個(gè)脈沖包含256個(gè)聲學(xué)波束，以相同間隔排列在垂直方向上，即每個(gè)波束的間距為0.178°，系統(tǒng)接收到目標(biāo)物反射的信號后，結(jié)合波束形成、波束指向、振幅及相位檢測等技術(shù)，得到扇形區(qū)域256個(gè)點(diǎn)與換能器的位置信息，生成1個(gè)2D圖像，再通過計(jì)算機(jī)控制云臺(tái)在水平方向上360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)檢測目標(biāo)物不同部位的位置信息，最終形成3D圖像。

系統(tǒng)設(shè)備包括聲吶頭、云臺(tái)、接線盒及數(shù)據(jù)傳輸電纜等。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖4所示，現(xiàn)場測量圖見圖5所示。

4檢測內(nèi)容

4.1基床前肩

檢查暗基床寬度、標(biāo)高與坡度情況，即前肩寬度是否滿足規(guī)范要求，是否存在局部超高或欠拋。

4.2沉箱安裝

檢查沉箱接縫寬度以及安裝過程碰損情況。定性分析沉箱接縫破損情況，對于較大接縫進(jìn)行定量分析，對明顯的異常情況進(jìn)行排查。

5數(shù)據(jù)分析

5.1沉箱安裝

5.1.1沉箱安裝接縫

沉箱接縫寬度自北向南進(jìn)行編號，共18個(gè)接縫。對BV5000獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與實(shí)際量測尺寸比對。沉箱設(shè)計(jì)高度為22.2m，按《水運(yùn)工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，沉箱高度超過10m，允許最大接縫寬度應(yīng)為8H/1000=177.6mm。

根據(jù)比對數(shù)據(jù)，有16個(gè)合格，合格率89%，沉箱接縫寬度分析見表1。另外，9#接縫相鄰沉箱錯(cuò)位明顯，錯(cuò)位約20cm。

選取8#沉箱安裝后接縫寬度，上部用直尺實(shí)際量測，水下用三維聲吶系統(tǒng)生成的3D結(jié)構(gòu)圖像化，能準(zhǔn)確反映沉箱安裝質(zhì)量。從8#沉箱安裝數(shù)據(jù)分析，基床未夯實(shí)而發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致沉箱之間的縫寬超出設(shè)計(jì)和規(guī)范允許偏差。對沉箱縫寬不合格的情況，在后續(xù)后沿棱體拋石需特殊處理。? 實(shí)測與三維聲吶數(shù)據(jù)對比見圖6所示。

5.1.2沉箱前趾

沉箱前趾在三維聲吶系統(tǒng)生成的3D結(jié)構(gòu)圖像能清晰的反映出沉箱前趾大量堆積物，整個(gè)前趾已被覆蓋，無法對其施工效果進(jìn)行定性定量分析，待清淤后重新掃測。沉箱前趾生成的3D結(jié)構(gòu)圖像見圖7所示。

5.2基床前肩

多波束掃測后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析能反映基床前肩淤積大量的淤泥，無法準(zhǔn)確量取寬度、高程，必須清理淤泥后重新掃測。不過通過對比實(shí)測斷面和設(shè)計(jì)斷面，未發(fā)現(xiàn)欠拋現(xiàn)象?；睬凹缍嗖ㄊ鴴邷y圖見圖8所示。

6結(jié)論

（1）三維聲吶系統(tǒng)（BV5000）精度高、成像清晰，且通過可視化直觀反映水下結(jié)構(gòu)狀況，為水下結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢查和缺陷修復(fù)提供重要的技術(shù)手段。

（2）SeaBat T50-P多波束測量技術(shù)能高精度、全覆蓋，準(zhǔn)確測量出水下地形地貌，數(shù)據(jù)處理分析與三維聲吶系統(tǒng)成像結(jié)果基本吻合。

（3）本次測量中，三維聲吶系統(tǒng)仍然存在不足，受環(huán)境因素、水流因素、操作方法或設(shè)備自身缺陷，對于微小缺陷不能直觀反映。但它借助三維顯示技術(shù)，可提供水下目標(biāo)外形輪廓的更多細(xì)節(jié)描述，是目前水下細(xì)部結(jié)構(gòu)檢測比較先進(jìn)的手段[3，4]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程志虎.水無損檢測技術(shù)綜述下[J]. 無損檢測， 1997， 19（9）：266-269.

[2] 張劍波.水下結(jié)構(gòu)物檢測與維修技術(shù)概論[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[3] 戴林軍，郝曉偉，吳靜，等.基于三維成像聲吶技術(shù)的水下結(jié)構(gòu)探測新方法[J]. 浙江水利科技， 2013， （3）：62-65.

[4] 時(shí)振偉，劉翔，張建峰，等.三維成像聲吶BV5000在水下測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 氣象水文海洋儀器，2013（3）：48-52.