多波束測深技術(shù)在錦屏二級水電站壩后沖刷分析中的應(yīng)用

周治祥

（浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州，310014）

在水電站運行期間對壩后水下地形進行測量，可及時了解壩后的沖刷情況。水下地形測量是工程測量中的一種特定測量，多用于江河、湖泊和水庫等水下地形圖的測繪工作。傳統(tǒng)水下地形測量方法主要有測深桿法、測深錘法和回聲測深儀法等，但這些測量方法所獲取的水下地形信息較少，水下地形圖的精度普遍較低。隨著水聲技術(shù)、計算機技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)等飛速發(fā)展，多波束測深技術(shù)在水下地形測量中得到廣泛應(yīng)用，可精準(zhǔn)獲取水下地形的三維模型，非常直觀地獲得地貌特征。

1 多波束測深技術(shù)原理

多波束測深系統(tǒng)主要由多波束聲學(xué)系統(tǒng)、多波束采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器等組成，其中：換能器為多波束的聲學(xué)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)波束的發(fā)射和接收；多波束采集系統(tǒng)將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并記錄聲波往返換能器面和水底的時間；外圍設(shè)備（主要包括定位傳感器、姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀和電羅經(jīng)等）測量船瞬時位置、姿態(tài)、航向及聲速傳播特性；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以工作站為代表，綜合聲波測量、定位、船姿、聲速剖面和潮位等信息，計算波束腳印的坐標(biāo)和深度，并繪制水下地形圖。

測深時，多波束測深系統(tǒng)利用發(fā)射換能器陣列，以一定的頻率發(fā)射沿航跡方向開角窄、垂直航跡方向開角寬的波束，利用接收換能器陣列接收聲波（窄波束接收），通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向正交性形成對水下地形的照射腳印[3]，經(jīng)處理計算后可獲得與航跡相垂直的面內(nèi)的多個水深值，精確又直觀地獲得水下三維地形圖。多波束測深工作原理詳見圖1，其中，ΨT為沿航跡方向的發(fā)射波束開角；ΨR為垂直航跡方向的接收波束開角；θi為波束角；ri為距離；xi為波束腳印到天底之間的距離；zi為水深。

2 工程應(yīng)用

2.1 項目概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州雅礱江干流上，系雅礱江卡拉至江口河段五級開發(fā)的第二座梯級電站，上接錦屏一級水電站庫尾。

圖1 多波束工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of multibeam working principle

根據(jù)庫區(qū)泥沙調(diào)查，錦屏二級水電站入庫泥沙在錦屏一級水庫蓄水發(fā)電后已經(jīng)大幅減少，對錦屏二級進洞及過機泥沙影響較大的主要為庫區(qū)內(nèi)的存量泥沙，主要為2013年6月錦屏一級水庫蓄水之前二級庫區(qū)河道中淤積的泥沙以及錦屏一級泄洪洞沖坑沖刷出來的泥沙。為查明錦屏二級水電站閘壩下游護坦及河道水下地形情況、沖刷淘蝕情況及拋填混凝土塊石堆積分布情況，運用多波束測深技術(shù)開展水下地形測量工作。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及處理

2.2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

錦屏二級閘壩下游護坦及河道四周高山環(huán)繞，水下多波束檢查時，應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位。通過采用波動物理原理的“相控陣”方法精確定位512個波束中每個波束的指向（位置），其指向性可控制到0.5°。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要工作如下：

（1）定位坐標(biāo)系的測量與轉(zhuǎn)換。采用GPSRTK技術(shù)提供定位參數(shù)。

（2）多波束檢測系統(tǒng)傳感器安裝。以快艇作為多波束檢測系統(tǒng)的載體，安裝多波束系統(tǒng)水下發(fā)射及接收換能器、表面聲速探頭、固定羅經(jīng)、三維運動傳感器及RTK流動站，各項安裝需確保設(shè)備與船體搖晃一致。

