劉森波，丁繼勝，馮義楷，楊 龍，陳義蘭

（自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018年年底，我國大陸已建5 萬kW 及以上大中型水電站約640 座。 水電站為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展提供綠色動(dòng)力的同時(shí)，還具有防洪、灌溉、航運(yùn)等多重作用。 水電站下泄水流的長期沖刷作用容易對(duì)消力池造成傷害，危及大壩安全。 對(duì)消力池的檢測(cè)既是大壩日常維護(hù)的內(nèi)容，也是保障大壩安全運(yùn)行的必要手段。 目前，常用的消力池沖刷和護(hù)岸穩(wěn)定性檢測(cè)手段是基于地形的多波束探測(cè)方法。 陳輝等［1］利用GeoSwath Plus 多波束對(duì)長江沉排護(hù)岸工程運(yùn)行狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，通過對(duì)不同時(shí)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析護(hù)岸工程的穩(wěn)定情況；趙鋼等［2-3］將SONIC 2024 多波束運(yùn)用到沉排水下鋪設(shè)質(zhì)量檢測(cè)中，準(zhǔn)確獲取了數(shù)據(jù)，并將SONIC 2024 多波束與聲吶技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于水下表觀病害探測(cè)；周良玉［4］將多波束檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水下整治建筑物施工中軟體排、深水袋裝砂及水下拋石控制，通過測(cè)量得到高精度水下建筑物圖像、位置和高程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了水下隱蔽工程可視化與定量化分析，起到了較好指導(dǎo)施工的作用；湯小云等［5］將Seabat 8125 多波束系統(tǒng)用于水電站大壩側(cè)面平整度檢測(cè)，取得了良好效果，為大壩側(cè)面地形測(cè)量提供指導(dǎo)依據(jù)。

多波束系統(tǒng)對(duì)水下地形具有高效探測(cè)能力，為了保證測(cè)量精度，作業(yè)前需要嚴(yán)格進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，計(jì)算系統(tǒng)橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差。 多波束系統(tǒng)校準(zhǔn)對(duì)水下特征地形要求較高，且需要較長測(cè)線。 但是，受大壩下游空間狹窄的限制，校準(zhǔn)工作多有不便，甚至無法進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。 筆者將免校準(zhǔn)的便攜式多波束系統(tǒng)應(yīng)用于大壩下游消力池沖刷檢測(cè)，突破了狹小空間的限制，既方便安裝又保證了測(cè)量精度。

1 多波束測(cè)量原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)利用回聲測(cè)深原理，通過換能器的發(fā)射波束模塊在水中發(fā)射聲波，接收波束模塊獲取相應(yīng)的回波，進(jìn)而得到從發(fā)射聲波到回波的時(shí)間，然后利用該時(shí)間來計(jì)算水深［6］。 波束位置計(jì)算原理如圖1 所示。

圖1 波束位置計(jì)算原理示意

假設(shè)c為平均聲速、t為聲波在水中傳播的雙程時(shí)間，則

根據(jù)幾何關(guān)系，D、X計(jì)算式分別為

在多波束測(cè)深中，除需進(jìn)行換能器吃水改正外，還應(yīng)進(jìn)行水位改正，最終水深H計(jì)算公式為

通過接收連續(xù)的高密度波束點(diǎn)位置信息，獲取大壩下游及壩底的地形數(shù)據(jù)。 對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，找出異常變化區(qū)域，從而研判消力池的沖刷現(xiàn)狀。

2 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成

多波束測(cè)深聲吶是一種大型組合設(shè)備，除其系統(tǒng)本身外，還包括定位、羅經(jīng)儀、姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集工作站和繪圖儀等配套設(shè)備［7］。 隨著技術(shù)和工藝的不斷提高，多波束系統(tǒng)越來越向著小型化、便攜化趨勢(shì)發(fā)展。 本文試驗(yàn)采用的設(shè)備為Teledyne ODOM MB2 多波束系統(tǒng)，其換能器和控制主機(jī)均實(shí)現(xiàn)了小型化。 Teledyne ODOM MB2 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成見圖2。 該型設(shè)備在換能器內(nèi)部集成了高精度定位定姿系統(tǒng)，因此使用時(shí)無須校準(zhǔn)。 換能器固定安裝了Reson SV P70 實(shí)時(shí)表層聲速測(cè)量儀，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行表層聲速改正，使測(cè)量精度進(jìn)一度提高。 該型多波束系統(tǒng)體積小、質(zhì)量小，方便安裝和拆卸，適用于大壩檢測(cè)、疏浚工程檢測(cè)等。

