三維聲吶系統(tǒng)在水工建筑物水下結構檢測中的應用

郭樹華，張 震

（上海勘測設計研究院有限公司,上海 200434）

1 概述

目前，國家對于水工建筑物的維修與加固投資逐漸加大，如何對水工建筑物維修加固、改建或重建提出科學合理的決策，這就需要對水工結構進行安全檢測并評價其安全類別。其中，最重要的是做好水工結構的安全檢測工作，檢測結果不但是評價水閘的重要依據(jù)，也是復核計算的基礎。

常規(guī)的水閘工程安全檢測工作，主要分為水上、水下檢測兩部分。其中，水上結構包括中控室、交通橋、圓弧翼墻、護岸擋墻等部分，可以通過直觀的檢測手段如目視、攝像等，也可以用全站儀測量，取芯室內(nèi)抗壓試驗等方法檢測水閘現(xiàn)有狀況。對于隱患情況的探查，如滲水、塌陷等情況，可以通過綜合物探的方法（高密度電法、地質(zhì)雷達法等）解決。

水閘工程水下結構指常水位時位于水面以下的結構，如水閘閘室、消力池、護坦、防沖槽等。主要問題有混凝土結構表面破損、裂縫，鋼筋裸露銹蝕、止水分縫破損、滲水，底板混凝土沖刷或者閘室及航道內(nèi)淤積等情況。長期以來，水利工程的水下探測工作主要憑借潛水員的水下作業(yè)技能、經(jīng)驗進行判斷，較多依賴于水質(zhì)清晰度及雙手觸覺，通過探摸辨識水下結構異常情況，并通過實時對話進行描述記錄[1]。近年來，有較多的先進光學、聲學探測設備投入到水下檢測中來，如水下高清攝像機、水下激光成像、水下多波束測深系統(tǒng)、側掃聲吶等，但這些設備都存在一定的使用限制條件。

2 水下結構檢測難點

（1）采用人工水下探摸時經(jīng)常會遇到作業(yè)條件受限，如水流過急或水下能見度較低；作業(yè)時間受限，潛水作業(yè)不能滿足長時間大面積檢查工作任務；作業(yè)深度受限，適合人工探摸作業(yè)有一定潛水深度要求，如水庫、大壩蓄水較深時人工難以完成任務；另外，潛水員對于水下結構的熟悉程度及專業(yè)知識儲備有限，探摸會受主觀因素影響，描述缺乏可靠性。

（2）采用光學、聲學設備時，針對水下滲漏、銹蝕、裂縫、沖坑與淤積等問題，只能做到“定性不能定量，定點不能定面”。如水下攝像，雖然操作方便簡單，但是檢測結果依賴于相機成像效果，并且極大地受制于水質(zhì)情況。如水下激光成像方法，因為激光在水中會發(fā)生散射能量損耗較大，所以成像范圍較小，只能定點檢查，不能大面積的檢查。多波束的聲信號傳播到垂直面時，小部分原路反射被換能器接收，大部分會由于垂直面的不平整導致反射到底面，然后部分聲信號經(jīng)過二次反射，再被接收換能器捕捉，這樣會在垂直面出現(xiàn)聲信號空白區(qū)域，無法判斷是否由于沖刷淘蝕等原因造成。側掃聲吶只能獲得二維地貌聲圖，難以量化沖刷缺陷、淘蝕等尺寸[2]。

本次采用三維聲吶技術，操作便捷，安裝方便，可以通過處理軟件實時顯示水下結構的三維圖像。

3 三維聲吶系統(tǒng)介紹及其特點

三維聲納可進行水下全景聲吶掃描成像檢查，利用聲吶穿透表面附著物，生成高分辨率的3D全景圖像。基本工作原理是三維成像聲吶系統(tǒng)向目標區(qū)域發(fā)射聲信號，利用聲成像方法對接收到的回波信號進行處理，獲得一系列二維圖像，直接采集到目標外形輪廓的水平（X）、垂直（Y）、高度（Z）三個方向上的數(shù)據(jù)，同時獲得目標物材質(zhì)等更多細節(jié)描述。一次成像過程可同時獲得振幅圖像和距離圖像，通過自動計算將這兩類聲吶圖像進行處理合成，最終形成目標體的三維影像[3]（見圖1）。

圖1 三維聲吶檢測原理示意圖

BV 5000 水下三維聲吶系統(tǒng)是一款緊湊輕便的聲吶系統(tǒng)，工作頻率為1.35 MHz，掃描范圍為1 m～30 m，可在低能見度或者零能見度水下環(huán)境中開展作業(yè)，利用高分辨率聲波技術形成精細的水下三維圖像點云數(shù)據(jù)，點云圖精度最小可達1.2 cm（軟件技術手冊）。特別適用于復雜水下結構、三維場景的區(qū)域勘測和堤壩、管道等檢查。

BV 5000 水下三維聲吶系統(tǒng)儀器設備見圖2，設備主要技術參數(shù)見表1。

圖2 BV5000三維聲吶系統(tǒng)

