多波束測(cè)深系統(tǒng)在葛洲壩導(dǎo)沙底坎清淤中的應(yīng)用

張壯志，劉暢快

（1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，湖北宜昌443002；2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北宜昌443002）

1 多波速測(cè)深系統(tǒng)介紹

多波束測(cè)深系統(tǒng)也稱聲納陣列測(cè)深系統(tǒng)，利用超聲波原理進(jìn)行工作。系統(tǒng)由GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、多波束換能器（探頭）、光纖羅經(jīng)、聲速剖面儀、水深數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和處理軟件構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。多波束測(cè)深系統(tǒng)信號(hào)接收部分由n個(gè)成一定角度分布的相互獨(dú)立的換能器完成，每次能采集到n個(gè)水深點(diǎn)信息，可對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全范圍無(wú)遺漏掃測(cè)。目前，該系統(tǒng)波束數(shù)已達(dá)100多個(gè)，波束寬度僅有1°～2°，總掃描寬度為150°～180°，多波束按帶狀方式進(jìn)行，水下覆蓋為一個(gè)面（見(jiàn)圖2），所覆蓋的寬度是水深的4～10倍[1]，極大地提高了測(cè)量的效率，可完全實(shí)現(xiàn)測(cè)深數(shù)據(jù)自動(dòng)化及在外業(yè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)自動(dòng)繪制出測(cè)區(qū)水下彩色等深圖。利用多波束聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)掃成像，提供直觀的測(cè)時(shí)水下地貌特征，被形象地稱為“水下CT”。

2 多波速測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目背景

葛洲壩水電站是一座低水頭徑流電站。經(jīng)多年運(yùn)行，葛洲壩大江電站上游導(dǎo)沙坎前已淤積了大量泥沙，不能發(fā)揮原有的攔沙作用。大量亂石挾泥沙沖至大江電站排沙底孔進(jìn)水口區(qū)域，已對(duì)該區(qū)域底坎鋼板及底板混凝土造成不同程度破壞，需對(duì)大江電站上游導(dǎo)沙坎前區(qū)域?qū)嵤┣逵夙?xiàng)目。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)主要組成部分Fig.1 Main components of the multi-beam echo sounding system

圖2 多波束水下覆蓋圖Fig.2 Underwater coverage of the multi-beam echo sounding system

為全面反映清淤前后水下地形的變化情況及對(duì)清淤工作量進(jìn)行精確計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，選用多波束測(cè)深系統(tǒng)來(lái)完成電站上游導(dǎo)沙坎前區(qū)域清淤前后的水下地形測(cè)量。

2.2 測(cè)量范圍

該項(xiàng)目橫向測(cè)量范圍為大江防淤堤至三江防淤堤之間水域，縱向測(cè)量范圍為從大江防淤堤堤頭至葛洲壩水利樞紐上游壩體。整個(gè)測(cè)區(qū)范圍（如圖3）沿壩軸線方向約1.4 km，垂直壩軸方向約1 km，測(cè)量面積約1.4 km2。

圖3 葛洲壩大江電站上游導(dǎo)沙坎前清淤區(qū)域圖Fig.3 Sketch of sediment elimination at Dajiang hydropower station

2.3 技術(shù)措施

2.3.1 技術(shù)準(zhǔn)備

（1）儀器設(shè)備的選用

該系統(tǒng)導(dǎo)航定位采用Trimble5700型GPS，利用其實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)進(jìn)行GPS導(dǎo)航定位。導(dǎo)航軟件采用HypackMAX綜合水文測(cè)量軟件。水下地形施測(cè)前應(yīng)選取岸上至少一個(gè)五等平面控制點(diǎn)對(duì)DGPS定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)，達(dá)到精度要求方可用于水下定位測(cè)量，DGPS參考站架設(shè)引據(jù)控制點(diǎn)一般不應(yīng)低于五等平面精度。

該系統(tǒng)主要儀器設(shè)備見(jiàn)表1。

（2）多波速系統(tǒng)的校正

系統(tǒng)校正操作應(yīng)在水下掃測(cè)之前或掃測(cè)結(jié)束后立即開(kāi)展，以保證系統(tǒng)校正與掃測(cè)時(shí)多波束系統(tǒng)各儀器狀態(tài)一致。多波束系統(tǒng)校正計(jì)算應(yīng)在校正操作現(xiàn)場(chǎng)完成并做好校正參數(shù)記錄,多波束系統(tǒng)校正方法及要求見(jiàn)表2。

