羅 青，王茂枚，趙 鋼，陳 楠，蔡 軍

(江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

拋石護(hù)岸工程是崩塌岸坡加固治理施工的重要措施，對長江河勢穩(wěn)定及堤防安全具有積極的作用，同時因其施工靈活、操作簡單、價格低廉、能較好地適應(yīng)河床變形等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1-2]。拋石護(hù)岸工程作為水下隱蔽工程，其水下質(zhì)量檢測的方法是利用測深儀對施工前、后的水下地形進(jìn)行測量，分析施工后地形變化即拋石增厚值來評價施工質(zhì)量。水下工程質(zhì)量檢測是保障工程發(fā)揮經(jīng)濟(jì)與社會效益的重要環(huán)節(jié)，檢測結(jié)果的正確性關(guān)系到工程能否正常運(yùn)行。目前，測深儀以傳統(tǒng)的單波束測深儀與新興的多波束測深系統(tǒng)為主。與單波束測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有掃幅寬、全覆蓋、高效率、高精度和高分辨率等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。大量對兩者測量精度以及在不同應(yīng)用中的對比研究表明多波束測深系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢[4-5]。但多波束測深系統(tǒng)設(shè)備笨重、安裝復(fù)雜、操作繁瑣，需要投入更多的人力、物力、財力[6]，而單波束測深儀輕便，易于安裝，操作與后處理簡單，經(jīng)過許多學(xué)者的開發(fā)應(yīng)用和改進(jìn)[7-8]，無論是觀測精度還是工作穩(wěn)定性，都已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，因此單波束測深儀仍然被廣泛使用。

當(dāng)前，水下工程質(zhì)量檢測采用“斷面法”進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過若干條斷面施工前、后兩期數(shù)據(jù)的疊置分析結(jié)果判斷施工質(zhì)量。相比一般的水下地形測量，其應(yīng)用要求比較特殊：1)要求檢測斷面測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；2)要求檢測斷面地形相對變化即檢測結(jié)果的正確性。針對這種特殊的應(yīng)用，單波束測深儀與多波束測深系統(tǒng)的兩期測量結(jié)果有怎樣的差異，會對檢測結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響還鮮有研究。本文對這2種測量手段施工前、后的測量數(shù)據(jù)以及差值的檢測斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量分析，以期為拋石護(hù)岸工程水下質(zhì)量檢測中測量手段的科學(xué)使用提供參考依據(jù)。

1 測量手段的檢測特點(diǎn)

1.1 單波束測深儀檢測特點(diǎn)

單波束測深儀(簡稱單波束)測深特點(diǎn)是單點(diǎn)連續(xù)測量形成斷面地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)沿測線密集分布，而測線間沒有數(shù)據(jù)。進(jìn)行工程質(zhì)量檢測時，須根據(jù)預(yù)設(shè)的檢測斷面進(jìn)行測量，通過導(dǎo)航軟件的偏航顯示情況，對測船航向進(jìn)行修正，確保測船始終沿著檢測斷面方向航行，對測船航向要求較高。

1.2 多波束測深系統(tǒng)檢測特點(diǎn)

多波束測深系統(tǒng)(簡稱多波束)是一種由多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由換能器、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、高精度的運(yùn)動傳感器、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、聲速剖面儀及數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成[9]。它采取多組陣和廣角度發(fā)射與接收，可以同時獲取上百條水下條帶水深數(shù)據(jù)，形成條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，是一種全新的海底地形精密探測技術(shù)。與單波束測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)把測深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面[10]，測量時，多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以全覆蓋工程區(qū)。

2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)方案

大勝關(guān)段位于南京市雨花臺區(qū)和建鄴區(qū)長江右岸梅山新碼頭—秦淮新河下游，在長江江蘇段具有一定的代表性。選取長440 m、寬100 m、設(shè)計拋厚1.5 m的部分工程區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，采用ATLAS DESO 35單波束測深儀(測深范圍0.2～200 m，頻率210 kHz)，精度1 cm±0.1%深度和R2SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)(用于2～500 m深度的水域，量程分辨率1.25 cm)，按照規(guī)范[11]布設(shè)了10條檢測斷面，共生成210個檢測點(diǎn)。

