程智慧 康路遙 蔡林桓

摘 要：在航道整治工程中，受客觀水文環(huán)境的影響，難以掌握水下拋石技術(shù)狀況，而傳統(tǒng)的拋石檢測方法存在很多制約因素，無法直觀的獲取水下工程技術(shù)狀況，多波束測深系統(tǒng)是利用聲波信號測量水底地形的測量設(shè)備，可直接獲取水下地形情況 ，將其應(yīng)用于航道整治工程中拋石檢測，多波束數(shù)據(jù)能夠很好地呈現(xiàn)拋石的鋪設(shè)厚度、走向分布等信息，獲取更加直觀、準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：拋石檢測;多波束系統(tǒng);航道整治

中圖分類號：U61? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0075-03

在長江經(jīng)濟帶國家戰(zhàn)略背景下，航道作為水上運輸?shù)幕A(chǔ)性、先導(dǎo)性設(shè)施，是流域經(jīng)濟發(fā)展的重要依托?！笆濉薄逼陂g，航道工程建設(shè)規(guī)模、投資力度將達(dá)到歷史新高度，建設(shè)速度將明顯加快，對工程質(zhì)量、安全和效率的要求也會越高。長江航道整治工程大量運用了拋石，在施工過程中，拋石往往是質(zhì)量控制的重點，同時也是難點，受客觀水文環(huán)境的影響，拋石往往會隨著工程的運行使用，出現(xiàn)流失、陷落等情況，由于長期淹沒水中，一般難以掌握其技術(shù)狀況。

多波束系統(tǒng)作為在海洋中應(yīng)用比較成熟的地球物理設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如水文測量、航道測量、港口測量、疏浚測量、海洋工程測量、海岸帶測量、管線路經(jīng)測量、防波堤測量、水下檢測和目標(biāo)物定位、海洋調(diào)查和回收[1]等。多波束聲吶垂直發(fā)射大開角扇形波束，一次獲得幾百個水下測深點，可真正實現(xiàn)水下地形的面狀測量，對快速呈現(xiàn)水下床表大比例尺精細(xì)地形具有較好的適用性，近年來多波束也越來越廣泛地運用于航道測量中。

1 傳統(tǒng)的拋石檢測方法

航道整治拋石完成后，施工方組織人員用單波束測深儀進行測量，導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)，將測量數(shù)據(jù)在南方CASS類的成圖軟件上展點成圖，再用成圖軟件將數(shù)據(jù)根據(jù)之前的規(guī)劃好的橫斷面線繪制斷面圖。

首先在拋石施工前進行測量，繪制原始地面線斷面圖，拋石施工后再繪制斷面線圖，然后將兩次的斷面線進行對比5米一個點量取兩者之間的高差，以判斷塊石是否拋投到位。

傳統(tǒng)的拋石檢測方法存在很多制約因素：第一、測圖成果不夠直觀，對于1：500的測圖，測深儀的采點間距一般設(shè)置為5米，測線間距為5米。測深儀的測點間距過大，波束角較大，對水底地形的反應(yīng)比較粗糙，對一些微地形測量時容易產(chǎn)生較大的深度誤差。成圖之后全部為數(shù)字和繪制的斷面間接的分析對比，不夠直觀;第二、無法判斷水下具體是石頭還是淤沙，水下隱蔽工程的施工具有其特殊性，水下的水流及泥沙情況瞬息萬變，工區(qū)極易受到泥沙淤積或沖刷?；芈暅y深儀獲取了工區(qū)的測量數(shù)據(jù)后，只能通過數(shù)值來進行定量分析水下地形的厚度到達(dá)與否，無法判斷該區(qū)域是因為泥沙淤積產(chǎn)生的地形改變還是拋石到位。

2 多波束測深系統(tǒng)的基本原理

2.1 工作原理

多波束測深系統(tǒng)是利用聲波信號測量水底地形的測量設(shè)備，主流多波束聲吶換能器多采用十字米氏陣列或相互垂直的T型陣列，其中沿艏尾向部分負(fù)責(zé)聲波的發(fā)射，通過單次束控技術(shù)在垂直航跡方向形成大開角扇形波束，而該波束在平行航跡方向上則很窄[2]，如圖1所示。

陣列垂直艏尾向部分負(fù)責(zé)回波的接收，各陣元獨立接收回波，甲板單元將各陣元回波信號序列通過多次時延束控，形成多個方向的接收波束，將波束域回波數(shù)據(jù)按極坐標(biāo)形式成圖，可形成水柱圖像[3]，如圖2所示。

