多波束测深技术在水利工程水下铺设质量检测中的应用周灯

多波束测深技术在水利工程水下铺设质量检测中的应用周灯

周灯

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司

摘要：在水利工程水下铺设中，施工质量检测与验收直接决定着水利工程水下铺设的成果，关系着整个工程的成功与否。通过对多波束测深技术的仪器进行分析和对比，选择出最适合水利工程水下铺设质量检测的测深仪器，不但可以实现可视化施工控制与质量检测，还能够给下道工序的稳定开展提供技术支持。本文主要以多波束测深技术在水利工程水下铺设质量检测中的应用为研究对象，分析多波束测深技术的优势，为水下铺设质量检测提供借鉴。

关键词：多波束测探；水利工程；水下铺设；质量检测

目前，通过多波束测深技术是广泛应用于国内水利工程的一种先进的科学手段，国内国外使用多波束测深技术开展水下作业的原理和方法均已趋于成熟。传统的质量检测技术如单波束等测量方法存在着较大的误差，无法严格地完成质量检测的任务。而多波束测深技术则可以很好的实现水下铺设质量检测，敦促施工满足验收要求，提高水利工程的施工质量。

1多波束测深技术概述

1.1多波束测深技术的定义

多波束测深技术主要面向水利工程领域，具有便携性、高分辨率、覆盖面广、高稳定性等得天独厚的优势，可将施工人员的下水作业减小到最低，起到保护施工人员安全的作用。多波束测深设备内部配置高精度姿态仪，将声学技术与姿态测量技术有机融合，不但免去了施工人员作业时繁琐复杂的程序，而且实现了高精度姿态数据的输入。

多波束测深系统是一个比较复杂的组合设备，系统本身由发射接收换能器、信号控制处理器、运动传感器等组成，还需配备罗盘，姿态仪，定位GPS，数据采集和存储计算机，并且一般需要安装在导航船上工作。多波束测深系统的工作原理和单波束回声测深仪基本相同，即测量每个波束声波信号的旅行时间和反射角度，结合定位数据、测量船的姿态数据、声速数据来计算每个波束测得的水深。

多波束测深系统能够对水下地形进行全覆盖测量，具有同步测深点多、测量快捷、全覆盖等特点，能完成常规方法难以胜任的测量任务，尤其适用于大比例尺的测绘和特殊要求的水道地形测量等。由于多波束系统具有实时监测功能，可以现场监视水下地物地貌的细微变化，因而在堤防安全、溃口、崩岸监测、抛石护岸监测、水下工程施工监测、港口及疏浚工程监测、水下物体摸探及打捞等方面具有其它方法不可替代的作用[1]。

1.2多波束测深系统特点

多波束测深系统安装好后及工作中每隔一定时间要对电罗经的舷向测量偏差，船姿感器的横摇偏差和纵摇偏差及时间延迟作校准试验。电罗经的校准一般将船固定在码头，用GPS或经纬仪等设备直接测量船舷向，以获得偏差值。横摇校准试验一般选择一平坦海域测量一对或几对方向相反的重合测线；纵摇校准试验一般选择一水下斜坡以相同船速测量一对以上相反方向的重合测线;时间延迟校准试验也选择一水下斜坡，但以相同方向、不同船速测量一对以上重合测线。多波束测深系统一般都有专门用于上述校准试验数据处理的模块，并以直观的图示方式处理、获取校准试验结果。

多波束系统数据采集和后处理一般以工作站为平台。采集的数据文件主要包括两方面内容：测深数据和定位数据，多数多波束系统还包括声纳方面的信息。数据后处理一般包括数据预处理和成图两部分。其中数据预处理主要包括定位处理、深度处理和数据统计清除。成图后处理主要是指对预处理后的数据进行网格化，生成数字地形模型，形成水深图的过程。多波束测深系统可以水深的2一10倍的条幅方式对水下地形进行全筱盖测量，不但可以精确反映水下地形，其声纳功能还可清晰反映水下微细貌和障碍物情况，可产生并输出二维、三维水深图、海底影像图、声纳图等。根据反射特征，配合相应软件，还可对海底底质类型进行分类。因此，多波束测深系统可广泛应用于港口、码头、航道、路由等水下地形地貌、障碍物的调查[2]。

