多波束測深系統(tǒng)在水下拋石驗收中的應用

李維奇，王小龍，盧禹成

（1.中交（天津）生態(tài)環(huán)保設計研究有限公司，天津 300461；2.北京京昌工程測繪技術有限公司，北京 102299）

引 言

在航道整治工程中，水下拋石技術因其施工工藝簡單、施工便捷、成本經(jīng)濟等特點而廣泛應用于筑壩、護底、鎮(zhèn)腳、壓載等工程中。水下拋石的合格與否關系到整個整治工程的質(zhì)量，因此對其進行合理有效的驗收則顯得尤為重要。

水下拋石驗收根據(jù)《水運工程質(zhì)量檢驗標準》[1]有如下規(guī)定：護岸工程“在一般工況區(qū)，測點增厚值≥75 %設計增厚值，合格點數(shù)≥70 %；斷面平均增厚值＞70 %設計增厚值，合格斷面數(shù)≥70 %”即為合格。在此基礎上，常規(guī)的檢測方法就是對合格率進行統(tǒng)計，達到規(guī)范要求即判定為驗收合格。傳統(tǒng)方法常采用單波束測量制作斷面線對斷面的點、線進行統(tǒng)計分析。該檢測方法方便快捷，可以直接生成驗收標準要求的斷面圖形。但施工過程中，發(fā)現(xiàn)以離散的點、線方式檢驗拋石，由于每次測量的測線不可能與斷面線完全重合，施工區(qū)域存在欠拋時就會導致每次的結果都不唯一，無法精確計算欠拋量和確定欠拋區(qū)域。

這種離散的點、線檢測方式，由于抽檢斷面選擇的影響，容易造成不合格產(chǎn)品通過驗收，導致工程質(zhì)量事故，給國家和社會帶來惡劣影響。本文以長江口岸直水道整治工程水下拋石驗收工作為例，提出利用多波束格網(wǎng)對水下拋石進行驗收，致力于解決傳統(tǒng)方法驗收結果的不唯一性和隨機性，省時省力，提高效率。該項目護岸拋石分為8個標段，共計18 005 m，總量約85萬m3，丁壩拋石分為7個丁壩1個潛堤，共計5 995 m，總量約80萬m3。作為“十二五”重點工程，該項目對于拋石質(zhì)量的要求高，驗收嚴格，符合本文要求。

1 傳統(tǒng)驗收工作

傳統(tǒng)驗收工作通常采用單波束進行測深，Hypack斷面法就是利用該方法來實現(xiàn)的驗收工作，具體步驟如下：測量數(shù)據(jù)xyz和測量斷面生成TIN模型，然后再生成 ALL格式，最后由斷面模板生成所需斷面。其中有兩個關鍵因素（xyz數(shù)據(jù)的間距，測量斷面的選取）影響驗收效果，尤其測量斷面的選擇很大程度影響了驗收的結果。下面分別以落左上護岸拋石及落成洲頭部潛堤拋石筑壩為例說明傳統(tǒng)驗收工作。

1.1 落左上護岸拋石

選取拋石一個檢驗批（K0+000-K0+200）的工前工后數(shù)據(jù)為例，通過Hypack軟件TIN模型將工前工后水深數(shù)據(jù)生成斷面圖，如圖1、圖2。

傳統(tǒng)拋石驗收采用的是抽檢的方式來進行，當抽檢斷面正好處于拋石效果較好的區(qū)域（K0+100）就會驗收通過，當處于拋石效果較差區(qū)域（K0+140）就會驗收不通過。因此選擇不同斷面對于驗收結果的影響是不同的，結果有多樣性。

將上述檢驗批的驗收數(shù)據(jù)按 10 m/條斷面線生成斷面圖進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)結果如表1所示。

圖1 K0+100斷面示意

圖2 K0+140斷面示意

表1 斷面驗收統(tǒng)計

20條斷面線，5條不合格，15條合格，合格率75 %，達到設計要求。但是如果抽檢驗收選取的斷面不合理，選取了不合格的斷面來進行驗收，就會引起糾紛。反之，如果一個檢驗批不合格選擇合格的斷面來驗收就會造成驗收合格的假象，成為豆腐渣工程，給國家和社會帶來很惡劣的影響。