在施工前和施工后，分別使用單波束與多波束對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行水下地形測量，單波束根據(jù)預(yù)設(shè)檢測斷面進(jìn)行測量，多波束進(jìn)行全覆蓋掃測。獲取的測量數(shù)據(jù)均通過自檢，主測深線與檢查線的深度互差均滿足規(guī)范[12]要求。

2.2 施工前測量數(shù)據(jù)分析

對施工前單波束與多波束的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置，篩選同名點(diǎn)(2種測量數(shù)據(jù)X、Y互差不超過5 cm)的測量數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)477個，水深在25～45 m范圍內(nèi)，對兩者的測量差值進(jìn)行統(tǒng)計分析。施工前測量差值絕大部分位于-0.2～0.2 m之間，占比92.8%(表1)。由此可見，拋石護(hù)岸施工前，單波束與多波束測量結(jié)果基本吻合。

表1 拋前深度差值對比分析

2.3 施工后測量數(shù)據(jù)分析

對施工后單波束與多波束的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置，篩選同名點(diǎn)(2種測量數(shù)據(jù)X、Y互差不超過5 cm)測量數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)409個，水深在25～45 m范圍內(nèi)，對兩者的測量差值進(jìn)行統(tǒng)計分析。施工后，差值絕對值≤0.2 m，占比50.9%；差值絕對值≤0.5 m，占比91.1%(表2)。由此可見，拋石護(hù)岸施工后，單波束與多波束的測量差異增加。

表2 拋后深度差值對比分析

2.4 檢測斷面統(tǒng)計分析

根據(jù)施工前、后的測量數(shù)據(jù)分別生成單波束與多波束的檢測斷面數(shù)據(jù)，計算出其檢測點(diǎn)增厚值，最后對單波束和多波束的檢測點(diǎn)增厚值進(jìn)行差異分析。由表3可見，單波束與多波束檢測點(diǎn)增厚差值差異顯著，遠(yuǎn)大于施工前與施工后兩者的測量差異。

表3 檢測點(diǎn)增厚值差值占比

任選一條檢測斷面，作單波束與多波束施工前、后檢測斷面對比。由圖1a)可見，施工前，單波束與多波束生成的檢測斷面線基本吻合；由圖1b)可見，施工后，兩者的檢測斷面差異增加，尤其是陡峭和變化較大的區(qū)域。單波束由于測量數(shù)據(jù)稀疏，生成的檢測斷面較平滑；而多波束數(shù)據(jù)密集，檢測斷面更接近真實(shí)地形，并且施工會增加單波束生成的檢測斷面誤差。

圖1 檢測斷面

2.5 原因分析

1)水下地形復(fù)雜度與波束角及波束偏移。拋石施工工藝隨機(jī)性大，拋石后，水下地形粗糙不平，短期內(nèi)人為破壞了水下地形的空間相關(guān)性[13]。圖2為工程區(qū)多波束數(shù)據(jù)生成的任意一條施工前、后水下地形斷面對比。由圖2可見，施工后，水下地形的復(fù)雜度增加，放大了單波速測深儀的測量誤差。一方面，單波束波束角普遍比多波束波束角大，波束角越大，腳印越大，水下地形分辨率就越低，測量誤差越大；另一方面，單波束測深沒有進(jìn)行測船姿態(tài)矯正，測船的橫搖和縱搖使聲波傾斜入水，產(chǎn)生了水深數(shù)值上的偏差和測點(diǎn)位置的偏移[14]。表4列出波束傾斜不同角度在不同水深下測點(diǎn)位置的偏移距離。

