航道整治建筑物水下檢測方法初探

張瑩 康路遙 許吉羊

摘 要：隨著我國航道的飛速發展，航道工程建設規模、投資力度達到歷史新高度。為保障航道整治建筑物工程質量，總結近年來航道整治建筑物水下檢測最新發展成果，本文從原理、適用性等角度出發，介紹主要檢測方法及特點，為現階段的檢測工作提供依據。

關鍵詞：航道整治建筑物;水下檢測;工程質量

中圖分類號：U617.9? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0130-03

1引言

航道整治建筑物一般位于迎流頂沖部位，隨著河床變化以及水流沖刷，建筑物周邊易毀損。如不能發現其損毀，及時采取維修措施，則損毀將進一步加劇，最終影響航道整治建筑物整治功能的發揮，且維護成本會大大增加，因此定期對航道整治建筑物進行檢測顯得尤為重要。本文特對現有主要航道整治建筑物水下檢測方法進行分析總結，為檢測人員制定檢測方案提供依據。

2航道整治建筑物水下檢測方法

2.1水下探摸攝像檢測方法

水下探摸攝像檢測方法是通過搭建攝像平臺，連接攝像機與水下電視，水面操作人員根據監控電視系統指揮潛水員，順定位軌跡進行檢測作業，潛水員與水上操作人員通報水下具體情況，并進行水下攝像取樣。如遇被沙淤埋的情況，用高壓水槍沖沙清理干凈后再進行攝像作業。潛水員根據本次檢測的實際情況，做出客觀具體的潛水檢測報告。檢測員再結合檢測報告，組織整理相關材料，提供準確的檢測結果。

水下攝像系統檢測優點是較為直觀，能夠清楚看到水底構筑物狀態，潛水員可在水下進行障礙物清除等簡單的施工作業。其缺點是檢測受流速、水深、水質狀況、構筑物淤埋情況等多種條件限制。

2.2二維圖像聲吶檢測法

二維圖像聲吶檢測法是通過發射聲波在物體或河床表面發生吸收、反射及散射，部分散射能量沿發射方向返回換能器處而被接收，聲吶探頭以一定角速度繞豎直軸步進旋轉，每次旋轉重復聲波的發射和接收，從而實現對周圍一定角度范圍內目標的掃描探測。基于二維掃描聲吶圖像可開展水下目標的發現、屬性定性判讀、簡單距離量測工作。

二維圖像聲吶檢測優點是采用靜態旋轉掃描模式，在相同作業條件下實現對同一目標的多次掃描，適合于水下目標實時動態檢測。通過GPS和羅經等設備實現聲吶探頭的絕對定位，從而實現多站二維掃描圖像的地理鑲嵌，可進行水下目標分布范圍的檢測。

二維圖像聲吶檢測缺點，航道整治構筑物一般范圍較大，聲吶設備有效作業半徑多小于100m，大區域成圖時需要多站掃描拼接。受旋轉步進角度的限制，二維掃描圖像并非等分辨率成圖，其成圖綜合分辨率多為分米級，形成的圖像為二維平面投影圖像，無法反饋構筑物的立體形態。單站測量時，要求整個掃描過程處于同一測量基準下，施測過程對平臺穩定性要求較高。且構筑物淤埋情況下無法使用二維圖像聲吶檢測。

2.3三維圖像聲吶檢測法

三維圖像聲吶系統又稱水下三維全景成像聲吶系統，該系統可生成水下地形、結構和目標物的高分辨圖像。三維圖像聲吶通過聲學閃耀陣列將不同頻率聲波按一定的角度輻射形成扇面，不同頻率對應不同的輻射角度，聲波經目標反射后被聲學接收器所接收。

三維圖像聲吶在30m范圍內，其長度誤差在4cm以內，角度誤差在1°以內，球形掃測一圈大約在6min-12min左右，適用于小范圍定點靜態掃描，所成圖像為三維立體圖像，對細節識別度高。三維圖像聲吶缺點是掃測范圍小，對整治建筑物整體狀態檢測較為困難，需設置多個測點，拼圖數據量和工作量大。單站測量時，要求整個掃描過程處于同一測量基準下，施測過程對平臺穩定性要求較高，且同樣對有淤埋構筑物無法檢測。

