朱瑞虎，向鵬，章家保，丁德榮，李同飛

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.福建省港航管理局勘測(cè)中心，福建 福州 350009）

0 引言

準(zhǔn)確、高效地獲取港口水下工程信息，對(duì)全面了解港口施工質(zhì)量及水下結(jié)構(gòu)狀態(tài)具有重要意義[1]。以多波束測(cè)深系統(tǒng)及三維掃描聲吶系統(tǒng)等為代表的多波束聲吶具有全覆蓋、高效率、高精度等優(yōu)點(diǎn)，能在復(fù)雜的水下環(huán)境中獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，適用于水下構(gòu)筑物信息的獲取，是水下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)及施工檢測(cè)應(yīng)用的重要手段[2-3]。

應(yīng)用多波束聲吶系統(tǒng)進(jìn)行水下檢測(cè)的工程眾多，這些工程的檢測(cè)都是依靠多波束聲吶設(shè)備。利用聲波在水下傳播速度快、衰減速度慢的特點(diǎn)，通過(guò)布置測(cè)線或測(cè)站來(lái)獲取水下構(gòu)筑物信息。港口水下岸壁工程檢測(cè)的特點(diǎn)是對(duì)豎直面進(jìn)行掃測(cè)且檢測(cè)精度要求較高，朱瑞虎、章家保等[4-5]通過(guò)自制的垂直岸壁結(jié)構(gòu)混凝土模型開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出在工作距離不大于1.5 m時(shí)，三維掃描聲吶能夠?qū)挾炔恍∮? cm的長(zhǎng)條形目標(biāo)進(jìn)行整體識(shí)別，同時(shí)應(yīng)用多波束聲吶系統(tǒng)對(duì)碼頭沉箱接縫進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，極大地提升了多波束聲吶系統(tǒng)對(duì)碼頭岸壁的檢測(cè)效果，為沉箱安裝工程提供了可視化依據(jù)。吉同元等[6]采用三維掃描聲吶系統(tǒng)開(kāi)展重力式碼頭檢測(cè)，針對(duì)港口水下平面工程檢測(cè)深度較深、檢測(cè)范圍較廣的特點(diǎn)，闡明了多波束測(cè)深系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。張順洋等[7]對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)與三維掃描聲吶系統(tǒng)在碼頭水下部分的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比，得出BV5000三維掃描聲吶系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、設(shè)備組裝方便、不需要導(dǎo)航定位和姿態(tài)傳感器等輔助設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。水下結(jié)構(gòu)差異的確會(huì)對(duì)多波束聲吶系統(tǒng)檢測(cè)效果造成影響，不同的多波束聲吶檢測(cè)系統(tǒng)適用范圍也不盡相同。這是因?yàn)榻邮苈暡ǖ馁|(zhì)量會(huì)隨著傳輸路徑的變化發(fā)生改變，并且還會(huì)受到掃測(cè)角度的影響。

碼頭直立式岸壁作為一種典型的港口水下工程，具有直立安裝、檢測(cè)精度要求高等特點(diǎn)，與基槽、基床等平面工程具有明顯的不同，但目前對(duì)于不同多波束聲吶系統(tǒng)在這兩種結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的適用性研究并不多見(jiàn)。為此，本文依托實(shí)際工程，基于多波束聲吶系統(tǒng)對(duì)港口水下基槽、基床、沉箱岸壁的檢測(cè)效果，分析常用的多波束測(cè)深系統(tǒng)和三維掃描聲吶系統(tǒng)對(duì)水下平面工程和直立式岸壁工程檢測(cè)的結(jié)果差異及適用性。

1 檢測(cè)概況及采集數(shù)據(jù)

1.1 檢測(cè)概況

福建某港口1號(hào)、2號(hào)泊位工程碼頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為重力式沉箱碼頭，因基槽、基床、沉箱安裝都在水下進(jìn)行施工，這些結(jié)構(gòu)施工受水流、潮汐、水下地形及水下障礙物的影響較為嚴(yán)重，施工質(zhì)量難以控制[8]，采用多波束聲吶系統(tǒng)對(duì)該沉箱碼頭結(jié)構(gòu)水下施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

