三維激光掃描聲吶系統(tǒng)在渡槽水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)的應(yīng)用

甘曉潔

（海南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，海南 海口 570100）

渡槽工程水下結(jié)構(gòu)事關(guān)渡槽輸水安全，水下質(zhì)量安全檢測(cè)十分重要，目前國內(nèi)大多數(shù)利用水下機(jī)器人或者傳統(tǒng)聲吶等設(shè)備開展水下結(jié)構(gòu)掃描檢測(cè)。綜合來看，目前各種水下檢測(cè)手段和措施都存在一定的局限性和不足[1，2]，對(duì)諸如渡槽等構(gòu)筑物水下基礎(chǔ)部分質(zhì)量檢測(cè)適用性不足，不符合較高精度要求的水下質(zhì)量檢測(cè)工作所需。三維激光掃描水下聲吶成像是一種采用發(fā)送和接收聲波實(shí)施遠(yuǎn)長度測(cè)定的有效方法，聲波通常有單波束和多波束2 種。三維激光掃描聲吶系統(tǒng)采用先進(jìn)的三維顯示技術(shù)，可以對(duì)水下大型目標(biāo)的輪廓進(jìn)行更詳細(xì)的描述。綜合比較當(dāng)前多種探測(cè)手段發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描聲吶系統(tǒng)是一種用于水下結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)鑒定效果更好的手段[3，4]。所以，本文以三維激光掃描聲吶系統(tǒng)在某渡槽水下基礎(chǔ)檢測(cè)應(yīng)用為研究對(duì)象，闡述該系統(tǒng)的主要配置、工作原理、運(yùn)用情況和適用范圍，對(duì)某大型渡槽基礎(chǔ)水下結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)檢測(cè)精度高、適用性較好。

1 三維激光掃描聲吶系統(tǒng)主要配置和工作原理

1.1 系統(tǒng)主要配置

三維激光掃描聲吶系統(tǒng)主要由換能器、影像分析處理器、數(shù)據(jù)采集工作站和傳輸線路等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

三維激光掃描聲吶系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)，詳見表1。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1.3 系統(tǒng)工作原理

三維激光掃描聲吶系統(tǒng)通常由窄波束回聲測(cè)深設(shè)備（主要包括換能器、測(cè)量船搖擺傳感裝置、收發(fā)機(jī)）和回聲處理設(shè)備（主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)字磁帶機(jī)、數(shù)字打印機(jī)、橫向深度剖面顯示器、實(shí)時(shí)等深線數(shù)字繪圖儀、系統(tǒng)控制鍵盤）兩大部分組成。三維激光掃描聲吶測(cè)深一般借助設(shè)置在船底部或拖體上的聲學(xué)基陣，向垂直于航向的河床發(fā)出超寬聲束，接收河床底部的反射波束信號(hào)，使用模擬數(shù)字信號(hào)處理器多次轉(zhuǎn)換形成多波束，能夠采集到多個(gè)采樣點(diǎn)的水深等基礎(chǔ)信息。測(cè)量條帶可以涉及水深的2～10倍區(qū)域以內(nèi)，結(jié)合野外采集的衛(wèi)星定位和姿態(tài)信息，自動(dòng)形成高清的數(shù)字影像。探測(cè)作業(yè)時(shí)，船舶搭載三維激光掃描聲吶發(fā)射的每一個(gè)聲脈沖除了采集到船舶正下方垂直水深，還可以同時(shí)獲得垂直于船舶航跡平面內(nèi)的多個(gè)水深值，一次測(cè)量可以覆蓋較寬的扇區(qū)，從而得到較高精度的河床的大小、形狀和高程[5，6]。

2 渡槽基礎(chǔ)水下細(xì)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)實(shí)例

某渡槽始建于1954年11月，并于1956年5月通水運(yùn)行，是20世紀(jì)50年代國內(nèi)具有一定代表性的大型鋼筋混凝土渡槽。渡槽側(cè)面和槽墩基礎(chǔ)平面分布如圖2所示，整個(gè)渡槽位于兩山峽谷之間、年均徑流量巨大，3 號(hào)和4 號(hào)墩位基礎(chǔ)部分長期立于水下，墩位基礎(chǔ)周邊水流湍急，縱向河床沖刷嚴(yán)重，借助三維激光掃描聲吶對(duì)3 號(hào)和4 號(hào)渡槽水下基礎(chǔ)部分周邊河槽情況進(jìn)行全面掃描，重點(diǎn)探測(cè)4 號(hào)墩位的右側(cè)部位情況。