（3）傳感器相對位置測量。船體坐標(biāo)系統(tǒng)定義船右舷方向為X軸正方向，船頭方向為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向。分別量取RTK天線、定位羅經(jīng)天線、接收換能器相對于參考點（三維運動傳感器中心點）的位置關(guān)系。

（4）現(xiàn)場測量作業(yè)。多波束測深系統(tǒng)進行全覆蓋掃測時，測線盡量保持直線，相鄰測線覆蓋范圍重合至少20%，對于重點部位進行多次覆蓋掃測。在作業(yè)過程中，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件適時進行聲速剖面的測量，且兩相鄰聲速剖面采集時間間隔不應(yīng)超過6 h。

圖2 多波束測深航跡線示意圖Fig.2 Track of multibeam bathymetry

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用PDS數(shù)據(jù)采集軟件及CA?RIS HIPS and SIPS實測數(shù)據(jù)后處理軟件共同進行，實測數(shù)據(jù)的處理主要包括：（1）對數(shù)據(jù)采集軟件采集得到的各傳感器數(shù)據(jù)進行處理；（2）對水深數(shù)據(jù)設(shè)定各項合理的過濾參數(shù)，刪除假信號。完成數(shù)據(jù)合并后，對得到的水深及位置進行精過濾，其主要內(nèi)容是對兩條相鄰測線重合覆蓋區(qū)域的多余觀測數(shù)據(jù)進行篩選、刪除，以保留高精度的水深數(shù)據(jù)。

圖3 典型剖面噪聲干擾剔除前后對比示意圖Fig.3 Typical section before and after noise interference elimi?nation

2.3 壩后沖刷分析

錦屏二級水電站閘壩下游護坦及河道水下多波束測深成果如圖4所示。為分析護坦混凝土平直度及沖刷區(qū)域發(fā)育規(guī)模等情況，從圖4中提取9條斷面進行詳細(xì)分析，斷面位置見圖5，各斷面的點云圖見圖6。

（1）由圖4可見，錦屏二級閘壩護坦區(qū)域內(nèi)（閘下K0+063.00～K0+107.00）底板平坦、邊墻規(guī)則平直，未發(fā)現(xiàn)明顯的混凝土沖蝕，混凝土表觀完整。閘下K0+107.00～K0+147.00段為四面體混凝土塊堆積區(qū)域，塊石清晰可見。閘下K0+147.00至下游河段整體地勢平坦，局部存在沖刷地勢低洼區(qū)，位于左右岸護坦處，其中右岸低洼區(qū)比左岸低洼區(qū)面積大。

（2）由圖6可見，1號、3號、5號閘門在大塊石海漫區(qū)存在沖刷淘空情況，2號、4號閘門在大塊石海漫區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的沖刷淘空情況。以2-2斷面為例，2號閘門導(dǎo)墻區(qū)域（0～32 m）底板混凝土表觀光滑平直、完整；32～75 m段大石塊堆積，表面凹凸不平，地形起伏變化相對較大；75～198 m段河道地形起伏變化相對較小，整體平緩，無明顯沖坑。

圖4 閘壩下游護坦及河道多波束測深成果圖Fig.4 Multibeam bathymetric results of the river downstream of the gate dam

圖5 斷面示意圖Fig.5 Section diagram

圖6 各斷面點云圖Fig.6 Points cloud chart of each section

（3）利用網(wǎng)格劃分取樣，通過統(tǒng)計各網(wǎng)格內(nèi)淘空深度和網(wǎng)格面積計算淘空方量。經(jīng)核算，壩后沖刷淘空區(qū)域面積約1800 m2，平均淘空深度為1.3 m，淘空方量約2340 m3。

3 結(jié)語

多波束測深技術(shù)有精度高、效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于較復(fù)雜的水下地形測量、水下建筑物探測等領(lǐng)域[3]。通過多波束測深技術(shù)在錦屏二級水電站閘壩下游護坦及河道水下測量中的應(yīng)用，全面有效獲取了閘壩下游護坦混凝土平直度、沖刷區(qū)域發(fā)育規(guī)模等信息，為后續(xù)運行管理奠定了基礎(chǔ)。