多波束探测技术在坝下游冲坑检测中的应用

(1.长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，湖北 武汉 430010；2.台州市地理信息测绘中心，浙江 台州 318000)

1 研究背景

早期的水下地形测量采用测绳、测杆等，测量精度不高[1]。后来基于回波测深技术的单波束测深仪大大提高了水深测量的精度，由原来的点测量发展为断面式线测量。多波束测深技术是基于声波探测技术的新一代水下地形测量技术，一次照射能够获得几百个水深信息。相对于单波束测量，其测量精度和效率更高，在库容测量、水库淤积测量、河道勘测等方面应用广泛[2]。

坝后的冲坑离大坝较近，任由其发展可能对坝基稳定造成威胁，同时影响下游河床和护坡工程安全。但由于高速水流的冲击和侵蚀，冲坑往往呈“瓮”形[3]，常规的水下地形测量方法较难作业，一般采用水下蛙人摸排和水下电视进行录像。这种方式只能实现对冲坑的定性检查，无法为后续治理和修复提供准确数据支持。多波束水深探测系统发射扇形波束，扫宽达5～8倍水深，能有效覆盖“瓮”形冲坑，精度高、效率高。利用多波束测量得到的水深数据经过三维建模可以对冲坑的规模与大小进行准确的描述，用于指导冲坑修复。

2 多波束水深探测技术

2.1 多波束测深原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向水底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水底地形的照射脚印。这些脚印经过恰当处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面上上百个甚至更多的被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，可比较可靠地描绘出水下地形的三维特征。

换能器是多波束测深系统的核心声学部件。换能器上布置着正交的发射阵列和接收阵列。发射换能器阵列能同时发射上百个呈扇形分布的声波，每束声波在水底形成一个照射脚印。接收换能器阵列可接收到水底返回的声波信息，经过一定的处理得到照射点的水深值，所有的回波信息经过处理后可以得到水下地形起伏变化等特征。如图1所示，多波束发射声波沿垂直航向方向呈扇形分布，除中央波束垂直水底外，两侧波束均有一定的入射角，入射角自中央波束向边缘波束增大。

图1 多波束测深原理示意

2.2 多波束系统组成

一套完整的多波束测深系统通常由多波束声学系统、外围辅助传感器、数据处理软件3部分组成[4-5]。多波束声学系统主要包括换能器、声纳处理系统及显示系统；外围辅助传感器包括GPS、罗经、表面声速仪、声速剖面仪以及姿态传感器；数据处理软件主要包括导航采集软件和后处理软件。系统组成见图2[6-7]。

图2 多波束系统组成示意

多波束声学处理系统主要由发射和接受换能器以及甲板单元PU组成，负责接受采集软件的指令实现波束的发射与接受以及波束的修正处理。外围辅助设备中GPS提供实时平面位置以及PPS同步时间信号，罗经和姿态传感器为系统提供真北方向和测船纵横摇以及艏摇姿态信息，声速剖面仪提供声线改正，用于对水深测量数据的修正。导航采集软件实时控制多波束系统用于数据采集和提供导航信息，后处理软件用于数据精细化处理和建模分析。

2.3 多波束测深精度评定

2.3.1 平面位置精度

多波束测深系统平面位置精度主要由GPS定位精度决定，同时受系统时延误差、测船纵横摇及艏摇误差、声速误差等影响。根据误差传播定律，平面位置的总误差为

(1)

式中，mxy为平面位置精度，mGPS为GPS的定位误差，mTime为时延误差，mRoll为横摇误差，mPitck为纵摇误差，mYaw为艏摇误差，mSound为声速误差。

2.3.2 水深测量精度

多波束水深测量精度除了受设备自身的水深分辨率影响外，还与潮汐、换能器的动静吃水、测船横摇及声速传播有关[4]，其误差计算公式为

(2)