圖2 某渡槽側(cè)面及樁基平面

利用三維激光掃描聲吶系統(tǒng)掃描距渡槽位置及渡槽上下游25 m 以內(nèi)的河床地形，全面掌握渡槽樁基礎(chǔ)周圍地形地貌及沖刷、淤積狀況并分析其原因。

2.1 三維激光掃描聲吶系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果分析

借助三維激光掃描聲吶系統(tǒng)掃描檢測(cè)渡槽3 號(hào)樁底部發(fā)現(xiàn)，3 號(hào)樁基礎(chǔ)左側(cè)（下游方向?yàn)橄蚯埃┖拥状嬖跊_刷溝，溝底最大水深7.5 m，河床底部距離渡槽墩位水下基礎(chǔ)距離3.4 m。

借助三維激光掃描聲吶系統(tǒng)掃描檢測(cè)渡槽3 號(hào)樁基礎(chǔ)底部結(jié)果顯示，3 號(hào)樁基礎(chǔ)右側(cè)河槽底部區(qū)域有沖刷溝，溝底最大水深約7.7 m，河床底部距離渡槽樁基礎(chǔ)頂部高度約3.5 m。

借助三維激光掃描聲吶系統(tǒng)掃描檢測(cè)渡槽4 號(hào)樁底部發(fā)現(xiàn)，4 號(hào)樁基礎(chǔ)左側(cè)（下游方向?yàn)橄蚯埃┖拥状嬖跊_刷溝，溝底最大水深8.9 m，河床底部距離渡槽墩位水下基礎(chǔ)距離5.0 m。

借助三維激光掃描聲吶系統(tǒng)掃描檢測(cè)渡槽4 號(hào)樁基礎(chǔ)底部結(jié)果顯示，4 號(hào)樁基礎(chǔ)右側(cè)河槽底部區(qū)域有沖刷溝，溝底最大水深7.5 m，河床底部距離渡槽墩位水下基礎(chǔ)距離3.5 m。

為全面摸清渡槽建設(shè)情況，經(jīng)查閱施工方案發(fā)現(xiàn)渡槽當(dāng)初使用沉箱法完成。竣工資料顯示，渡槽3 號(hào)墩位樁基礎(chǔ)沉箱高度3.8 m，渡槽4 號(hào)墩位樁基礎(chǔ)沉箱高度5.3 m。地質(zhì)資料顯示，河槽底部巖石易于風(fēng)化，鋼筋混凝土井筒深入巖石0.9 m，根據(jù)三維激光掃描聲吶系統(tǒng)探測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算分析渡槽3號(hào)和4號(hào)墩位樁基礎(chǔ)深入巖石長度，結(jié)果詳見表2。

表2 渡槽3號(hào)和4號(hào)墩位樁基礎(chǔ)深入巖層深度計(jì)算結(jié)果 m

該渡槽從1956年6月建成通水以來，3號(hào)和4號(hào)墩位樁已經(jīng)經(jīng)歷了66 a河水沖刷。與一般的潛水相機(jī)比較而言，新時(shí)期的三維激光掃描聲吶系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)河槽全地形立體掃描分析外，還能夠按照探測(cè)數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確鎖定渡槽水下基礎(chǔ)范圍沖刷情況。根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)分析，渡槽3號(hào)和4號(hào)墩位樁左側(cè)水下基礎(chǔ)深入巖石的深度降低到0.6 m，與原設(shè)計(jì)嵌入巖石深度比較發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)墩位樁左側(cè)水下基礎(chǔ)附近形成20～30 cm 的沖刷溝，必須引起渡槽工程管理部門高度重視。

2.2 結(jié)果復(fù)核

除了三維激光掃描聲吶系統(tǒng)以外，多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)于大面積的河床地形測(cè)繪不僅工作效率較高，可以精確地測(cè)量河底的深度，而且能夠提供河床底地形連續(xù)的、高精度的數(shù)據(jù)，覆蓋一個(gè)寬帶區(qū)域。但是，三維激光掃描聲吶系統(tǒng)主要用于對(duì)特定物體或結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)進(jìn)行三維成像，精細(xì)程度更高[7]。2 種水下監(jiān)測(cè)方法具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，如能將二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)于水下地形和構(gòu)筑物進(jìn)行定性、定量分析和全面、詳盡解釋將十分有意義。