采用振幅法和相位法對波束域水柱數(shù)據(jù)中央和兩邊數(shù)據(jù)進行底部檢測，如圖3所示，獲得各波束方向上底回波的準(zhǔn)確到達(dá)角和時間，根據(jù)達(dá)到角和時間結(jié)合聲速、羅經(jīng)、姿態(tài)、定位等信息，可以求得床底各測深點的坐標(biāo)和深度[4]。

2.2 系統(tǒng)組成

多波束測深系統(tǒng)包括換能器、定位、羅經(jīng)、船姿傳感器、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集工作站、數(shù)據(jù)后處理工作站及顯示等配套設(shè)備，如圖4所示。

3 應(yīng)用實例

3.1試驗區(qū)域概況

某港口護岸拋石工程，區(qū)域內(nèi)存在1m～2m的潮汐變化，拋石采用分層作業(yè)，碎石鋪底，中層拋石粒徑0.8m～1.3m，表層采用ANTFER塊護岸，如圖5所示。

3.2 設(shè)備及安裝

在拋石施工第二階段結(jié)束后，選用R2 Sonic2024型多波束聲吶系統(tǒng)，Sonic 2024是基于第5代聲吶結(jié)構(gòu)的多波束測深儀，代表了現(xiàn)代最新的多波束設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)計，其掃測數(shù)據(jù)可以詳細(xì)地表現(xiàn)出地形的起伏變化和水下建筑物的輪廓。按通用作業(yè)模式采集測深數(shù)據(jù)，測線沿拋石主軸方向布設(shè)，數(shù)據(jù)處理采用Caris Hips軟件[5]。R2 Sonic2024型多波束聲吶系統(tǒng)具體性能參數(shù)如表1所示。

數(shù)據(jù)及分析：在拋石區(qū)一共采集了7條多波束測線數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后形成的拋石區(qū)地形如圖6所示。從圖像清晰的輪廓特征可以框定拋石區(qū)范圍、分辨拋石粒徑、鋪設(shè)厚度、走向分布等信息。

通過專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件可對拋石斷面進行測量，如圖7所示，從圖中可以看出該區(qū)域拋石表面并不平整，高程分布在-10m～-6m之間，通過CASS等軟件計算局部區(qū)域各處于設(shè)計標(biāo)高的差異，按1m×1m的網(wǎng)格輸出[6]，如圖8所示，從中可以看出各網(wǎng)格內(nèi)拋石標(biāo)高與設(shè)計值的差異。拋石厚度檢測時，沿拋石主軸線上每5m形成一個高程斷面，并于設(shè)計斷面進行比較，形成檢測記錄;范圍檢測時，將勾勒范圍的測深地形圖像與設(shè)計圖進行比對，檢查拋石邊界是否達(dá)到實際要求。

通過上述工程實例，基于多波束測深還可以對檢測拋石的密集程度、著床區(qū)域位置、面積等信息進行檢測，項目研究針對這些檢測內(nèi)容，也搜集了相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖9所示。

通過工程實例，研究發(fā)現(xiàn)多波束檢測航道整治拋石具有如下優(yōu)勢：①測深精度高、分辨率高、效率高;②可以清晰呈現(xiàn)水下拋體的形狀、尺寸、位置等特征;③適用面廣，可用表征水下散拋物的范圍、厚度、坡度、平整度等多項屬性。

4 結(jié)語

多波束測深系統(tǒng)具有同步測深點多、測量快捷、全覆蓋等特點，能夠?qū)λ碌匦芜M行全覆蓋測量，尤其適用于大比例尺的測繪和特殊要求的水道地形測量等。因此可運用于航道整治工程水下拋石、通過三維立體呈現(xiàn)，獲得更加直觀、準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，用以判斷塊石大小、鋪設(shè)厚度、走向分布等信息。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王紫陽.SeaBat8101型多波束測深系統(tǒng)在航道整治工程中的應(yīng)用[J].北京測繪，2013（4）：86-89.

[2] 肖遠(yuǎn)亮.呂曰恒 HS-600F多波束測繪系統(tǒng)的應(yīng)用與分析[J].氣象水文海洋儀器，2010（2）：82-85.

[3] 孫衛(wèi)平，張才俊.長江下游感潮河段超長護底軟體排鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國水運，2014（8）：1-7.

[4] 呂曰恒.多波束測深技術(shù)的應(yīng)用試驗[J].海洋信息技術(shù)，2011（2）：1-3.

[5] 黃偉.荊江河段水下沉排工程質(zhì)量檢測技術(shù)方案[J].中國水運，2018（6）：63-65.

[6] 朱偉.航道整治工程中散拋塊石的計量.中國水運，2018（11）：16.