圖2 Teledyne ODOM MB2 系統(tǒng)組成

Teledyne ODOM MB2 多波束測(cè)深系統(tǒng)工作頻率為200～460 kHz，波束數(shù)10～256，波束開角為1.8°×1.8°，掃寬覆蓋角度范圍10°～140°，最大頻率達(dá)60 Hz，最大測(cè)深200 m。 利用該設(shè)備可對(duì)水電站消力池進(jìn)行精細(xì)掃測(cè)，獲取高分辨率水下地形數(shù)據(jù)。

3 工程概況

試驗(yàn)區(qū)位于某大型水利樞紐工程下游，該樞紐以發(fā)電為主，兼顧防洪和航運(yùn)，自建成投產(chǎn)至今已安全運(yùn)行十幾年。 為了保障混凝土大壩的安全，亟須對(duì)大壩泄洪口下游消力池進(jìn)行檢測(cè)，排除不安全因素。 主要檢測(cè)消力池護(hù)坦及防沖段，護(hù)坦頂面高程30.6 m、長140 m、寬35 m，防沖段檢測(cè)區(qū)域長140 m、寬85 m。防沖段交錯(cuò)均勻分布13 排消力墩，每個(gè)消力墩間隔2.5 m，底邊寬4.0 m，上邊寬2.5 m，垂高分別為0.5、1.0、1.5 m，消力墩頂面高程隨防沖段地形升高而逐排增大。 消力池檢測(cè)區(qū)域平面示意見圖3。

圖3 消力池平面示意

由于檢測(cè)區(qū)域空間狹小，大型多波束測(cè)深系統(tǒng)難以發(fā)揮作用，因此采用上文介紹的免校準(zhǔn)便攜式多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取消力池底板高精度水下地形數(shù)據(jù)，檢測(cè)消力池護(hù)坦和防沖段消力墩有無沖刷破損。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 測(cè)量流程

因場(chǎng)地狹小，故采用充氣式橡皮艇側(cè)舷安裝方式，搭載Teledyne ODOM MB2 多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋測(cè)量試驗(yàn)，取得該區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)。水下地形測(cè)量具體流程如下：①測(cè)前充分了解試驗(yàn)區(qū)概況，收集試驗(yàn)區(qū)水文、工程設(shè)計(jì)資料；②根據(jù)測(cè)區(qū)范圍及工作要求規(guī)劃測(cè)線，平行泄流方向規(guī)劃13 條測(cè)線，測(cè)線間距10 m；③將多波束換能器通過安裝桿固定到噪聲影響較小的位置上，正確連接多波束系統(tǒng)主機(jī)與各傳感器，準(zhǔn)確量取換能器、姿態(tài)傳感器相對(duì)于參考中心的位置偏移；④通過控制軟件設(shè)置換能器吃水、位置偏移和坐標(biāo)系統(tǒng)；⑤在測(cè)區(qū)附近岸邊設(shè)立GPS 基站，同步記錄GPS 數(shù)據(jù)；⑥進(jìn)行聲速剖面測(cè)量，并將聲速數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集軟件；⑦檢查各項(xiàng)設(shè)置無誤后，開始測(cè)量工作，并記錄原始數(shù)據(jù)。

4.2 地形分析

測(cè)量結(jié)束后，將基站數(shù)據(jù)連同姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，獲得精化后的姿態(tài)和定位成果。 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，包括姿態(tài)改正、吃水改正、水位改正、聲速改正和錯(cuò)點(diǎn)剔除等，構(gòu)建檢測(cè)區(qū)域數(shù)字表面模型（DSM），見圖4。DSM 是地表包含了所有地物高程信息的模型表達(dá)，它以規(guī)則格網(wǎng)的平面坐標(biāo)（x，y）表示位置，以高程坐標(biāo)（z）表示該格網(wǎng)的高程，準(zhǔn)確描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布和地形的高低起伏。 根據(jù)DSM 的這一突出特點(diǎn)，通過地形分析，判斷檢測(cè)區(qū)域地表形態(tài)的變化，對(duì)比設(shè)計(jì)資料即可研判該區(qū)域的沖刷狀況。

圖4 數(shù)字表面模型

分析圖4可知，護(hù)坦表面相對(duì)平整，防沖段部分消力墩形態(tài)不規(guī)則。 為了定量分析消力池地形變化情況，分別對(duì)這兩個(gè)區(qū)域采用特征剖面法進(jìn)行地形分析。護(hù)坦特征剖面布設(shè)3 條，間隔10 m；防沖段特征剖面沿著消力墩中心位置，共布設(shè)13 條。 特征剖面布設(shè)示意見圖5。

圖5 特征剖面布設(shè)示意

特征剖面地形提取方法：從剖面線的起始點(diǎn)開始，沿剖面線每隔0.2 m 取一個(gè)點(diǎn)，獲取所有點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值，以起始點(diǎn)為里程原點(diǎn)、里程為橫軸、高程為縱軸繪制地形。 護(hù)坦1 號(hào)～3 號(hào)特征剖面地形見圖6。