本次沉箱碼頭基床及基槽檢測(cè)內(nèi)容包括：

1）對(duì)基槽開(kāi)挖后的基底及邊坡進(jìn)行檢測(cè)；

2）對(duì)基床拋石、整平后的頂標(biāo)高及輪廓線進(jìn)行檢測(cè)。

基床分粗平、細(xì)平、極細(xì)平，大型構(gòu)件底面尺寸大于或者等于30 m2，可不進(jìn)行極細(xì)平，本工程沉箱底面積均大于30 m2，故基床整平采用的是細(xì)平。大泊位碼頭整平標(biāo)高：設(shè)計(jì)基床頂面高程為-16.3 m，整平寬度17 m。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)及施工方案要求：施工過(guò)程整體預(yù)留15 cm沉降量，原方案計(jì)劃向墻后傾斜的坡度取1%，即沉箱后墻標(biāo)高為-16.15 m，前趾標(biāo)高為-15.98 m。根據(jù)小泊位沉箱安裝后的整體趨勢(shì)，以及沉降位移觀測(cè)數(shù)據(jù)，將部分基床坡度放緩至0.8%，即沉箱后墻標(biāo)高為-16.15 m，前趾標(biāo)高為-16.02 m，以此作為基床整平頂面標(biāo)高驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

本次沉箱安裝檢測(cè)范圍包括以下內(nèi)容：檢查沉箱中、下接縫寬度、錯(cuò)位以及碰損情況；為定量統(tǒng)計(jì)沉箱接縫寬度，采用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行掃測(cè)之后再對(duì)較寬的接縫采用三維多波束掃描聲吶系統(tǒng)進(jìn)行近距離檢測(cè)。沉箱接縫自東向西進(jìn)行編號(hào)，共35個(gè)，部分沉箱安裝平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 沉箱安裝平面布置示意圖Fig.1 Installation layout diagram of caisson

1.2 數(shù)據(jù)采集

1）多波束測(cè)深系統(tǒng)掃測(cè)數(shù)據(jù)采集

碼頭沉箱安裝現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集斷面設(shè)置為碼頭胸墻沿海側(cè)每隔10 m 1條，采用波束旋轉(zhuǎn)傾斜功能混合采集模式，將探頭物理旋轉(zhuǎn)15°，保證碼頭折角數(shù)據(jù)無(wú)盲區(qū)。波束開(kāi)角設(shè)置90°，重疊度100%，掃測(cè)寬度20 m，船速2~3 kn。

2）三維多波束掃描聲吶系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

與傳統(tǒng)的將三維聲吶頭固定于水面船只或在水底布置測(cè)站進(jìn)行測(cè)量不同，針對(duì)三維掃描聲吶檢測(cè)范圍小，不能對(duì)沉箱任意水深處接縫局部掃測(cè)的問(wèn)題，本次數(shù)據(jù)采集通過(guò)自主設(shè)計(jì)的測(cè)量支架攜帶三維掃描聲吶吊至檢測(cè)水深進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 結(jié)果與分析

2.1 基槽、基床檢測(cè)

1）基槽開(kāi)挖狀況

根據(jù)多波束聲吶系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，水深數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 多波束系統(tǒng)基槽檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of foundation trench detection data for multi-beam system m

從表1中的最淺水深值及最大水深值可以看出，基槽各部分存在欠開(kāi)挖和超深區(qū)域，平均超深超過(guò)0.5 m的中部和南部重合區(qū)域出現(xiàn)了明顯的超深區(qū)域，基槽開(kāi)挖多波束檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)標(biāo)高比對(duì)，部分區(qū)域未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，施工未達(dá)設(shè)計(jì)要求。

2）基床整平狀況

根據(jù)多波束測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，水深數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯龌财骄钪滴茨苓_(dá)到設(shè)計(jì)底標(biāo)高的要求，存在部分地區(qū)欠拋或超拋。檢測(cè)結(jié)果表明基床整平的部分區(qū)域標(biāo)高未符合基床整平頂面標(biāo)高驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 多波束系統(tǒng)基床檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of foundation bed detection data for multi-beam system m

2.2 沉箱岸壁檢測(cè)結(jié)果

1）沉箱岸壁狀況分析

采集多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和三維多波束掃描聲吶系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)沉箱接縫上下寬度及錯(cuò)臺(tái)的情況判斷沉箱安放接縫質(zhì)量。接縫檢測(cè)首先使用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，范圍為小泊位沉箱1~35號(hào)沉箱，接縫為1~35號(hào)接縫，因26~35號(hào)接縫插拔尚未安裝，故不做縫寬檢測(cè)分析，只做錯(cuò)臺(tái)分析。多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)部分沉箱接縫較寬，并且自沉箱頂?shù)胶４渤噬洗笙滦』蛏闲∠麓鬆睿行┫噜彸料溲睾Ｒ粋?cè)產(chǎn)生前后錯(cuò)位，取13號(hào)、14號(hào)接縫進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像分析如圖2所示。

圖2 13號(hào)、14號(hào)沉箱接縫多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)三維圖Fig.2 3D diagram of multi-beam sounding system detection for No.13 and No.14 caisson joints

2）沉箱岸壁檢測(cè)