1.2 落成洲頭部潛堤拋石筑壩

選取落成洲頭部潛堤 K0+1450-K0+1700拋石數(shù)據(jù)做分析，經(jīng)過 Hypack處理，生成斷面如圖 3所示。

生成的斷面線與設計斷面標高進行比對，分析每個斷面的完成情況，不合格的斷面進行補拋或者修整。拋石筑壩采用10 m/條斷面線逐條進行檢查，將不合格區(qū)間進行統(tǒng)計，匯入 CAD圖中，劃分施工格網(wǎng)交付施工船舶使用。該方法雖然可以確定不合格區(qū)間，但是比較繁瑣，需要進行大量計算方可生成最終的施工格網(wǎng)，費時費力。

由此可見面對如此巨大的拋石作業(yè)生產(chǎn)線，常規(guī)的測量及驗收方式已經(jīng)遠遠不能滿足工程要求，因此本文提出利用多波束測深系統(tǒng)的先進性來實現(xiàn)拋石驗收工作。

圖3 拋石筑壩斷面

2 多波束測量原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是，將換能器基陣安裝于專業(yè)測量船底，測量船沿測量海域航行時，換能器基陣向水體底部發(fā)射一個扇形的聲波束，同時接收反向散射信號，通過信號處理技術，獲得聲波束所覆蓋所有采樣點的水深數(shù)據(jù)[2]。接收陣接收底部回波信號后，經(jīng)延時或相移后相加求和，形成幾十個或者數(shù)百個相鄰的波束，扇形的聲波束可以同時獲得與船的航跡相垂直的扇形面內(nèi)的多個水深數(shù)據(jù)，并隨著船的航行不斷疊加，一次測量即可得到航行測線一定范圍內(nèi)的多個水深數(shù)據(jù)。

一個完整的多波束測深系統(tǒng)，除多波束傳感器外還包括一個傳感器安裝平臺、艏向傳感器、姿態(tài)傳感器、聲速傳感器、定位系統(tǒng)和工作站平臺。GPS定位系統(tǒng)可以對測量船實時定位，以便得到每一個測深點的經(jīng)緯度坐標；聲速傳感器可對水體各個深度的聲速傳播速度進行測量，消除聲速傳播誤差；姿態(tài)傳感器可消除船在航行時縱橫搖擺的影響；艏向傳感器可實時修正航行線路方向。

與單波束相比，多波束具有無可比擬的先進性[3]。主要體現(xiàn)在：

1）全覆蓋式測量，測量成果更真實可靠。避免了單波束需要插值從而導致數(shù)據(jù)有一定誤差的缺點。

2）受外界不利因素影響小，多波束測深系統(tǒng)同步記錄船體姿態(tài)信息，起伏、縱搖、橫搖、船向等，由專用后處理軟件對測量結果進行校正。

3）多波束測深系統(tǒng)能對測量資料進行多種成圖處理，可生成等值線圖、三維立體圖、彩色圖像、剖面圖等，同時還能對同一測區(qū)不同測次進行比較以及土方計算等。

4）多波束測深系統(tǒng)可對同一測區(qū)生成不同比例尺的水下地形圖，以滿足不同的需要。

3 多波束驗收方法

根據(jù)上述多波束具有的全覆蓋式測量等優(yōu)點，本文提出利用多波束進行水下驗收的一個新思路，即充分利用多波束格網(wǎng)數(shù)據(jù)比對功能和三維展示功能，增加可讀性，避免因統(tǒng)計問題出現(xiàn)偏差，使驗收成果直觀化、可視化。針對上述兩個案例，分別用多波束進行驗收。

3.1 落左上護岸拋石

以落左上拋石一個檢驗批200 m的工前工后數(shù)據(jù)為例，采用多波束測深系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，然后利用QINSy軟件實現(xiàn)格網(wǎng)方式的分析統(tǒng)計方法，具體步驟如下：

