海洋測量技術方法在涉水工程水下結構檢測中的應用與思考

馮 露，李 艷，翟 潔，曾令煒

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽 合肥 230000；2.安徽省建筑工程質量監督檢測站，安徽 合肥 230000；3.陜西省地下水保護與監測中心，陜西 西安 710003；4.淮河水利委員會治淮工程建設管理局，安徽 合肥 230000)

伴隨現代科學技術的飛速發展和人類對海洋資源的持續探索、開發，海洋測量技術方法也日趨精進和完善，利用多種現代化探測技術方法和儀器設備，人類得以更高效全面地探查了解海洋水下的方方面面。多波束水深測量、側掃聲吶水下探測等探測技術是海洋測量的重要技術方法，極大提高了海洋水下地形地物地貌的探查效率和效果；水下三維聲吶掃測、水下機器人(搭載水下高清攝像及圖像聲吶)檢測等技術為海洋水下精細化測量提供了可能；并有潛水探摸、水面船載、水下機器人搭載等多種海洋測量作業方式。

隨著國家基建領域的快速發展建設，水利水電、橋梁提防、港口碼頭等涉水工程日益增多，相應涉水工程水下檢測需求也日益增多。但相較于較為完善、成熟的海洋測量技術方法和廣泛的行業應用，傳統涉水工程水下結構檢測技術方法仍舊處于相對單一、陳舊的階段，主要靠潛水攝像、探摸為主，具有諸多弊端：

(1)潛水探摸人員安全風險高，多作業環境條件要求高，限制了潛水探摸作業的應用；(2)潛水探摸作業效率較低，不能對水下結構進行高效、全面的檢測；(3)潛水探摸結果主觀影響因素大，呈現形式單一，成果可靠性較差等。

水利水電、橋梁提防、港口碼頭等涉水工程水下結構檢測亟需更高效、精準的水下結構檢測技術方法和儀器設備，多波束水深測量技術、側掃聲吶水下探測技術、水下三維聲吶掃測技術、水下機器人(搭載水下高清攝及圖像聲吶)檢測技術等成熟的海洋測量技術方法在涉水工程水下結構檢測有極其廣泛的應用前景和價值。

1 海洋測量技術方法簡述

1.1 多波束水深測量技術

多波束水深測量技術是海洋測量重要的水深測量技術方法之一，也稱聲吶陣列測深技術，利用超聲波原理進行工作。多波束測深系統通過聲波發射與接收換能器陣進行聲波廣角度定向發射和接收，配合GPS定位設備和姿態校正儀器設備，在與航向垂直的垂面內形成條幅式高密度水深數據，可精確、快速地測繪沿航線一定寬度條帶內海底地形、地貌。目前多波束水深測量系統不僅實現了測深數據自動化，還可以外業準實時自動繪制出測區水下彩色等深圖。

1.2 水下三維聲吶掃測技術

水下三維聲吶是一種高效的水下全景聲吶掃描成像系統，可生成高分辨率的3D全景圖像。水下三維聲吶掃描的基本工作原理是通過發射和接收聲波進行目標測距定位，采用旋轉二維面陣的方式，直接采集到目標外形輪廓的水平、垂直、高度三個方向上的數據，同時獲得目標物的其他細節描述，并借助三維顯示技術，最終生成目標的實時三維立體圖像。該系統能在無GPS信號的封閉空間內獨立使用，是GPS信號盲區水域多波束水深測量技術的友好補充。

1.3 側掃聲吶水下探測技術

側掃聲吶是一種主動式聲吶，從安裝在船體兩側(船載式)或安裝在拖魚內(拖曳式)的換能器中發出聲波，利用聲波反射原理獲取回聲信號圖像，根據回聲信號圖像分析海底地形、地貌，確定海底障礙物分布等。側掃聲吶水下探測具有現場作業簡單、探測成果影像直觀的特點，并可以現場讀圖、識圖，實現水下檢測缺陷異常情況的現場判讀、標識。

1.4 水下機器人檢測技術

水下機器人也稱“水下遙控潛器”(Remotely Operated Vehicle，簡稱ROV)，又叫水下潛航器，是一套高性能的可靠系統，能夠在水下環境中長時間作業的高科技裝備，尤其是在潛水員無法承擔的高強度水下作業、潛水員不能到達的深度和危險條件下更顯現出其明顯的優勢。ROV作為水下作業平臺，采用可重組的開放式框架結構和數字傳輸的計算機控制方式，在有效載荷允許情況下，針對不同的水下檢測任務需要，可在ROV上配置不同的儀器設備，搭載水下高清攝像和水下圖像聲吶系統設備，既可滿足對重點水下目標的抵近精細化測量需要。

2 海洋測量技術方法在水電站水下結構檢測中的應用

2020年10月，實例項目采用綜合海洋測量技術方法對大渡河干流某水電站泄洪閘及下游消力池和海漫水下結構進行了全覆蓋檢測。該水電站采用堤壩式開發，布置有5孔泄洪閘，其中1號～2號泄洪閘壩段長29.0 m，消力池長131.70 m，消力池出口海漫長43.30 m；3號～5號泄洪閘壩段長42.0 m，消力池長131.70 m，消力池出口海漫長135.8 m。