對BV 5000 水下三維聲吶數(shù)據(jù)進行處理時，可以通過軟件設定同一站位上采集到的所有點云數(shù)據(jù)自動合并，以增加三維點云數(shù)據(jù)的精度；對于相鄰站位間的三維點云數(shù)據(jù)，則可通過兩次檢測數(shù)據(jù)間共有特征物點云數(shù)據(jù)進行匹配，從而實現(xiàn)不同站位間三維點云數(shù)據(jù)的合并。

利用專業(yè)點云數(shù)據(jù)后處理軟件，不僅可以進行點云數(shù)據(jù)的清錯點、刪噪點等測站檢測數(shù)據(jù)后處理工作，還可實現(xiàn)不同測站間檢測成果數(shù)據(jù)的拼接融合；并對最終成果點云數(shù)據(jù)進行瀏覽、判讀，精確量測異常情況的位置和發(fā)育情況。

表1 BV5000主要技術指標

4 工程應用

本次鑒定的水閘為單孔閘，閘門孔口凈寬4 m，工程為Ⅰ等工程，水閘主要建筑物為1 級建筑物，其它永久性建筑物為3 級建筑物，臨時建筑物級別為4 級，其主要功能是防洪擋潮、引水、排澇等。

水閘工程范圍順水流方向長118 m，主要有內(nèi)外河防沖槽、內(nèi)外河海漫、內(nèi)外河消力池和閘室等組成，閘室采用鋼筋混凝土塢式結構，水閘引水流量40 m3/s，排澇流量35 m3/s，內(nèi)外河消力池均采用鋼筋混凝土U型結構，內(nèi)外河海漫段、防沖槽段采用漿砌塊石護面，兩岸為斜坡，坡度為1∶2。

使用三維聲吶系統(tǒng)作業(yè)可以采用兩種方式，一種是固定測站式，一種是移動測站式，移動式需要水下機器人攜帶設備沿設定航線行進，通過機器人的定位信息將采集數(shù)據(jù)拼接，從而形成三維圖像，但是移動測站式對于水下定位信息要求較高，且操作水下機器人較為復雜。本次檢測采用固定測站式，共布設有效測站4 站（見圖3）。作業(yè)時BV 5000 水下三維聲吶系統(tǒng)由定制支架底座支撐，通過人工岸邊吊放完成檢測作業(yè)。BV 5000 三維聲吶系統(tǒng)采用水底定點掃描檢測作業(yè)，通過多站位檢測數(shù)據(jù)組合拼接，最終實現(xiàn)對水閘工程水下結構的全覆蓋檢測。

經(jīng)外業(yè)測站檢測數(shù)據(jù)后處理和站間后處理數(shù)據(jù)拼接融合，獲得水閘內(nèi)側聲吶檢測成果數(shù)據(jù)，并生成檢測成果點云數(shù)據(jù)模型，見圖4～圖6。

圖3 測站布置示意圖

圖4 水閘內(nèi)側點云數(shù)據(jù)概略圖

圖5 水閘內(nèi)側點云數(shù)據(jù)平視圖

圖6 水閘內(nèi)側點云數(shù)據(jù)俯視圖

經(jīng)點云數(shù)據(jù)模型瀏覽研判，水閘內(nèi)側水下聲吶檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量及站間檢測數(shù)據(jù)拼接融合狀態(tài)良好，最終檢測成果點云模型完整、良好。水閘內(nèi)側各水下結構完整，閘室底板、導流明渠立墻未見明顯破損，消力池結構完整，檢修閘門門槽狀態(tài)完好，閘室底部各處未見明顯淤積，水下結構整體狀態(tài)良好。對于細部結構如岸坡臺階、閘室兩側門槽及閘門結構等，均能清晰可見（見圖7、圖8）。

通過三維聲吶技術檢測到水下結構的情況，根據(jù)以上信息進行水閘穩(wěn)定安全復核、翼墻結構安全復核、堤防整體穩(wěn)定安全復核、消能防沖能力復核計算等，最終確定水閘評定等級，為水閘下一步運行維護提供依據(jù)。

圖7 水閘內(nèi)側河道岸坡臺階點云數(shù)據(jù)

圖8 水閘內(nèi)側檢修閘門門槽及閘門結構點云數(shù)據(jù)

5 結論與展望

（1）三維聲吶系統(tǒng)固定測站式作業(yè)時，應提前了解現(xiàn)場情況，通過比較三維聲吶系統(tǒng)最優(yōu)掃描范圍及目的檢測范圍，確定測站位置及點數(shù)，有利于數(shù)字成果優(yōu)化。

（2）可以將三維聲吶系統(tǒng)與多波束及側掃聲吶掃測相結合，既可以彌補多波束和側掃聲吶部分區(qū)域數(shù)據(jù)缺失的問題，又能實現(xiàn)渾濁水體下水下結構細部情況探查。

（3）三維聲吶檢測成果滿足水工建筑物水下結構檢測要求，可以進一步推廣并建立統(tǒng)一的技術標準。