多波束测深技术在沉排工程水下铺设质量检测中的应用

赵　钢，王茂枚，徐　毅，石银涛，蔡　军



多波束测深技术在沉排工程水下铺设质量检测中的应用

赵钢，王茂枚，徐毅，石银涛，蔡军

（江苏省水利科学研究院，南京210017）

近年来，因铰链沉排技术具有较好的护岸效果，得到了广泛的应用，水下沉排铺设作为主要工序，其铺设质量直接影响到该工程的防护效果，因此对水下沉排铺设质量控制和检测显得尤为重要。在定量反映沉排水下铺设检测指标等方面，利用各种先进的检测技术，做了许多尝试和研究，此次将多波束条带测深技术成功应用到沉排水下铺设质量检测中，准确地获取了数据，该数据符合江苏省地方标准《水利工程施工质量检验与评定规范》中规定的各项水下检查指标，为工程的质量评定和验收提供了技术支撑。应用成果对类似工程的质量检测与评定具有一定借鉴意义。

多波束；混凝土铰链沉排；水下沉排铺设；检测指标；质量评定

doi：10．11988/ckyyb．20151130

1　研究背景

以往崩岸整治护岸普遍采用平顺抛石的护岸形式。近年来，国内在江河护岸工程实践过程中，创新优化出了铰链沉排和四面六边透水框架体等多种新型护岸结构型式，其中沉排护岸结构型式因其具有适应复杂河床地形能力强、护岸整体效果好、抗淘刷能力强等优点，使该护岸型式得到了广泛的应用和推广。

沉排护岸型式施工的重点环节在沉排的水下铺设，水下铺设质量的好坏直接关系到整个工程的护岸效果。自1985年开始，建设单位在总结混凝土铰链沉排施工经验的基础上，陆续提出了一些较为全面的沉排检验项目和检验标准，直到2013年，江苏省出台了地方标准《水利工程施工质量检验与评定规范》，对水下铺排的长度、宽度以及搭接长度等指标做了详细要求。

由于排体厚度通常在10 cm左右，较薄，在施工完成后，施工区域水下地形变化细微，应用传统的检测技术很难精确反映出水下铺排的情况，有时甚至无法反映出水下有无铺排。因此采用一种合适的检测技术，能有效地反映出水下铺排的详细情况，对施工质量的评定和验收显得十分重要。为此，本文提出应用多波束条带测深技术对沉排护岸工程水下铺设质量进行检测，并在多个工程中进行了应用实践，取得了良好的效果。

2　沉排技术及验收标准

2．1沉排技术

沉排技术大体可分为散抛石压载软体排、系结压载软体沉排和预制混凝土块铰链沉排等。预制混凝土铰链沉排施工工艺由拼排、拉排、排首倒拉上岸就位、沉排、止排、排尾下沉等几部分组成［1］。预制混凝土板尺寸通常为50 cm×80 cm×8 cm。预制混凝土铰链沉排结构布置如图1所示。

图1　预制混凝土铰链沉排结构布置Fig．1　Arrangement of precast concrete slab connected with hinges

下面以预制混凝土块铰链沉排为例介绍沉排技术。

（1）拼排。在铺好的特制滑道上，根据拼、运排船宽度，进行拼装排体。

（2）拉排。拉排、连排须均匀、缓慢、协调进行。当上一层单元排体的尾端落至沉排工作平台上时，将上层单元排体尾端与下层单元排体首端连接好，继续拉排。

（3）排首倒拉上岸、就位。当排首拉到沉排工作平台前沿，靠近圆弧滑板处时，将排首梁改与岸上地锚精车组相连，倒拉排首；当排首拉至系排梁位置或陆铺排尾部时，用u形连接件连接排首和系排梁。

