基于多波束扫测技术的某水电站消力池检测应用

刘宏超 朱林灏 冯 露

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 合肥 230000 2.安徽省建筑工程质量监督检测站 合肥 230000）

1 工程概况

某水电站位于长江流域岷江水系的最大支流中下游，以发电为主兼顾漂木等综合利用的水利枢纽工程，水电站地理位置适中，到主要城市距离均在200km 以内。水电站初始总库容3.1 亿m3，装机容量77 万kW。大坝为混凝土重力坝，坝顶高程530.5m，最大坝高85.6m，坝顶全长447m，分为23个坝段，坝段宽度为14～23m。

为了解该水电站消力池的冲刷、破损等缺陷情况，需对消力池及周缘混凝土结构表观完整情况进行水下检测工作，以掌握水下结构设施的运行状况。此次检查区域包括：消力池底板及左右边墙，含溢洪道反弧段水下部分、消力池底板以及左右边墙和厂房左端墙；坝前泄洪引水设施，包括坝前溢洪道，6#、10#和15#冲砂底孔（含底孔事故检修闸门上游流道），地下地上厂房机组进水口；地下厂房5#机组尾水洞和尾水渠；坝前200m 范围内。此次检测采取多种检测方式相结合的方法进行，消力池部分拟采用以下三步进行：（1）首先采用多波束测深系统对消力池进行全覆盖检测，必要时增加及二维声呐检测作业，探明异常规模以及分布情况；（2）采用水下无人潜航器搭载水下高清彩色摄像设备对各个异常部位逐一进行详查；（3）特殊情况如水下无人潜航器系统无法详查异常部位，则采用潜水员下水探查。

2 多波束扫测技术的应用

2.1 多波束扫测设备介绍

该项目采用的多波束扫测系统是TeledyneRESON 公司的R2Sonic2024 型多波束探测系统，R2Sonic2024 是一款可高度集成的多波束测量系统，安装方便、操作易用，主系统主要包括：（1）RSP 机柜式甲板单元，功能强大的声呐处理单元，以太网通讯，110-230VAC 供电；（2）水下换能器探头，包括1 个TC2181 发射换能器和1 个EM7218接收换能器；（3）25m 甲板连接电缆；（4）R2sonir声呐控制软件。为了避免在水电站靠近建筑物区域卫星信号失锁，该项目为多波束定位配备了惯性导航系统，可以在卫星信号被遮挡情况下，依然保证定位精度。

2.2 检测技术实施

2.2.1 多波束探测系统各项传感器的安装

以定制冲锋舟为多波束探测系统的载体，安装多波束系统水下发射及接受换能器，表面声速探头、固定罗经、三维运动传感器及RTK 流动站，各项安装须确保设备与船体摇晃一致。

2.2.2 定位坐标系的测量与转换

此次多波束探测系统作业采用了网络RTK 技术提供定位参数，项目所采用的水电站库区实测坐标系为WGS-84 坐标系，高斯3°带投影，测区中央子午线为102°。

工作现场使用网络RTK 对库区各基点进行了测量，作为此次水下检查项目的坐标框架，最后完成WGS-84 与水电站库区坐标系之间的转换七参数。

通过计算得到坐标系转换成果后，为了进一步验证转换成果的可靠度，现场工作中，使用网络RTK 站，选取水电站库区较为可靠的控制点进行了校验，转化后实测坐标与控制点基准坐标相差均小于±0.054m，可见转换成果的定位精度符合《水电水利工程施工测量规范》（DL/T5173-2012）的相关要求。

2.2.3 船体各传感器相对位置的测量

船体坐标系统定义船右舷方向为X 轴正方向，船头方向为Y 轴正方向，垂直向上为Z 轴正方向。分别量取RTK 天线、定位罗经天线、接收换能器相对于参考点（三维运动传感器中心点）的位置关系，往返各量一次，取其中值。

2.2.4 多波束系统水下探测作业

多波束探测系统主要针对水电站消力池、近坝库区，在探测过程中，相邻测线覆盖范围重合至少20%。为进一步提高水下探测成果的可靠度，在作业过程中，须根据现场条件适时进行声速剖面的测量，且两相邻声速剖面采集时间间隔不应超过6h。多波束探测系统在该水电站消力池部位水下检测测线布置示意图见图1。

图1 多波束探测系统在消力池范围内检测测线航迹图（线型轨迹）

2.3 检测数据收集

多波束内业数据处理采用PDS2000 数据采集软件以及CARISHIPSandSIPS 实测数据后处理软件共同进行，实测数据的处理主要包括：实测数据的姿态校正处理、实测数据噪音干扰预处理、各条测线实测数据合并。完成数据合并后，对得到的水深及位置进行精细处理，其主要内容是对两条相邻测线重叠覆盖范围的噪音干扰逐一进行筛选，删除以保留高精度的水深数据，最后绘制等深线图以及典型测线地貌图。

3 检测成果分析

现场实施过程中，首先采用多波束探测系统进行水下全覆盖检测，了解该水电站消力池周缘混凝土结构表观完整情况以及底板形态，基于多波束成果，采用水下无人潜航器完成混凝土结构外观情况的探查，并建立水电站消力池三维模型，并以该模型为基础，完成水下综合探查成果综合分析。

通过此次运用多波束普查，三维声呐详查以及水下机器人探测等手段，对水电站消力池范围内，漂木道右边墙、厂房左端墙、7#～9#溢洪道、护坦（450m高程护坦、456m 高程护坦及其渐变范围）的检查，未发现大规模开裂及压裂现象。

多波束探测成果显示该异常为消力池后坎存在较大规模的淘蚀现象，淘蚀范围主要分布在混凝土潜堰迎水面中部，分布范围为（坝横）0+169.00～0+198.00m以及（坝纵）0+135.00～0+181.00m，凹陷规模（长×宽×深）约为48m×27.6m×12m，该异常区域与之前所做检测数据对比，异常区域长度有所扩大，由45m 扩大到48m。

4 结论

多波束能够高精度地获取水底全覆盖的水深数据，但对具体物体的判读性较弱；侧扫声呐能够直接获取地形地貌图，从而直观地判读水底的表层特征，但图像中的深度判断能力及目标定能的判读能力较差。将二者有机结合后增强了不同观测数据的互补性与参考性，综合应用在水利工程的水底障碍物探测方面，具有直观、准确、可靠的特点，提高了对水下结构的研判能力。

该项目采用多波束扫测技术在水电站消力池范围内进行扫测，结合水下无人潜航器结构外观探查，发现了具一定规模的混凝土局部淘蚀损伤，目前暂不影响消力池的安全运行。每年汛期结束后应加强观察，重点观察已发现损伤的变化情况，及时发现问题，以便尽快采取处理措施，保证工程运行安全■