航道整治工程扫测技术和方法探讨

李 勇，洪 剑，朱春春

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）

引言

在航道检测方法中，一般采用单波束测量、多波束测量、硬式扫床、软式扫床等方法[1-4]。单波束测量通常只能反映测点所在位置的地形情况，由于测点之间存在间距，无法满足全覆盖检测的要求。随着多波束技术的出现，水深测量实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，但本质上多波束扫测点之间依然存在间隔，无法做到绝对意义上的全覆盖，因此在一些航道整治项目中，仍然使用传统的硬式扫床和软式扫床法[5]。各种扫测技术均存在不同的适用条件，如何改进航道整治扫测工作一直是专业技术人员研究的课题。

1 航道工程主要扫测技术分析

目前，根据各种航道扫测技术特点，在海港航道和沙床质航道中多波束扫测使用最为广泛，在山区航道中硬式扫床使用最为普遍，两种方法各有优缺点。

1.1 多波束扫测技术

多波束扫测是采用多波束形成技术，在垂直于船行方向的铅垂面内，生成具有一定扇面开角的若干个波束，并按照一定的模式进行发射和接收获取测点水深，每个波束获得的测点随测船航行组合成一条带状水深区域，从而实现水下地形的扫测。

多波束扫测优点突出，主要表现在：

1）能够高效获取水下地形数据，对一些微小的地形变化也能够反映出来；

2）根据多波束扫测数据，可以生成不同比例尺的地形图、电子航道图、剖面图等；

3）分不同测次进行扫测，可以比较同一区域的变化，或进行施工方量测算；

4）适合水下随机障碍物的探测，通过三维建模，可直观显示水下障碍物情况，指导施工作业。

但多波束也有一些不足之处：

1）多波束技术受波束角分辨率和测区水深的影响，多波束的扫测点之间依然存在间隔，对水下竖向细微障碍物（如钢筋）无法保证100%扫测；

2）为保证扫测覆盖效果，同一区域需采用不同测线多次扫测，才能保证扫测区域获得足够密度的数据，导致扫测工作量增大；

3）多波束扫测宽度与水深关系紧密，在浅水区全覆盖扫测时，工作效率大大降低，且设备昂贵存在安全和经济风险；

4）水下若存在杂草或杂物时，多波束扫测可能反应过度灵敏，进而造成水下地形误判。

因此，在使用多波束扫测时，应考虑测区是否有水草、水深大小等因素影响，建议大于5 米再考虑使用多波束扫测，以充分发挥其作业效率，保证设备安全。

1.2 硬式扫床技术

硬式扫床又称定深扫床，其基本工作原理是将扫床架底部扫杆下放到船舶底部一定深度，通过船舶行进过程中是否发生水下障碍物碰撞，来判断施工区域是否存在浅点。

该方法的优点体现在：

1）没有盲区，实现了特定深度（高度）面真正意义上的100 %扫测，确保扫测过的区域没有遗漏浅点；

2）原理简单，扫测可靠性强，可以直观反映水下地形是否满足底部高程设计的要求。

该方法缺点也很明显：1）不能测定水底点的高程，只能作为一种定性检测方法；

2）整体上操作复杂，通常要多人协同配合作业，扫床支架的安装和调节繁琐，甚至要借助吊机等外部机械设备才能完成；

3）工作效率较低，且作业过程中存在一定安全风险。

硬式扫床通常用于土质较硬的疏浚工程或炸礁工程，适合于小范围的工程检测，且由于扫架容易受到水流的冲击影响，因此更适用于扫测水深相对较浅的航道工程。

2 综合扫测方法设计

2.1 技术思路

基于前述分析的多波束扫测和硬式扫床两种方法各有优缺点，为保证航道整治施工进度和质量，结合三维地形技术和项目需求，提出如下技术思路：

1）首先采用多波束扫测技术进行初步检测，获取航道施工后水深数据；

2）依据多波束扫测数据和三维地形技术建立模型，直观显示航道施工整治后水下地形情况；

3）根据三维地形模型判断水下地形是否达到设计标高，对疑似区域进行综合研判，是否需要继续施工，若需进一步施工处理，则处理后再次利用多波束进行扫测，重复以上两步；

4）若水下地形满足要求，再实施硬式扫床进行最后检测，确保航道施工质量；

5）硬式扫床过程中若发现障碍点，则必须进行施工再处理，若未发现障碍点则航道整治达到要求。

2.2 关键技术控制

依据前述技术思路，涉及到多波束扫测、三维建模和硬式扫床等技术方法，为提高综合扫测方法的效率，需注意如下关键技术控制要点。

1）多波束扫测

多波束扫测技术关键之一是多波束仪器的选定：多波束系统选择必须考虑其工作频率、波束宽度、波束数量、分辨率以及测程，在满足测程的基础上，尽可能选择波束数量多、分辨率高的多波束系统；受制于航道区域作业条件的限制，选定多波束仪器应便于安装和使用。

多波束扫测技术关键之二是多波束扫测实施要点：多波束稳固安装，安装好后选择具有一定水下地形特征区域进行安装校准，以获取延时、横摇、纵摇以及艏向偏差。在校准计算过程中，由于不同偏差之间可能互相产生影响，需要选择不同记录数据多次迭代计算，尽可能提高多波束校准参数的准确性。校准完后，可选择地形特征明显区域，进行多波束十字交叉检验，结果均满足规范要求后方可进行扫测作业。多波束扫测前应提前布设扫测线，确保相邻测线扫测宽度有一定的重合度。扫测过程中应同步观测测区水位，并测定测区声速剖面供后续数据处理。