（3）聲波剖面測(cè)量

聲速剖面測(cè)量采用SV Plus3643型聲速剖面儀，量測(cè)掃測(cè)區(qū)域水表面至河床底（最大水深）的溫度和聲速剖面。

表1 多波速測(cè)深系統(tǒng)主要設(shè)備配置Table 1:Main equipments of the multi-beam echo sounding system

（4）測(cè)線布設(shè)

主測(cè)線宜平行于等深線總方向或岸線，檢查線應(yīng)垂直于主測(cè)線方向且均勻布設(shè)，在重要航行地區(qū)，測(cè)線間距取有效掃寬的1/2，一般采用全覆蓋測(cè)量，測(cè)線間距不大于有效掃寬的4/5。

在保證全覆蓋的前提下，測(cè)線部分地段超寬長(zhǎng)度小于測(cè)線長(zhǎng)度1/5的不需要補(bǔ)線。垂直于主測(cè)線方向均勻布設(shè)3條或3條以上檢查線，進(jìn)行多波束測(cè)深檢查。

（5）測(cè)深準(zhǔn)備

探測(cè)距離（量程）足夠大，保證在測(cè)區(qū)最深區(qū)域仍可實(shí)現(xiàn)最大掃寬，又不宜太大以便獲得比例適當(dāng)?shù)钠聊槐O(jiān)測(cè)效果。

發(fā)射功率應(yīng)足夠高，保證在全測(cè)區(qū)（或分區(qū)施測(cè)的某一區(qū)域整體）內(nèi)都有足夠強(qiáng)的回波信號(hào)；發(fā)射功率又不宜太大，以抑制二次回波、擊穿海底等不良現(xiàn)象發(fā)生。

接收增益宜取較低水平，以避免超飽和現(xiàn)象，并適當(dāng)抑制噪聲，接收增益又不可太小，否則會(huì)丟失信號(hào)。

表2 多波束系統(tǒng)校正方法及要求Table 2:Correction method and requirement for the multi-beam echo sounding system

2.3.2 外業(yè)水下地形數(shù)據(jù)采集

測(cè)深過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)傳感器、電羅經(jīng)、定位及測(cè)深設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。姿態(tài)傳感器或測(cè)深設(shè)備發(fā)生故障必須立即停止作業(yè)；羅經(jīng)持續(xù)10 s故障應(yīng)立即停止作業(yè)，定位數(shù)據(jù)持續(xù)20 s不正常停止作業(yè)，并合理補(bǔ)線。

線測(cè)量時(shí)，使用小舵角修正航向，盡量避免急轉(zhuǎn)彎。

測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)再次核對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，及時(shí)將外業(yè)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件包能使用的數(shù)據(jù)格式，交付內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用。

測(cè)量結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，應(yīng)排除一切不確定因素，記簿人簽字后方可交內(nèi)業(yè)使用。

2.3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前應(yīng)正確選取測(cè)船配置文件、濾波參數(shù)，在確保數(shù)據(jù)完整的前提下剔出導(dǎo)航、水深等數(shù)據(jù)的粗差，使數(shù)據(jù)處理時(shí)的顯示效果更合理。數(shù)據(jù)處理前應(yīng)進(jìn)行聲速剖面改正。

對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與檢驗(yàn)、聲速改正、水深數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)抽稀、合理構(gòu)造DTM模型，最后按工程測(cè)量要求輸出高密度水下地形點(diǎn)位成果并繪制測(cè)區(qū)水下地形圖，分色繪制測(cè)區(qū)三維電子圖。

水下點(diǎn)位成果輸出時(shí)除需輸出一定比例尺成圖點(diǎn)距成果外，還需輸出1 m測(cè)點(diǎn)間距水下點(diǎn)位成果（在與壩體及岸邊相接位置5 m范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)間距加密至0.5 m）供清淤工程量計(jì)算使用。圖4為經(jīng)多波速系統(tǒng)校正的橫偏圖及艏偏圖。