（4）沉排、止排。排首上岸就位锁定后，即可进行沉排施工。

（5）排尾下沉。当最后一个单元排体拉至沉排工作平台后，按沉排步序继续沉排，直至排尾沉至江底落床，在平台上抽掉特制卸扣插销，取起排尾梁，完成一块排体的沉放工作。

2．2验收标准

沉排施工一般分为沉排制作、沉排铺设2个工序，其中水下沉排铺设为主要工序，因此沉排护岸工程要起到预想的防护效果，对水下沉排铺设质量控制显得尤为重要。2013年江苏省出台的《水利工程施工质量检验与评定规范》的地方标准对水下铺排的长度、宽度以及搭接长度等指标做了详细要求，以预制混凝土块铰链沉排为例如表1所示。

表1　预制混凝土块铰链沉排铺设工序质量检验项目与标准Table 1　Items and standards of procedure quality inspection for precast concrete slab connected with hinges

3　多波束条带测深技术及其可行性分析

多波束条带测深技术是一种具有高效率、高精度和高分辨率的水底地形测量新技术，与传统的单波束测深技术相比较，该技术具有测量范围大、速度快、精度高等诸多优点，它把测深技术从原先的点线状扩展到面状，并进一步发展到立体测图，从而使海底地形测量技术发展到一个较高的水平。

多波束测深系统是由多个子系统组成的综合系统，分为声学系统、数据采集系统、数据处理系统和外围设备，多波束测深原理如图2所示。目前，比较成熟具有代表性的浅水多波束测深系统产品主要有美国SeaBeam1185、德国Atlas FANSWEEP 20、丹麦Reson Seabat 7101和美国R2SONIC2024等，其主要技术指标如表2所示。

图2　多波束测深原理Fig．2　Principle of multi-beam echo sounder

表2　不同类型浅水多波束测深系统主要技术指标Table 2　Main technical indexes of shallow water multi-beam echo sounder of different types

目前主要的水下检测技术有单波束测深技术、侧扫声纳技术、双频识别声纳技术、多波束条带测深技术、水下摄像技术以及潜水员水下探摸技术等，多年来，我们利用这些检测技术，在如何能准确的反映出检测项目的量化指标方面，做了许多尝试和研究，多波束条带测深技术在这方面具有较大的优势和特点，但也受到诸多方面因素的限制。下面从该技术的分辨率和有效反映其水下整体姿态方面的可行性进行分析。

（1）单波束测深技术的波束宽一般为8°～30°左右，地形分辨率差，在复杂地形海区工作会产生较大的测量误差［2］。多波束测深技术与单波束测深技术相比采用波束角度更窄的窄波束技术，波束脚印小，这样多波束测深技术能够探测到海底更细致的地形特征［3］。波束脚印是衡量波束分辨率的重要指标，利用多波束的窄波技术可以分辨出单块混凝土板，因此这就为有效、客观地反映水下铺排各项检测指标，提供了一种实现的技术手段。

（2）另外从反映水下沉排整体效果方面分析，不同于单波束测深系统，多波束条带测深系统可在测量断面内形成十几个至上百个测深点，几百个甚至上千个回向散射强度数据，从而保证了较宽的扫幅和较高的测点密度［4］。大量采集的水下信息数据形成点云数据，为构建沉排水下三维姿态，反映沉排整体效果，提供了数据保证。

4　应用效果及分析

4．1应用效果

梅子洲护岸工程夹江侧护岸项目全长6．7 km，分为铰链沉排与抛石护岸2个部分。铰链沉排是以钢筋纵横连接预制混凝土块（0．8 m×0．5 m×0．08 m）形成整体，再固定于上部封顶的系排梁上，沉排护宽分为30，39，40，44，52 m不等。洲头段采用抛石护岸，该部位抛石近岸抛石厚为1 m、远岸厚度为1．5 m。沉排工程完工后在每段沉排两端设0．6 m厚抛石裹头，抛石范围20 m，其中位于沉排范围内为5 m，沉排范围外为15 m，工程区域平均水深13 m。

此次在该护岸工程中，成功地应用多波束条带测深技术对沉排护岸工程水下铺设质量进行检验，详细获取了水下铺排的长度、宽度以及搭接长度等指标数据，为该工程的质量评定和验收提供了技术支撑，沉排水下检测效果如图3所示。