根據(jù)JTS 257—2008《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[9]中碼頭墻身構(gòu)件安裝要求，采用鋼卷尺對(duì)沉箱上接縫進(jìn)行檢測(cè)，多波束和三維多波束掃描聲吶系統(tǒng)掃描量取沉箱中部接縫、下接縫（海床上約1 m）和最大的縫寬進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。本檢測(cè)項(xiàng)目沉箱接縫10號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、17號(hào)、19號(hào)、25號(hào)的縫寬較大，其余較小的接縫多波束無(wú)法定量量取其寬度。相鄰沉箱錯(cuò)臺(tái)統(tǒng)計(jì)如表4所示。在使用多波束對(duì)沉箱接縫的檢測(cè)成像過(guò)程中，沉箱接縫的成像對(duì)圖像分辨率要求很高，只有在反射強(qiáng)度較高的情況下才能得到清晰的圖像，低反射的情況下沉箱接縫的成像質(zhì)量不佳；通過(guò)圖2可以看出13號(hào)、14號(hào)沉箱接縫較寬，邊緣不規(guī)則，并且自沉箱頂?shù)胶４渤噬舷乱恢洛e(cuò)臺(tái)。從沉箱接縫寬與錯(cuò)臺(tái)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表可以看出，通過(guò)多波束聲吶系統(tǒng)對(duì)水下沉箱接縫可視化檢測(cè)可以得到沉箱水下接縫三維立體的信息，對(duì)不在同一豎直面的沉箱中、下接縫寬度、錯(cuò)位以及碰損情況進(jìn)行檢測(cè)。

表3 沉箱接縫寬度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics table of caisson joint width detection

為定量統(tǒng)計(jì)沉箱接縫寬度，用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)沉箱岸壁進(jìn)行大范圍整體掃測(cè)，對(duì)掃測(cè)結(jié)果中接縫寬度明顯較大的13號(hào)接縫采用三維多波束掃描聲吶系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)一步精細(xì)化檢測(cè)測(cè)量接縫準(zhǔn)確寬度，如圖3所示。

圖3 13號(hào)接縫的三維多波束掃描圖Fig.3 3D multi-beam scanning view of No.13 caisson joint

相比于多波束測(cè)深系統(tǒng)沿水面測(cè)線對(duì)接縫斜向掃測(cè)獲取波束的形式，三維掃描聲吶系統(tǒng)則是通過(guò)自制水下測(cè)量支架下潛至接縫寬度較大處，獲取相對(duì)回波強(qiáng)度信息得到質(zhì)量更高的接縫三維空間信息。通過(guò)點(diǎn)云圖像測(cè)得13號(hào)接縫局部平均縫寬70 mm，錯(cuò)牙30 mm。

2.3 檢測(cè)質(zhì)量分析

多波束聲吶系統(tǒng)檢測(cè)應(yīng)用于港口水下工程檢驗(yàn)評(píng)價(jià)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)精度應(yīng)達(dá)到相關(guān)規(guī)范允許偏差的精度。本研究結(jié)合《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)沉箱碼頭基槽開(kāi)挖、基床整平、沉箱安裝的施工檢測(cè)進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]，其偏差結(jié)果與規(guī)范允許偏差對(duì)比統(tǒng)計(jì)如表5所示。通過(guò)測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)值偏差統(tǒng)計(jì)可以看出，多波束聲吶系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出港口水下工程施工偏差，并結(jié)合相關(guān)檢測(cè)規(guī)范對(duì)港口水下施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表5 測(cè)量偏差與規(guī)范允許偏差對(duì)比統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table of comparison between measurement deviation and specification allowable deviation mm

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了常用多波束聲吶系統(tǒng)在基槽開(kāi)挖、基床整平等平面工程和直立式岸壁工程檢測(cè)中的適用性，分別利用多波束測(cè)深系統(tǒng)和三維掃描聲吶系統(tǒng)對(duì)沉箱碼頭基槽開(kāi)挖、基床整平和沉箱安裝進(jìn)行施工檢測(cè)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范分析檢測(cè)結(jié)果的適用性。研究結(jié)果表明：

1）多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于港口水下平面工程檢測(cè)，在基槽開(kāi)挖和基床整平施工檢測(cè)中均滿足水運(yùn)工程相關(guān)檢驗(yàn)允許偏差的精度要求。

2）聯(lián)用多波束測(cè)深系統(tǒng)與三維多波束掃描聲吶系統(tǒng)開(kāi)展沉箱安放施工效果檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)碼頭水下岸壁工程可視化，直觀地反映碼頭墻身的全貌，為碼頭水下岸壁工程施工控制與評(píng)價(jià)提供了精確資料。

3）使用多波束聲吶系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)可以直觀地反映沉箱碼頭工程水下施工過(guò)程中的不足，具有高效、精準(zhǔn)、便捷的優(yōu)點(diǎn)，在水下精細(xì)化施工控制檢測(cè)中可以推廣使用。