2.4 檢查成果

多波速測(cè)深系統(tǒng)在清淤前后各完成一次水下地形的量測(cè)，圖5客觀地反映了2號(hào)剖面和52號(hào)剖面清淤前后橫斷面的變化情況。圖6為多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)生成的導(dǎo)沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)（疏浚區(qū)），通過(guò)與圖7（地形數(shù)據(jù)生成的導(dǎo)沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)圖）對(duì)比，量測(cè)成果一致。

2.5 多波速測(cè)深系統(tǒng)檢驗(yàn)

評(píng)估多波束測(cè)深精度的一種有效方法是采用與主測(cè)線相交的檢查測(cè)線，用這種方法可以評(píng)估多波束本身以及各傳感器安裝、校準(zhǔn)、水位改正、聲速改正等對(duì)測(cè)量結(jié)果的綜合影響。外業(yè)實(shí)施時(shí)，本次施工采用了多波束與單波束同步進(jìn)行水下地形測(cè)量方式以驗(yàn)收多波束測(cè)深成果質(zhì)量（見(jiàn)圖8、圖9），水深測(cè)量驗(yàn)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

圖4 多波束校正Fig.4 Correction for the multi-beam echo sounding system

圖5 不同位置清淤前后橫斷面變化圖Fig.5 Topography conditions before and after sediment elimi?nation

2.6 清淤量計(jì)算

根據(jù)多波速測(cè)深系統(tǒng)提供的清淤前、后導(dǎo)沙坎前區(qū)域的三維電子圖，結(jié)合斷面變化圖，依據(jù)相關(guān)規(guī)范[2，3]，本次清淤量計(jì)算分別按照開(kāi)挖總方量、控制范圍內(nèi)的約定有效開(kāi)挖方量、控制范圍外擴(kuò)1 m、2 m、3 m、4 m的開(kāi)挖方量等6項(xiàng)不同要求進(jìn)行，通過(guò)比對(duì)及加權(quán)處理得出最終清淤方量。

圖6 采用多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)生成的導(dǎo)沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)（疏浚區(qū)）Fig.6 Three-dimensional topography after sediment elimination measured by the multi-beam echo sounding system

圖7 采用地形數(shù)據(jù)生成的導(dǎo)沙坎前區(qū)域清淤后立體形態(tài)（ABCDE為清淤區(qū)域）Fig.7 Three-dimensional topography after sediment elimination established with topographic data(ABCDE was the area of sedi?ment elimination)

表3 各測(cè)次水下地形驗(yàn)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表Table 3:Statistics of precisions of the topography measurement tests

3 結(jié)語(yǔ)[4]

多波速水下測(cè)深系統(tǒng)在此次葛洲壩導(dǎo)沙坎清淤項(xiàng)目中科學(xué)、真實(shí)地反映了測(cè)區(qū)河床的實(shí)際情況，為該項(xiàng)目的順利實(shí)施及工程量確認(rèn)提供了可靠的依據(jù)。比較清淤前后所測(cè)水下地形圖，橫斷面變化比較明顯,清淤區(qū)域ABCDE范圍內(nèi)設(shè)計(jì)清淤高程為40 m，清淤后區(qū)域內(nèi)的河床平均高程為40.57 m，其中ABCD靠上游側(cè)的（零星小區(qū)域高程高于40 m）大部區(qū)域高程低于40 m，清淤效果較為理想。

圖8 清淤前多波束、單波束檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)示意圖Fig.8 Comparison between measurement results of multi-beam system and single-beam system before sediment elimination

圖9 清淤后多波束、單波束檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)示意圖Fig.9 Comparison between measurement results of multi-beam system and single-beam system after sediment elimination

在該項(xiàng)目實(shí)施一年后，葛洲壩大江電站排沙底孔進(jìn)水口區(qū)域的水下攝像檢查顯示，大江電站導(dǎo)沙坎上游區(qū)域清淤后，排沙底孔進(jìn)水口區(qū)域未出現(xiàn)亂石及泥沙，也沒(méi)有產(chǎn)生新的破壞區(qū)域，導(dǎo)沙坎重新發(fā)揮了其攔沙護(hù)壩的作用。■

[1]高瑩.多波速在掃海測(cè)量中的分析[J].交通科技,2009(1),101-102.

[2]JTJ919-99，疏浚工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[3]JTJ/T321-96，疏浚工程土石方計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:人民交通出版社,1997.

[4]長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局.葛洲壩大江電站上游導(dǎo)沙坎前水域清淤報(bào)告[R].2008.