圖6 護(hù)坦1 號(hào)～3 號(hào)特征剖面地形

由圖6可知，護(hù)坦地形高低起伏，說明存在沖刷和淤積的情況。 護(hù)坦1 號(hào)～3 號(hào)特征剖面地形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 護(hù)坦特征剖面地形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) m

由表1 數(shù)據(jù)可知，高程整體差異不大，表明護(hù)坦?fàn)顩r良好，但存在不同程度的沖刷和淤積，最大沖刷深度位于2 號(hào)剖面，達(dá)到0.10 m，沿水流方向淤積厚度逐漸增大。

用同樣的方法對(duì)防沖段地形進(jìn)行分析。 以防沖段起始位置4 號(hào)剖面、中間位置11 號(hào)剖面和結(jié)束位置16 號(hào)剖面為例，分析消力墩沖刷狀況，見圖7。

狀況良好的消力墩形狀反映在特征剖面上應(yīng)是規(guī)則的梯形。 圖7 顯示，部分消力墩形狀不規(guī)則，甚至缺失，表明消力墩長期受水流沖刷作用造成了不同程度的損壞。 4 號(hào)剖面消力墩中間高程明顯高于消力池底高程，說明此處有淤積情況，淤積厚度約0.5 m，此處消力墩基本完好，結(jié)合護(hù)坦的淤積情況分析，此處的淤積可能是河卵石堆積體。 11 號(hào)剖面消力墩存在不同程度受損，16 號(hào)剖面消力墩損壞比較嚴(yán)重。

圖7 防沖段4 號(hào)、11 號(hào)、16 號(hào)特征剖面地形

統(tǒng)計(jì)4 號(hào)～16 號(hào)剖面消力墩損壞數(shù)量情況表明，隨著防沖段地勢(shì)的升高，消力墩損壞程度趨于嚴(yán)重，損壞的消力墩數(shù)占總數(shù)的36.7%。 應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)資料，通過人工摸排或水下攝像確認(rèn)現(xiàn)狀，分析原因，及時(shí)采取有效措施排除安全隱患。

4.3 精度分析

Teledyne ODOM MB2 多波束系統(tǒng)集成了Applanix公司的高精度POS 姿態(tài)和Trimble 方位一體化測(cè)量系統(tǒng)。 馮義楷等［8］已通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的精度：基于GNSS 方位輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理及技術(shù)，定位精度可以達(dá)到優(yōu)于2 cm 級(jí)別，方位角精度可以優(yōu)于0.01°（依賴于雙GNSS 天線之間的基線長度），該技術(shù)對(duì)水下地形測(cè)量準(zhǔn)確度提升作用顯著。 因此，對(duì)于平面定位精度本文不再討論，只討論測(cè)深精度。

測(cè)量區(qū)域?qū)嶋H水深3～20 m。 根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197—2013）的規(guī)定：水深≤20 m 時(shí)，深度比對(duì)互差≤0.4 m；水深為1～10 m 時(shí)，測(cè)深中誤差≤0.15 m；水深為10～20 m 時(shí)，測(cè)深中誤差≤0.20 m；深度比對(duì)超限點(diǎn)數(shù)超過參加比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的20%時(shí)應(yīng)進(jìn)行重測(cè)。 本文共選取檢核點(diǎn)202 個(gè)，以互差中誤差作為測(cè)量誤差。測(cè)深精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 測(cè)深精度統(tǒng)計(jì)

由表2可知，202 個(gè)檢核點(diǎn)中，互差小于0.4 m 的點(diǎn)有197 個(gè)，占檢核點(diǎn)總數(shù)的97.52%；互差≥0.4 m 的點(diǎn)有5 個(gè)，占檢核點(diǎn)總數(shù)的2.48%。 除去5 個(gè)互差超限的點(diǎn)，互差中誤差為7.3 cm。 結(jié)果表明，本次試驗(yàn)的水深測(cè)量精度符合《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197—2013）的規(guī)定，檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

5 結(jié)論

分析了多波束測(cè)深的原理，利用免校準(zhǔn)的便攜式多波束測(cè)深系統(tǒng)，基于地形分析方法檢測(cè)了消力池的沖刷狀況。 便攜式多波束測(cè)深系統(tǒng)具有高度集成、體積小、質(zhì)量小、免校準(zhǔn)、易安裝的優(yōu)點(diǎn)，在狹長河道具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，值得同類工程借鑒應(yīng)用。 多波束系統(tǒng)既可發(fā)揮前期探查作用，又可提供定量依據(jù)，與人工摸排和水下機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合可發(fā)揮更大、更有效的作用。