图3　沉排水下检测Fig．3　Underwater inspection of mattress

4．2应用分析

多波束测深系统的波束角大小、覆盖宽度、波束数目（每ping）以及帧率等技术指标的优劣，对能否成功反映出水下沉排的细节等情况至关重要［5-6］。下面结合工程实例，针对不同的工程外部水深条件和特点进行分析。

4．2．1水深条件

水深条件是该技术应用成功的关键因素。在多波束系统波束角一定的情况下，水深越深则波束脚印越大，分辨率越低，这会直接影响应用的效果。

预制混凝土板（50 cm×80 cm×8 cm），要想比较清晰地分辨出水底预制混凝土板，那就需要保证每块混凝土板至少有4～5个有效测点。通过工程实例以及对不同水深条件下波束脚印大小的分析，对于波束角为0．5°×1．0°的多波束测深系统，在水深15 m以内效果较好，能够较清晰地反映出水下沉排的细节，如排体长度、宽度和搭接情况；在水深达到20 m，反映的细节就会出现一些模糊，特别是搭接情况比较模糊（如图4）；在水深达到25 m以上，就比较难反映出水底沉排的情况。对于波束角为1．5°×1．5°的多波束测深系统，在水深5 m以内效果较好，反映得比较清晰；在水深达到10 m，反映的效果会出现一些模糊；在水深达到15 m以上，就很难反映出水底沉排的情况。

图4　不同水深条件下扫测效果对比（波束角为0．5°×1．0°）Fig．4　Comparison of scanning effect under different water depths with beam angle of 0．5°×1．0°

4．2．2波束脚印

在有条件的情况下，尽量选择波束角小的多波束条带测深系统进行扫测，这样通过硬件可直接获取到高质量、高分辨率的数据，可大大节省内业处理的时间并提高工作效率，不同水深条件下波束脚印大小如表3所示。沉排水下铺设施工质量检测时，建议尽量采用波束角为0．5°×1°多波束测深系统，效果会比较好。

表3　不同水深条件下波束脚印大小（换能器中间波束）Table 3　Beam footprint size under different waterdepths（intermediate beam of transducer）

4．2．3覆盖宽度

在扫测过程中，覆盖宽度不宜选的太大。选得过大虽可提高工作效率，但会大大降低水下地形的分辨率，影响对水下微地形细节的分辨。对于 Sea-Beam1185和Reson Seabat 7101多波束测深系统，覆盖宽度分别为153°和150°，不能调节。而SONIC 2024多波束测深系统覆盖宽度分别为10°～160°可调节，每ping会发射256个等角分布的物理波束，以水深15 m平坦海底为例，覆盖宽度90°，则每ping会覆盖平坦海底30 m宽，约12 cm可分布一个波束（不考虑入射角和非中心波束波束脚印会不相等的影响），也与该条件下最小波束脚印13 cm相符，可有效分辨出水底预制混凝土板（50 cm×80 cm×8 cm），在对像沉排这种水下微地形的监测，通常选择覆盖宽度在90°以内，既保证了一定的覆盖宽度和工作效率，同时也确保了很好的分辨率。

4．2．4船速与航向

在工作中，船速不宜太快，船速过快会在沿航向方向留下空白间隔，大大降低航线方向的地形分辨率，如图5所示。帧率达到40 Hz以上的多波束测深系统，通过工程实例应用分析，船速控制在5节以内，既能保证在航线方向每6 cm布置1ping数据，航线方向细节反映得比较清楚，又能确保一定的施测速度和效率。

图5　船速过快条件下扫测效果Fig．5　Scanning results under excessively high ship velocity

4．2．5测线布置

由于单块排体通常都是从岸坡拉至江中，然后顺着岸线进行搭接，护岸的宽度一般在几十米左右，而长度一般都在几公里以上，因此测线应顺排体的搭接方向布置，这可以减少测线之间和条带数据之间的拼接，减少分辨率的损失。

4．2．6沉排护岸的实施

一般沉排护岸工程都是在岸坡区域实施，在保证多波束水下换能器安全的情况下，尽量在沉排护岸工程的上方扫测，在水深等外部条件相同的情况下，多波束中央波束的波束脚印最小，越往两端的波束脚印越大，这有利于提高水下沉排细节检测的分辨率。