2.4多波束檢測法

多波束測深系統由波束換能器陣、波束空間位置傳感器、數據采集處理系統等三部分組成。該系統通過發射和接受聲波，獲得波束到達水底的時間，計算水深值。其主要用于對水下地形地貌進行大范圍全覆蓋測量及水下實時聲納三維圖像顯示，可直觀地看到水下的地形起伏、沖淤情況以及護岸工程的效果。

多波束測深系統適用于大范圍走航掃測，掃測精度高，掃測成圖為三維圖像，以廣泛用于航道整治建筑物的檢測和航道水底地形的掃測，并且對細節識別度較高，可以對船舶姿態的影響進行修正。多波束測深系統的缺點是價格高昂，配套設備較多，安裝復雜費時，只能檢測江底表面的狀態，不能檢測淤埋的整治建筑物和沉船。

2.5三維高分辨率多道纜地層剖面系統檢測法

三維高分辨率多道纜地層剖面系統由電源箱、震源、水聽器纜、采集單元這幾個主要部分組成。完整的系統可以應用于淡水或海水環境下獲取高分辨率三維地震數據，穿透能力可達到湖、河床下面約300m的深度，這種對地層的穿透能力是淺地層剖面儀所不能達到的，在對剖深和分辨率有更高要求時，絕大多數使用者都會選擇利用電火花剖面系統來進行工作。

不同于普通淺水電火花系統，三維電火花地層剖面系統能夠提供的是三維底層沉積及掩埋物體圖像。該功能主要針對的是對埋在水底下面的目標的探測，例如管道、錨鏈、鐵錨及沉船等。因為該類目標在實時二維圖像中，往往需要多年的經驗進行判斷，或者只有在進行了多條測線的測量后，才能夠通過某些特定軟件進行數據處理，得到相對確定的判斷。但三維電火花剖面系統，能夠幫助沒有多年經驗的使用者，得到直觀的水底埋藏目標的圖像。

該系統可以應用于湖泊與江河勘測、港口勘測、水利工程，橋梁、路由管道、風電項目勘察，掩埋礫石清理，航道危險障礙物調查等項目中。三維電火花系統要求船至少有25-35m長和6-8m寬。船只尾部固定兩個伸出船側的支架，支架需要約6m長，具體長度根據船只情況確定。船只運行時的噪音與運行時的動力成正比，因此建議使用低功率，一臺低轉速推進器。為了方便布放地震纜絞車和兩個震源，船只后甲板應有最少25-30m2空間。2臺高壓電源箱、2臺采集系統和地震纜定位系統需要在測量室內留出約20m2空間。

相較于其他檢測方法，三維電火花系統檢測能穿透地層，對一定深度的水底地層形成三維圖形，通過切片分析可以探知淤埋整治構筑物和沉船情況。其具有成像立體，精確度更高，易分辨目標物等優點。但三維電火花安裝較為復雜，價格高昂，作業難度大，且數據后處理耗時較長。

3結語

隨著社會的發展，人們對航道整治建筑物工程質量要求越來越高，合理規范應用各類水下檢測手段，對施工質量進行有效監控和檢測將成為工程中的頭等大事。在檢測前期，檢測人員應結合現場情況、各類檢測方法的特點綜合考慮，制定檢測方案。對于檢測情況較為復雜的項目可采用多種檢測方法組合的方式進行檢測，以提高檢測效率及質量。

參考文獻：

[1]JTS 131-2012，水運工程測量規范[S].

[2] 趙建虎.現代海洋測繪[M].武漢：武漢大學出版社，1997.

[3] 聶炳林.國內外水下檢測與監測技術的新進展[J].中國海洋平臺，2005，20（5）：43-45.

[4] Shi K.Fundamentals of geophysics[M].Beijing Peking University Press，2002.

[5] 呂莉.高新技術在水下測量中的綜合應用分析[J].科技信息，2013，13（2）：76-77.

[6] 李家彪，等.多波束勘測原理技術與方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[7] 賈貽玲.多波束測深系統在內河航道測量中的運用[J].工程技術，2016，7（9）：18.

[8] 王麗娜.側掃聲吶數據采集與地貌圖像構建[J].北京測繪，2018，8（32）：965-969.

[9] Pinto M，Ferreira B， Matos A， etal. Side Scan Sonar Image Segmentation and Feature Extraction[C]. Oceans.2009，IEEE：1-9.