項目現場利用水面橡皮艇配合水下三維聲吶完成了對閘室等GPS信號盲區位置的水下結構掃測作業，利用“無人船+多波束”和“無人船+側掃聲吶”系統設備對測區范圍開展了全覆蓋多波束水深測量作業和側掃聲吶水下探測作業，并現場快速判斷、標定水下結構疑似缺陷情況；在利用ROV水下機器人搭載水下高清攝像和前視圖像聲吶完成對測區范圍全覆蓋的定線巡探普查工作后，再利用ROV水下檢測技術對已經標定的水下結構疑似缺陷情況進行抵近復核詳查。

實例項目歷時4個外業工作日、通過綜合應用多種海洋測量技術方法，完成了對該水電站泄洪閘、消力池和海漫等區域的水下結構全覆蓋檢測工作。相較于往期10多天的潛水探摸作業周期，極大地減少了現場檢測作業工期、降低了現場作業風險和難度，最終：(1)探明了測區水下結構現狀，形成了基礎數據庫和數字化成果；(2)查明了水下混凝土結構沖刷破損等缺陷情況，確定了缺陷形狀及位置；(3)繪制了水下檢測成果缺陷平面圖，列表缺陷性狀、位置及影像資料；(4)形成了項目水電站水下結構檢測成果報告，為后續運維工作提供了科學依據。

圖1 某水電站水下結構檢測多波束水深測量技術作業成果示意圖

圖2 某水電站水下結構檢測側掃聲吶水下探測技術作業成果示意圖

圖3 某水電站水下結構檢測水下三維聲吶掃測技術作業成果示意圖

(搭載水下高清視頻及圖像聲吶)水下機器人檢測技術作業成果示意圖

3 海洋測量技術方法在涉水工程水下結構檢測中的應用思考

(1)多波束水深測量、側掃聲吶水下探測、水下三維聲吶掃測、水下機器人檢測等技術和儀器設備成熟，有完善的操作流程和使用規范，相應技術在海洋調查、海洋測量領域有著廣泛、可靠的應用經驗；相較于單一的傳統水下結構檢測技術方法，多波束等成熟海洋測量技術方法涉水工程水下結構檢測技術有極其廣泛的應用前景和價值。

(2)多波束、側掃等常規海洋測量技術方法側重于對海洋目標對象信息的高效快捷獲取，涉水工程水下結構檢測作業的工作重點在于對水下檢測目標物各項性狀細節信息的詳盡探查。成熟海洋測量技術方法應用于涉水工程水下結構檢測時，應根據具體水下結構檢測需求和特點選擇應用使用的技術方法，并適當調節實際作業操作過程。

(3)多波束水深測量技術可高效快捷的獲取水下地形數據，適用于涉水工程大面積“平鋪”水下結構的檢測，如混凝土底板破損、河道坡面破損、橋墩基礎河床沖刷等；應對水庫大壩面板、港口碼頭立墻等水下“立面”結構檢測需求，可適當調節多波束聲吶的安裝方式，并選用合適的多波束設置參數，以實現對水下“立面”結構的檢測。

(4)側掃聲吶水下探測技術可以直觀、高效的展現水底地物地貌圖像影像，適用于對水下結構的快速普查作業，指導后續局部詳查作業，并用于其它技術方法水下檢測成果的印證復核；通過改變側掃聲吶設備的安裝方式，也可以實現側掃聲吶對水下“立面”結構的檢測。

(5)水下三維聲吶掃測適用于水下結構的小范圍詳查作業，可克服無GPS定位數據的不利因素，并通過特征點匹配與多波束數據相融合；水下三維聲吶具有多種安裝應用方式，可選擇水下坐底、垂直固定安裝、ROV搭載等多種應用方式，極大的拓展了其在水下結構檢測中的應用。

(6)水下機器人檢測技術是深海探測的重要技術方法，近年來開始逐步拓展應用于各類涉水工程水下結構檢測，配載水下高清攝像、圖像聲吶、水下三維聲吶等多種水下檢測儀器設備，可實現多工況、不同水質條件下的水下結構檢測需求，實現對水下結構的近距離精細化測量。

(7)常規海洋測量用多波束聲吶、側掃聲吶、水下機器人儀器設備尺寸較大，很多陸地水體涉水工程水下結構檢作業現場難以滿足其對搭載船只的使用要求，現階段已經開始出現儀器設備小型化、智能無人船一體化的趨勢。隨著技術的進一步發展和成熟，相關海洋測量技術和儀器設備將更加適用于各類涉水工程水下結構檢測的應用。

4 結語

現階段應用在水利水電工程、橋梁提防工程、港口碼頭工程等涉水工程領域的水下結構檢測技術仍相對單一、陳舊，存在測量結果不準確、測量精度不高等缺點，本文介紹了已在海洋測量領域有著成熟應用的相關技術方法，并分析了其在涉水工程水下結構檢測中的應用前景和價值。