多波束探測技術在壩下游沖坑檢測中的應用

(1.長江科學院 工程安全與災害防治研究所，湖北 武漢 430010；2.臺州市地理信息測繪中心，浙江 臺州 318000)

1 研究背景

早期的水下地形測量采用測繩、測桿等，測量精度不高[1]。后來基于回波測深技術的單波束測深儀大大提高了水深測量的精度，由原來的點測量發展為斷面式線測量。多波束測深技術是基于聲波探測技術的新一代水下地形測量技術，一次照射能夠獲得幾百個水深信息。相對于單波束測量，其測量精度和效率更高，在庫容測量、水庫淤積測量、河道勘測等方面應用廣泛[2]。

壩后的沖坑離大壩較近，任由其發展可能對壩基穩定造成威脅，同時影響下游河床和護坡工程安全。但由于高速水流的沖擊和侵蝕，沖坑往往呈“甕”形[3]，常規的水下地形測量方法較難作業，一般采用水下蛙人摸排和水下電視進行錄像。這種方式只能實現對沖坑的定性檢查，無法為后續治理和修復提供準確數據支持。多波束水深探測系統發射扇形波束，掃寬達5～8倍水深，能有效覆蓋“甕”形沖坑，精度高、效率高。利用多波束測量得到的水深數據經過三維建模可以對沖坑的規模與大小進行準確的描述，用于指導沖坑修復。

2 多波束水深探測技術

2.1 多波束測深原理

多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向水底發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對水底地形的照射腳印。這些腳印經過恰當處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面上上百個甚至更多的被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，可比較可靠地描繪出水下地形的三維特征。

換能器是多波束測深系統的核心聲學部件。換能器上布置著正交的發射陣列和接收陣列。發射換能器陣列能同時發射上百個呈扇形分布的聲波，每束聲波在水底形成一個照射腳印。接收換能器陣列可接收到水底返回的聲波信息，經過一定的處理得到照射點的水深值，所有的回波信息經過處理后可以得到水下地形起伏變化等特征。如圖1所示，多波束發射聲波沿垂直航向方向呈扇形分布，除中央波束垂直水底外，兩側波束均有一定的入射角，入射角自中央波束向邊緣波束增大。

圖1 多波束測深原理示意

2.2 多波束系統組成

一套完整的多波束測深系統通常由多波束聲學系統、外圍輔助傳感器、數據處理軟件3部分組成[4-5]。多波束聲學系統主要包括換能器、聲納處理系統及顯示系統；外圍輔助傳感器包括GPS、羅經、表面聲速儀、聲速剖面儀以及姿態傳感器；數據處理軟件主要包括導航采集軟件和后處理軟件。系統組成見圖2[6-7]。

圖2 多波束系統組成示意

多波束聲學處理系統主要由發射和接受換能器以及甲板單元PU組成，負責接受采集軟件的指令實現波束的發射與接受以及波束的修正處理。外圍輔助設備中GPS提供實時平面位置以及PPS同步時間信號，羅經和姿態傳感器為系統提供真北方向和測船縱橫搖以及艏搖姿態信息，聲速剖面儀提供聲線改正，用于對水深測量數據的修正。導航采集軟件實時控制多波束系統用于數據采集和提供導航信息，后處理軟件用于數據精細化處理和建模分析。

2.3 多波束測深精度評定

2.3.1 平面位置精度

多波束測深系統平面位置精度主要由GPS定位精度決定，同時受系統時延誤差、測船縱橫搖及艏搖誤差、聲速誤差等影響。根據誤差傳播定律，平面位置的總誤差為

(1)

式中，mxy為平面位置精度，mGPS為GPS的定位誤差，mTime為時延誤差，mRoll為橫搖誤差，mPitck為縱搖誤差，mYaw為艏搖誤差，mSound為聲速誤差。

2.3.2 水深測量精度

多波束水深測量精度除了受設備自身的水深分辨率影響外，還與潮汐、換能器的動靜吃水、測船橫搖及聲速傳播有關[4]，其誤差計算公式為

(2)