护岸范围内岸坡总体上微淤，铰链沉排工程护岸效果良好，工程整体运行稳定。铰链沉排工程对水流阻力小，对近底水流结构影响小，局部淤积属于微调。铰链排排体下的土工编织布垫层能阻止岸坡泥沙被淘刷，排体稳定，搭接良好，整体护岸效果好。

2多波束测深技术在水利工程水下铺设质量检测中的应用

与传统的测量方法相比,多波束测深系统具有高分辨率、高精度、全覆盖的特点，且精确、高效、快捷、实时直观的优势十分显著，能大大提高工作效率，为该技术在水下工程进一步开展工作,积累了工作经验，为其他水下工程的测量和运行状况监测提供参考。

2.1水流场模拟

大部分水利工程的修建都会一定程度上影响当地水域的生态环境，特别是水流流速的变化，会对水下铺设的施工环境产生剧烈的影响，从而影响到质量检测的效果。为了了解水利工程对当地水域环境造成的变化，降低其对水下铺设质量检测的影响，有必要针对水流流速的改变进行模拟。而收集水下地形的准确数据则是进行水流场模拟的前提，通过多波束测深技术，能够快速、高效、精准的收集到水下地形数据，为水下铺设质量检测打好数据基础[3]。

2.2质量检测

多波束测深技术适合预制混凝土铰链沉排工程完工后的水下铺设质量检测。通过多波束测深技术能够直接对铺排整体完工后的全部铺排地区开展高分辨率、高精度、全覆盖的扫测，根据扫描中收集到的庞大的水下数据点，建立清晰立体的水下三维动态模拟图，直观而准确地反映出水下排体的整体情形。能够在地形图中便捷地测量出排体的宽度、长度以及相邻排体搭接宽度等所需数据，同时可以在水下三维动态模拟图中清晰地观察看水下排体的覆盖细节，是否有出现漏铺，铺排是否均匀。

该技术曾经在长江武汉段铰链沉排护岸工程的部分水下铺设施工质量检测中取得显著的效果。该工程预制混凝土板的平面形状具体为长方形，其尺寸详细数据为40cm×26cm×10cm(长×宽×厚)，其重量详细数据为21.93kg，将400m宽的排平均分成10张40m的排，随后拼接起来同时利用标准的40m铺排船展开铺排作业。利用多波束测深技术对水下铺排区域进行高分辨率、全覆盖的扫测，根据采集的大量水下数据点信息，建立清晰而精准的水下三维动态模拟图，直观地反映出水下排体的整体情况，可利用专业软件对铺排区域的排体宽度、长度、搭接宽度进行量取，并可直观地反映有无漏铺及其漏铺的位置、铺排的均匀程度等情况，实现水下铺设质量检测[4]。

3结语

在计算机技术、材料工艺技术等前言科学技术的支持下，多波束测深技术得到了高速发展。在上个世纪七十年代，多波束测深技术借助单波束测深技术的基础逐渐发展，由单点测量改变为线式测量，由此得到三维立体图，大大提高了水利工程水下作业的精准度。借助多波束测深仪器高分辨率、覆盖面广、高稳定性的优势，能更快更精准的绘制水下地形，在水利工程水下铺设质量检测中，可以有效完成验收任务，保障施工质量满足设计要求，提高水利工程的施工效率。建议在其他水下工程和应用中进一步推广使用。

参考文献：

[1]朱良康.多波束测深系统在水利工程中的应用[J].科技创新与应用,2017,(10):220-221.

[2]赵钢,王茂枚,徐毅,石银涛,蔡军.多波束测深技术在沉排工程水下铺设质量检测中的应用[J].长江科学院院报,2016,33(07):145-149.

[3]赵钢,黄俊友,王冬梅等.混凝土铰链沉排护岸工程水下部分铺设质量检测技术研究与探讨[J].长江科学院院报,2013,30(6):31-34.

[4]鲁东.浅水多波束测深声纳关键技术研究[D].哈尔滨工程大学,2015.