式中，m水深为水深测量误差，m1为多波束本身测深误差，m2为潮汐改正误差，m3为换能器静态吃水改正误差，m4为船舶姿态补偿横摇改正误差，m5为船舶姿态升沉的改正误差，m6为声速剖面改正误差。

2.3.3 内符合精度评定

内符合精度是指仪器多次测量对比的较差，多波束测量中采用内符合精度来评定系统的精度，误差计算公式为

(3)

式中，M内为内符合精度;δi为多波速测深检查点的水深测量差;n为检查点数量。

3 测量方案与成果

3.1 测区概况

某水电站枢纽工程由混凝土拱坝、坝顶溢洪道、右岸引水发电系统及地面厂房等主要水工建筑物组成。大坝为常态混凝土单曲拱坝，坝顶高程613.5 m，最大坝高53.5 m。电站于2012年12月31日下闸蓄水，至2016年共累计104次泄流，最大下泄流量1 349 m3/s，目前已经历了4个主汛期的运行，为了保障大坝安全，急需对坝后消力池冲坑进行测量。

3.2 测量方案

采用Kongsberg公司EM2040C型双探头多波束测深设备联合GPS进行水下地形测量。由于该水电站位于山区，冲坑下游水位很浅，船只无法驶入。工作人员就地取材，搭建了简易测量船筏，并将多波束探头、GPS、OCTANS 光纤罗经等设备固定在船筏上，连同工作站电脑一起组建了一套完整的多波束水深探测系统(见图3)，完成了消力池水下地形的全覆盖测量。

图3 多波束测深系统工作平台

正式测量需要对纵摇、横摇以及艏摇进行校准，并利用声速剖面仪进行声速改正。测量过程中采用SIS软件进行导航和显示控制，保证相邻测线间有20%以上的重叠度，以提高测深数据的有效性。除了对主测线进行测量外，还布置了3条检查测线，用于对系统测量精度进行评定。测量完成后采用Qinsy软件进行噪点剔除以及建模分析，具体作业步骤如图4所示。

图4 多波束水下地形测量作业流程

3.3 测量成果

此次测量采用内符合精度对多波束测深精度进行评定，而内符合精度则是基于测量时布置的检查线与主测线交点和相邻测线间重叠部分测深值偏差并按照式(3)求得。此次测量共对129个测深点进行了比对分析，统计结果见表1。

表1 测深点差值统计

经计算，M内=±0.132 m ，去除3倍中误差以外的点，即去掉差值在 0.4及以上的18个点，内符合精度为M内=±0.112 m。计算结果表明多波束实测内符合精度优于测量规范中测深精度要求。

将多波束测量得到的点云数据在GIS软件中进行建模，得到水下地形的DEM模型，如图5所示。经计算得出大坝护坦下游冲坑最深点高程为564.45 m，位于靠近溢流左测闸墩处，距离下游护坦约6～8 m处，左岸岸边深约3.5 m，右岸岸边深约4.5 m(当日水面高程 573.08 m)。实测坑底高程高于设计限值 557.65 m，未发现冲坑向四周淘刷形成的倒悬，暂时无需进行工程处理，但后期需加强巡视检查。

图5 冲坑三维DEM

4 结论与展望

本文结合某水电站坝后冲坑测量工作，从多波束测深原理、系统组成、测量方法以及测量精度评定等方面研究了多波束声纳探测技术用于冲坑检查的技术体系。该技术体系的研究不仅能够彻底改变当前冲坑检查中无法定量的问题，也拓宽了多波束技术在水利工程测量中的应用，值得同类工程借鉴。

目前采用水下机器人ROV和AUV代替蛙人进行水下检查与拍摄，可以克服作业时间、范围以及下潜深度的限制，灵活性更高。多波束联合水下机器人的综合水下检测技术既能直观反应水下情况，又能提供定量的数据分析，将其应用于大坝冲坑检查，测量成果会更丰富，应用效果会更好。该技术具有很大的推广价值，后续值得更进一步的研究。