式中，m水深為水深測量誤差，m1為多波束本身測深誤差，m2為潮汐改正誤差，m3為換能器靜態吃水改正誤差，m4為船舶姿態補償橫搖改正誤差，m5為船舶姿態升沉的改正誤差，m6為聲速剖面改正誤差。

2.3.3 內符合精度評定

內符合精度是指儀器多次測量對比的較差，多波束測量中采用內符合精度來評定系統的精度，誤差計算公式為

(3)

式中，M內為內符合精度;δi為多波速測深檢查點的水深測量差;n為檢查點數量。

3 測量方案與成果

3.1 測區概況

某水電站樞紐工程由混凝土拱壩、壩頂溢洪道、右岸引水發電系統及地面廠房等主要水工建筑物組成。大壩為常態混凝土單曲拱壩，壩頂高程613.5 m，最大壩高53.5 m。電站于2012年12月31日下閘蓄水，至2016年共累計104次泄流，最大下泄流量1 349 m3/s，目前已經歷了4個主汛期的運行，為了保障大壩安全，急需對壩后消力池沖坑進行測量。

3.2 測量方案

采用Kongsberg公司EM2040C型雙探頭多波束測深設備聯合GPS進行水下地形測量。由于該水電站位于山區，沖坑下游水位很淺，船只無法駛入。工作人員就地取材，搭建了簡易測量船筏，并將多波束探頭、GPS、OCTANS 光纖羅經等設備固定在船筏上，連同工作站電腦一起組建了一套完整的多波束水深探測系統(見圖3)，完成了消力池水下地形的全覆蓋測量。

圖3 多波束測深系統工作平臺

正式測量需要對縱搖、橫搖以及艏搖進行校準，并利用聲速剖面儀進行聲速改正。測量過程中采用SIS軟件進行導航和顯示控制，保證相鄰測線間有20%以上的重疊度，以提高測深數據的有效性。除了對主測線進行測量外，還布置了3條檢查測線，用于對系統測量精度進行評定。測量完成后采用Qinsy軟件進行噪點剔除以及建模分析，具體作業步驟如圖4所示。

圖4 多波束水下地形測量作業流程

3.3 測量成果

此次測量采用內符合精度對多波束測深精度進行評定，而內符合精度則是基于測量時布置的檢查線與主測線交點和相鄰測線間重疊部分測深值偏差并按照式(3)求得。此次測量共對129個測深點進行了比對分析，統計結果見表1。

表1 測深點差值統計

經計算，M內=±0.132 m ，去除3倍中誤差以外的點，即去掉差值在 0.4及以上的18個點，內符合精度為M內=±0.112 m。計算結果表明多波束實測內符合精度優于測量規范中測深精度要求。

將多波束測量得到的點云數據在GIS軟件中進行建模，得到水下地形的DEM模型，如圖5所示。經計算得出大壩護坦下游沖坑最深點高程為564.45 m，位于靠近溢流左測閘墩處，距離下游護坦約6～8 m處，左岸岸邊深約3.5 m，右岸岸邊深約4.5 m(當日水面高程 573.08 m)。實測坑底高程高于設計限值 557.65 m，未發現沖坑向四周淘刷形成的倒懸，暫時無需進行工程處理，但后期需加強巡視檢查。

圖5 沖坑三維DEM

4 結論與展望

本文結合某水電站壩后沖坑測量工作，從多波束測深原理、系統組成、測量方法以及測量精度評定等方面研究了多波束聲納探測技術用于沖坑檢查的技術體系。該技術體系的研究不僅能夠徹底改變當前沖坑檢查中無法定量的問題，也拓寬了多波束技術在水利工程測量中的應用，值得同類工程借鑒。

目前采用水下機器人ROV和AUV代替蛙人進行水下檢查與拍攝，可以克服作業時間、范圍以及下潛深度的限制，靈活性更高。多波束聯合水下機器人的綜合水下檢測技術既能直觀反應水下情況，又能提供定量的數據分析，將其應用于大壩沖坑檢查，測量成果會更豐富，應用效果會更好。該技術具有很大的推廣價值，后續值得更進一步的研究。