基于多波束掃測技術的某水電站消力池檢測應用

劉宏超 朱林灝 馮 露

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 合肥 230000 2.安徽省建筑工程質量監督檢測站 合肥 230000）

1 工程概況

某水電站位于長江流域岷江水系的最大支流中下游，以發電為主兼顧漂木等綜合利用的水利樞紐工程，水電站地理位置適中，到主要城市距離均在200km 以內。水電站初始總庫容3.1 億m3，裝機容量77 萬kW。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程530.5m，最大壩高85.6m，壩頂全長447m，分為23個壩段，壩段寬度為14～23m。

為了解該水電站消力池的沖刷、破損等缺陷情況，需對消力池及周緣混凝土結構表觀完整情況進行水下檢測工作，以掌握水下結構設施的運行狀況。此次檢查區域包括：消力池底板及左右邊墻，含溢洪道反弧段水下部分、消力池底板以及左右邊墻和廠房左端墻；壩前泄洪引水設施，包括壩前溢洪道，6#、10#和15#沖砂底孔（含底孔事故檢修閘門上游流道），地下地上廠房機組進水口；地下廠房5#機組尾水洞和尾水渠；壩前200m 范圍內。此次檢測采取多種檢測方式相結合的方法進行，消力池部分擬采用以下三步進行：（1）首先采用多波束測深系統對消力池進行全覆蓋檢測，必要時增加及二維聲吶檢測作業，探明異常規模以及分布情況；（2）采用水下無人潛航器搭載水下高清彩色攝像設備對各個異常部位逐一進行詳查；（3）特殊情況如水下無人潛航器系統無法詳查異常部位，則采用潛水員下水探查。

2 多波束掃測技術的應用

2.1 多波束掃測設備介紹

該項目采用的多波束掃測系統是TeledyneRESON 公司的R2Sonic2024 型多波束探測系統，R2Sonic2024 是一款可高度集成的多波束測量系統，安裝方便、操作易用，主系統主要包括：（1）RSP 機柜式甲板單元，功能強大的聲吶處理單元，以太網通訊，110-230VAC 供電；（2）水下換能器探頭，包括1 個TC2181 發射換能器和1 個EM7218接收換能器；（3）25m 甲板連接電纜；（4）R2sonir聲吶控制軟件。為了避免在水電站靠近建筑物區域衛星信號失鎖，該項目為多波束定位配備了慣性導航系統，可以在衛星信號被遮擋情況下，依然保證定位精度。

2.2 檢測技術實施

2.2.1 多波束探測系統各項傳感器的安裝

以定制沖鋒舟為多波束探測系統的載體，安裝多波束系統水下發射及接受換能器，表面聲速探頭、固定羅經、三維運動傳感器及RTK 流動站，各項安裝須確保設備與船體搖晃一致。

2.2.2 定位坐標系的測量與轉換

此次多波束探測系統作業采用了網絡RTK 技術提供定位參數，項目所采用的水電站庫區實測坐標系為WGS-84 坐標系，高斯3°帶投影，測區中央子午線為102°。

工作現場使用網絡RTK 對庫區各基點進行了測量，作為此次水下檢查項目的坐標框架，最后完成WGS-84 與水電站庫區坐標系之間的轉換七參數。

通過計算得到坐標系轉換成果后，為了進一步驗證轉換成果的可靠度，現場工作中，使用網絡RTK 站，選取水電站庫區較為可靠的控制點進行了校驗，轉化后實測坐標與控制點基準坐標相差均小于±0.054m，可見轉換成果的定位精度符合《水電水利工程施工測量規范》（DL/T5173-2012）的相關要求。

2.2.3 船體各傳感器相對位置的測量

船體坐標系統定義船右舷方向為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）的位置關系，往返各量一次，取其中值。

2.2.4 多波束系統水下探測作業

多波束探測系統主要針對水電站消力池、近壩庫區，在探測過程中，相鄰測線覆蓋范圍重合至少20%。為進一步提高水下探測成果的可靠度，在作業過程中，須根據現場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超過6h。多波束探測系統在該水電站消力池部位水下檢測測線布置示意圖見圖1。

圖1 多波束探測系統在消力池范圍內檢測測線航跡圖（線型軌跡）

2.3 檢測數據收集

多波束內業數據處理采用PDS2000 數據采集軟件以及CARISHIPSandSIPS 實測數據后處理軟件共同進行，實測數據的處理主要包括：實測數據的姿態校正處理、實測數據噪音干擾預處理、各條測線實測數據合并。完成數據合并后，對得到的水深及位置進行精細處理，其主要內容是對兩條相鄰測線重疊覆蓋范圍的噪音干擾逐一進行篩選，刪除以保留高精度的水深數據，最后繪制等深線圖以及典型測線地貌圖。

3 檢測成果分析

現場實施過程中，首先采用多波束探測系統進行水下全覆蓋檢測，了解該水電站消力池周緣混凝土結構表觀完整情況以及底板形態，基于多波束成果，采用水下無人潛航器完成混凝土結構外觀情況的探查，并建立水電站消力池三維模型，并以該模型為基礎，完成水下綜合探查成果綜合分析。

通過此次運用多波束普查，三維聲吶詳查以及水下機器人探測等手段，對水電站消力池范圍內，漂木道右邊墻、廠房左端墻、7#～9#溢洪道、護坦（450m高程護坦、456m 高程護坦及其漸變范圍）的檢查，未發現大規模開裂及壓裂現象。

多波束探測成果顯示該異常為消力池后坎存在較大規模的淘蝕現象，淘蝕范圍主要分布在混凝土潛堰迎水面中部，分布范圍為（壩橫）0+169.00～0+198.00m以及（壩縱）0+135.00～0+181.00m，凹陷規模（長×寬×深）約為48m×27.6m×12m，該異常區域與之前所做檢測數據對比，異常區域長度有所擴大，由45m 擴大到48m。

4 結論

多波束能夠高精度地獲取水底全覆蓋的水深數據，但對具體物體的判讀性較弱；側掃聲吶能夠直接獲取地形地貌圖，從而直觀地判讀水底的表層特征，但圖像中的深度判斷能力及目標定能的判讀能力較差。將二者有機結合后增強了不同觀測數據的互補性與參考性，綜合應用在水利工程的水底障礙物探測方面，具有直觀、準確、可靠的特點，提高了對水下結構的研判能力。

該項目采用多波束掃測技術在水電站消力池范圍內進行掃測，結合水下無人潛航器結構外觀探查，發現了具一定規模的混凝土局部淘蝕損傷，目前暫不影響消力池的安全運行。每年汛期結束后應加強觀察，重點觀察已發現損傷的變化情況，及時發現問題，以便盡快采取處理措施，保證工程運行安全■