2）三维建模

三维建模技术的关键之一是建模软件的选择：首先建模软件的模型构建方法应正确，保证建模精细程度高；其次具有通用性，其成果能被多方使用，能够用于BIM 设计为宜；再次界面友好，功能齐全、操作方便。

三维建模技术的关键之二是模型的制作：首先在模型制作前，应对建模数据进行仔细检查，确保所有建模数据来源质量；其次应对中间环节进行检查，确保模型的准确性，必要时进行编辑取舍；再次颜色渲染时应符合常规色彩设计原则，同时考虑浅点的突出性，保证三维模型的整体效果。

3）硬式扫床

硬式扫床技术关键之一是扫床架的设计与制作。硬式扫床架没有统一的设备，通常根据不同的项目情况和检测需求，研究不同的硬扫支架和作业方法。为了提高工作效率和保证扫测安全，结合项目条件和船舶情况，主要设计原则：一是扫床架采用模块化的设计结构，便于扫床架的安装和拆卸；二是充分利用测船的设备，实现扫床架的机械化升降和收放等操作；三是利于进行扫床架入水深度的调节，提高扫床架的外业调节效率。图1 所示为一种创新硬式扫床支架结构图。

图1 硬式扫床支架结构图

硬式扫床技术关键之二是实施扫测及其判断：扫床前，根据底部扫杆宽度和扫床区域情况进行测线设计，保证相邻扫测面的旁向重合率；作业过程中，根据实时水位和航槽设计标高，换算底部扫杆的入水深度，扫测时必须保证扫架垂直，同时测量软件记录扫床轨迹；若遇浅点发生碰撞，扫架会发出声响并剧烈抖动，此时应立刻记录RTK 所测定的坐标信息，以便后续施工进一步处理；若检测过程中无底部扫杆碰撞，则航道整治达到设计标高，质量满足要求；在硬式扫床过程中，水深越深，扫架受到的水流冲击力越大，安全风险也更大，因此宜选择低水期或小流速期进行硬式扫床作业，以保证硬式扫床的作业效率、质量和安全。

3 项目应用

3.1 项目概况

长江航道三峡大坝至葛洲坝两坝间某工程航道整治内容包括若干个炸礁区，扫床范围为炸礁基线至河心侧边线外约5 m。由于为库区航道，炸礁后水深受库区水位影响，部分时间段扫床区域水深达9 m，给航道检测工作带来很大难度，本项目采用了多波束测量+三维建模技术+硬式扫床的综合扫测方法。

3.2 实施情况

多波束扫测采用海卓高分辨率多波束测深系统，为减小系统安装对扫测结果的影响，专门定制金属架，扫测线按顺岸方向布设，旁向重叠度大于70 %，同时增加扫测次数，以提高多波束扫测的云数据量。图2 为多波束扫测数据采集界面。

图2 多波束扫测数据采集界面

扫测完成后，采用专业软件进行多波束数据处理，并进行三维地形建模。本项目对6 个施工区域，共进行了4 测次的多波束扫测，多次指导施工。

为确保航道整治工程质量，在多波束检测通过后，再采用硬式扫床方式进行最终检测。硬式扫床作业船舶长约28 m，宽约5 m，检测过程中在测区设立水尺进行水位测量，通过水位减去设计水底标高调节扫杆入水深度，使用RTK 进行导航，实时记录扫测轨迹线，图3 所示为硬式扫床作业图。

图3 硬式扫床作业图

本项目在多波束扫测通过后，采用硬式扫床方法对几个施工区检测均顺利通过，显著地提高了硬式扫床的通过率和安全性，保证了航道整治的工程质量。

3.3 应用效果分析

通过本项目的实际应用，采用综合扫测方法，效果显著。

1）测绘成果多样化

首先在施工过程中多次依据多波束扫测数据进行三维建模，并进行颜色渲染，可直观展示水下地形情况。如图4 为所示，将高于设计标高的数据用特殊颜色（红色）显示，可很快发现浅点所在位置、分布大小等情况，同时对浅点以外区域的地形情况也能准确掌握，便于建设单位、设计人员和施工人员科学决策、指导施工。

图4 三维地形模型渲染图

其次硬式扫床轨迹线图可以为工程验收提供依据，多波束扫测数据可生成水深图、竣工地形图等多样化成果。

2）工作效率显著提高

首先本项目对硬式扫床设备进行了优化设计和制作，在工作效率上与使用传统设备进行各环节耗时对比，本项目硬式扫床外业效率提高35 %以上，取得良好效果。

其次本项目对同区域的扫测，多波束扫测所耗时间仅为硬式扫床的1/3，采用多波束扫测作为航道施工初检，利用多波束扫测数据建立三维地形模型，模型精度满足设计要求后再采用硬式扫床方法进行检测，该技术路线大大减少了硬式扫床作业次数和安全隐患，总体工作效率显著提高。

4 结语

1）多波束扫测作为一种先进的测深技术，应用于航道整治工程检测时，其作业效率较高，成果丰富，通过三维建模可直观显示水下地形情况，快速查找浅点，指导航道施工作业；

2）硬式扫床技术作为一种直观有效的航道扫测方法，在全覆盖方面有其独特的优势，本文设计的扫床架和扫测方法有利于降本增效，在一定的水深范围内，可以快速、安全、有效的开展硬式扫床，具有100 %全覆盖；

3）本文提出的多波束扫测、三维建模和硬式扫床相结合的综合方法，可实现检测技术的优势互补，提高航道整治检测的整体效率，降低安全风险，并能够提供更加丰富的检测成果。