4．2．7多波束扫测

工程完成后，应尽快实施多波束扫测，以免沉排在水中被泥沙覆盖影响监测效果，如图6所示。

图6　泥沙覆盖后扫测效果Fig．6　Scanning effect after sediment coverage

5　结论和建议

（1）近年来，因铰链沉排技术具有较好的护岸效果，得到了广泛的应用，水下沉排铺设作为主要工序，其铺设质量直接影响到该工程的防护效果，因此对水下沉排铺设质量控制和检测显得尤为重要。

（2）查阅相关文献资料，针对沉排水下铺设质量检测方面资料较少，已有的文献资料，也主要是对各种检测技术的可行性进行研究和探讨。2013年江苏省地方标准《水利工程施工质量检验与评定规范》出台以后，此次成功将该技术应用到沉排水下铺设质量检测，准确的获取《水利工程施工质量检验与评定规范》各项水下检查指标数据，为以后类似工程的质量评定和验收提供了技术支撑，具有一定借鉴意义。

（3）在检测过程中，针对不同的工程外部水深条件和特点，应选择适宜的多波束条带测深系统、条带覆盖宽度、施测船速等，并合理布置测线，这样有利于提高对沉排水下细节的分辨，更清晰、更准确获取各项检测指标数据。

（4）该技术的应用也受到一定外部水深条件的限制，当水深较深，随着波束脚印加大，分辨率也会大大降低，利用该技术则很难获取各项检测指标和有效反映出水下沉排的存在。

（5）建议工程完成后，应尽快实施水下铺排检测，以免沉排在水中被泥沙覆盖，而影响检测效果。参考文献：

［1］李涛章，叶松，廖小元，等．铰链混凝土板沉排新技

术与施工实践［J］．人民长江，2002，33（8）：26-29．

［2］赵会滨，徐新盛，吴英姿，等．多波束条带测深技术发展动态展望［J］．哈尔滨工程大学学报，2011，22（2）：41 -45．

［3］夏伟，刘雁春，葛健，等．多波束测深系统波束角效应研究［C］∥第十九届海洋测绘综合性学术研讨会会议专辑．九江：中国测绘学会海洋测绘专业委员会，2007，65-69．

［4］刘经南，赵建虎．多波束测深系统的现状和发展趋势［J］．海洋测绘，2002，22（5）：3-6．

［5］李成刚，王伟伟，阎军，等．传统多波束系统与具有相干特点的多波束系统的研究［J］．海洋测绘，2007，27（2）：77-80．

［6］陈辉，吴杰，赵钢，等．多波束测深系统在长江沉排护岸工程运行状况监测中的应用［J］．长江科学院院报，2009，26（7）：14-16．

（编辑：姜小兰）

Application of Multi-beam Echo Sounder to Underwater Quality Inspection of Laying Revetment Mattress

ZHAO Gang，WANG Mao-mei，XU Yi，SHI Yin-tao，CAI Jun
（Jiangsu Hydraulic Research Institute，Nanjing210017，China）

In recent years，hinge mattress technique is widely used because of good revetment effect．The quality of laying mattress has direct influence on the protection effect，so underground laying quality and inspection are important．As for inspection index of laying process of underground mattress，we study it by using several advanced inspection techniques．Then we apply multi-beam echo sounder to the quality inspection of underwater laying process of underground mattress，and obtain accurate data in accordance with underwater inspection indexes in Jiangsu provincial standard（Water Conservancy Project Construction Quality Inspection and Assessment Standards）．The research results offer reference for quality assessment and acceptance in similar projects．

multi-beam；precast concrete slab connected with hinges；underwater laying down of precast concrete slab；inspection index；quality assessment

TV523

A

1001-5485（2016）07-0145-05

2015-12-31；

2016-02-16

赵钢（1975-），男，湖南株洲人，高级工程师，硕士，主要从事水利工程水下探测、检测方面的研究，（电话）18936006590（电子信箱）18936006590@163．com。