在該渡槽水下探測(cè)過程中，渡槽基礎(chǔ)周邊水流速較大，為確保作業(yè)安全，三維激光掃描聲吶系統(tǒng)只對(duì)渡槽4號(hào)墩位樁基礎(chǔ)部分立面實(shí)施探測(cè)。探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該渡槽樁基礎(chǔ)水下部分沒有特別大的缺陷或沖刷。在三維掃描聲吶形成的影像資料中，選擇渡槽4號(hào)墩位樁基礎(chǔ)右側(cè)河槽至渡槽水下樁基礎(chǔ)距離為3.421 m，如圖3 所示，多波束測(cè)深系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果為3.412 m，實(shí)測(cè)距離為3.420 m。2種方法探測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)距離相比，三維激光掃描聲吶系統(tǒng)探測(cè)距離精度更高。

圖3 三維激光掃描聲吶系統(tǒng)成像

2.3 探測(cè)特殊情況處理

2.3.1 定位問題

在該渡槽水下探測(cè)過程中，渡槽底部受上部空間影響，GPS難以接收衛(wèi)星信號(hào)，三維激光掃描聲吶系統(tǒng)無法作業(yè)。同時(shí)，項(xiàng)目所在地實(shí)際氣溫低于慣導(dǎo)系統(tǒng)適用的最低工作溫度要求，所以使用的MGC慣導(dǎo)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，造成后期采集信息分析時(shí)渡槽各墩位樁基礎(chǔ)部分無法整體拼接難以形成較為完整的三維立體效果圖。在項(xiàng)目區(qū)域低溫氣候條件下，可以選擇高性能適用于較低氣溫條件下作業(yè)的慣導(dǎo)設(shè)備實(shí)施定位[8]。

2.3.2 水位問題

在該渡槽水下探測(cè)過程中，由于探測(cè)區(qū)域沒有以往的水文資料，所以區(qū)域理論計(jì)算深度基準(zhǔn)難以測(cè)定。實(shí)際長期觀測(cè)結(jié)果顯示，河流上午水流速快，水位變化頻率較高，但是下午水位變化較慢。下一步探測(cè)時(shí)，擬借助自容式水位儀器，不間斷獲得76 h水位信息，按照基準(zhǔn)面計(jì)算公式推導(dǎo)計(jì)算臨時(shí)基準(zhǔn)面。如果與國家85高程基準(zhǔn)聯(lián)合測(cè)量，那么可以確保探測(cè)信息準(zhǔn)確。

2.3.3 三維激光掃描聲吶系統(tǒng)探測(cè)注意事項(xiàng)

在該渡槽水下探測(cè)過程中，三維激光掃描聲吶系統(tǒng)探測(cè)時(shí)由于作業(yè)空間所限，所以其換能裝置難以與渡槽各墩位樁基礎(chǔ)水下部分全部貼合。后續(xù)探測(cè)作業(yè)中，三維激光掃描聲吶系統(tǒng)換能器必須緊挨渡槽各墩位樁基礎(chǔ)水下部分，便于采集高清晰影像資料，確保探測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)性。

3 結(jié)語

針對(duì)渡槽水下樁基和附近河槽實(shí)施三維激光掃描聲吶系統(tǒng)掃描，可以采集高精度的水深點(diǎn)云數(shù)據(jù)，定量分析渡槽各墩位樁基礎(chǔ)水下部分和河槽底部的沖刷情況[9，10]。借助三維激光掃描聲吶系統(tǒng)掃描探測(cè)渡槽各墩位樁基礎(chǔ)水下部分和河槽情況，可以采集高分辨率的聲納影像資料，復(fù)核校對(duì)三維激光掃描聲吶掃描結(jié)果的精準(zhǔn)情況；可以借助圖像資料研究渡槽各墩位樁基礎(chǔ)水下部分和河槽變化，分析現(xiàn)存的工程質(zhì)量缺陷和水流沖刷侵蝕情況。實(shí)際探測(cè)結(jié)果表明，三維激光掃描聲納系統(tǒng)探測(cè)效果明顯，效率高質(zhì)量佳，非常有利于大型構(gòu)筑物工程管理單位工程維修養(yǎng)護(hù)和安全監(jiān)測(cè)。該技術(shù)具有極大市場(chǎng)應(yīng)用前景，值得大范圍推廣使用。