第一步：在QINSy中新建格網(wǎng)，建立三個圖層：GQ、GH、ZENGHOU，分別表施工前、施工后和增厚值。

第二步：將施工前和施工后XYZ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為PTS格式，分別導入到格網(wǎng)對應的圖層GQ、GH中。

第三步：通過格網(wǎng)圖層之間的差值計算，將工前工后數(shù)據(jù)的差值即增厚值在 ZENGHOU圖層中生成。

第四步：根據(jù)設計要求的增厚值，調(diào)整水深值調(diào)整格網(wǎng)色帶顯示，根據(jù)顏色不同，分別展示欠拋區(qū)、超拋區(qū)、流失區(qū)。

第五步：通過格網(wǎng)分析統(tǒng)計一個檢驗批拋石合格率是否達到驗收標準。達到標準繼續(xù)檢驗下一個檢驗批；若沒有達到驗收標準，則將增厚值小于設計標準的欠拋區(qū)水深數(shù)據(jù)導出，生成分析資料，指導施工。

由于格網(wǎng)的特殊性，計算簡便快捷，即刻完成差值比對，唯一需要干預就是驗收參數(shù)的輸入要正確。最終結果如圖4所示，黑色達標，白色不達標。通過 QINSy格網(wǎng)可以很方便快捷判斷出該檢驗批達到了驗收標準，驗收合格，結果是唯一的，不會因斷面的選擇不同而產(chǎn)生不同的結果。

圖4 格網(wǎng)顯示拋石區(qū)域的增厚值

3.2 落成洲頭部潛堤拋石筑壩

落成洲頭部潛堤拋石多波束驗收與護岸拋石驗收前三步與落左上一致。

第四步：根據(jù)施工設計要求，調(diào)整QINSy格網(wǎng)的色彩顯示條帶，將-0.2～0.3 m質(zhì)量控制輸入，生成顯示當前施工達標情況的格網(wǎng)。

通過水深控制輸出未完成施工區(qū)域范圍圖，提交施工船舶，指導施工。如圖5所示，黑色超拋，白色欠拋。

圖5 格網(wǎng)顯示拋石筑壩情況

由于多波束測深系統(tǒng)對水下全覆蓋式測量的優(yōu)點，使得水下拋石驗收結果可以用三維圖形展示目前形成的丁壩狀態(tài)，將水下隱蔽性工程實現(xiàn)可視化，如圖6所示。

圖6 頭部潛堤三維

4 結果分析

對比上述兩個案例，可以看出，采用多波束對水下拋石進行驗收，步驟簡單明了，數(shù)據(jù)更全面，驗收標準更加果斷，能夠解決傳統(tǒng)單波束驗收所帶來的驗收不準確、過程繁瑣等缺點，并可以展示水下拋石的三維圖像，實現(xiàn)成果的可視化，可以在視覺上更加直觀的判斷驗收成果。更加保證了驗收結果的準確性、唯一性。

5 結 語

1）護岸拋石驗收不同斷面的選擇會造成驗收結果的不確定性，使用多波束格網(wǎng)來進行驗收的結果是唯一的，避免產(chǎn)生糾紛。

2）護岸拋石和拋石筑壩的施工一般通過斷面來指導，這樣費時費力，多波束格網(wǎng)方便快捷的計算出施工缺陷區(qū)域，指導拋石船進行施工。避免由于計算延誤導致的重復性作業(yè)，有效降低施工成本。

3）護岸拋石的驗收結果有很大隨機或者人為控制因素，造成國家和人民財產(chǎn)流失，格網(wǎng)驗收就很好解決這一難題，其結論更加公正客觀，為以后制定相應規(guī)范提供依據(jù)。

4）拋石筑壩工程等水下隱蔽工程的驗收一直采用看不見摸不著的模式，多波束水深數(shù)據(jù)形成的三維圖像使水下工程展示在世人面前，可視化的驗收方式更加讓人信服。

本文從實際出發(fā)，利用多波束測深的諸多優(yōu)勢，為水下拋石重大工程的驗收提出一種新的思路。有一定的實際意義。