圖2 施工前、后斷面對比

表4 不同波束傾角下的偏移距離

2)單波速航跡線偏移。目前，水下工程質(zhì)量檢測方法是“斷面法”，測深儀獲取的測量初始數(shù)據(jù)根據(jù)檢測斷面線差值生成檢測數(shù)據(jù)。單波束測量時，測量船沿著檢測斷面線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但測量船航跡線與斷面線難以完全重合，而是呈沿著斷面線左右擺動的曲線(圖3)。航跡線的偏移導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)位置的偏移，從而增加了差值生成的斷面誤差。更重要的是，施工前、后單波束的2次測量軌跡也不能完全重合，導(dǎo)致兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析時數(shù)據(jù)之間位置偏移更大，使檢測點(diǎn)增厚值與斷面增厚值存在較大的誤差。在工程水下質(zhì)量檢測時，多波束測量的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)兩期數(shù)據(jù)位置與檢測斷面的統(tǒng)一，但單波束航跡線的偏移對工程水下質(zhì)量檢測結(jié)果的影響往往被忽略。

圖3 單波束航跡線與檢測斷面線關(guān)系

為了說明施工前、后測點(diǎn)位置的偏移可能導(dǎo)致的誤差，作如下統(tǒng)計分析：統(tǒng)計不同偏移距離下，施工前、后的測量數(shù)據(jù)在偏移距離范圍內(nèi)與檢測數(shù)據(jù)的差異，圖4為任意選取的3組偏移距離的統(tǒng)計分析結(jié)果。由圖4a)～c)可見，施工前，隨著偏移距離的增加，數(shù)據(jù)差異無明顯增加，偏移1 m對檢測結(jié)果無大影響，差異基本保持在-20～20 cm。由圖4d)～f)可見，施工后，3組深度差值發(fā)生明顯變化，與施工前相比，相同的偏移半徑，數(shù)據(jù)差異增加，同時，隨著偏移半徑的增加，差異增大，偏移50 cm對檢測結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生了較大影響?？梢姡┕ず?，測點(diǎn)位置的偏移對檢測結(jié)果的生成有很大影響，這正是單波束與多波束檢測結(jié)果差異明顯的最主要原因。

圖4 施工前、后不同偏移半徑時深度差值頻數(shù)分布

3 結(jié)語

1)拋石施工前，水下地形具有空間相關(guān)性，地形復(fù)雜度較低，單波束與多波束的測量數(shù)據(jù)基本吻合，兩種測量手段的精度滿足施工前水下地形的測量要求。

2)拋石施工后，人為短期內(nèi)破壞了水下地形的空間相關(guān)性，導(dǎo)致水下地形復(fù)雜度急劇增加。而水下地形復(fù)雜度的增加擴(kuò)大了波束角及波束傾斜而導(dǎo)致的測量誤差，增加了單波束與多波束的測量數(shù)據(jù)差異。

3)單波束航跡線的偏移以及施工前、后兩期數(shù)據(jù)測量軌跡的不重合導(dǎo)致差值生成的檢測結(jié)果存在較大誤差，而這種航跡線的偏移對工程水下質(zhì)量檢測結(jié)果的影響往往被忽略。

4)基于以上原因，本文建議在利用單波束測量復(fù)雜地形，尤其是深水區(qū)時，應(yīng)考慮單波束測深儀波束角的影響，盡量選用波束角小，測量精度更高的單波束測深儀，并將姿態(tài)傳感器應(yīng)用于單波束測深儀，改正水深數(shù)值上的偏差和測點(diǎn)位置的偏移，同時加強(qiáng)單波束航跡線控制，使其盡量貼合檢測斷面線。此外，還可以通過多次測量增加每條斷面的數(shù)據(jù)密度，減少因航線偏移而造成的斷面誤差。但施工前、后每期數(shù)據(jù)分別應(yīng)該增加幾次測量，才能有效地降低斷面誤差，提升檢測精度，這將作為今后研究的重點(diǎn)。