面向港口水下工程的声呐检测方法适用性研究

朱瑞虎，向鹏，章家保，丁德荣，李同飞

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.福建省港航管理局勘测中心，福建 福州 350009）

0 引言

准确、高效地获取港口水下工程信息，对全面了解港口施工质量及水下结构状态具有重要意义[1]。以多波束测深系统及三维扫描声呐系统等为代表的多波束声呐具有全覆盖、高效率、高精度等优点，能在复杂的水下环境中获取准确的数据，适用于水下构筑物信息的获取，是水下结构安全监测及施工检测应用的重要手段[2-3]。

应用多波束声呐系统进行水下检测的工程众多，这些工程的检测都是依靠多波束声呐设备。利用声波在水下传播速度快、衰减速度慢的特点，通过布置测线或测站来获取水下构筑物信息。港口水下岸壁工程检测的特点是对竖直面进行扫测且检测精度要求较高，朱瑞虎、章家保等[4-5]通过自制的垂直岸壁结构混凝土模型开展现场试验，得出在工作距离不大于1.5 m时，三维扫描声呐能够对宽度不小于1 cm的长条形目标进行整体识别，同时应用多波束声呐系统对码头沉箱接缝进行检测，并对检测方法进行改进与优化，极大地提升了多波束声呐系统对码头岸壁的检测效果，为沉箱安装工程提供了可视化依据。吉同元等[6]采用三维扫描声呐系统开展重力式码头检测，针对港口水下平面工程检测深度较深、检测范围较广的特点，阐明了多波束测深系统的应用优势。张顺洋等[7]对多波束测深系统与三维扫描声呐系统在码头水下部分的应用进行对比，得出BV5000三维扫描声呐系统具有检测精度高、设备组装方便、不需要导航定位和姿态传感器等辅助设备的优点。水下结构差异的确会对多波束声呐系统检测效果造成影响，不同的多波束声呐检测系统适用范围也不尽相同。这是因为接受声波的质量会随着传输路径的变化发生改变，并且还会受到扫测角度的影响。

码头直立式岸壁作为一种典型的港口水下工程，具有直立安装、检测精度要求高等特点，与基槽、基床等平面工程具有明显的不同，但目前对于不同多波束声呐系统在这两种结构检测中的适用性研究并不多见。为此，本文依托实际工程，基于多波束声呐系统对港口水下基槽、基床、沉箱岸壁的检测效果，分析常用的多波束测深系统和三维扫描声呐系统对水下平面工程和直立式岸壁工程检测的结果差异及适用性。

1 检测概况及采集数据

1.1 检测概况

福建某港口1号、2号泊位工程码头基础结构类型为重力式沉箱码头，因基槽、基床、沉箱安装都在水下进行施工，这些结构施工受水流、潮汐、水下地形及水下障碍物的影响较为严重，施工质量难以控制[8]，采用多波束声呐系统对该沉箱码头结构水下施工质量进行检测与评价。

本次沉箱码头基床及基槽检测内容包括：

1）对基槽开挖后的基底及边坡进行检测；

2）对基床抛石、整平后的顶标高及轮廓线进行检测。

基床分粗平、细平、极细平，大型构件底面尺寸大于或者等于30 m2，可不进行极细平，本工程沉箱底面积均大于30 m2，故基床整平采用的是细平。大泊位码头整平标高：设计基床顶面高程为-16.3 m，整平宽度17 m。根据施工组织设计及施工方案要求：施工过程整体预留15 cm沉降量，原方案计划向墙后倾斜的坡度取1%，即沉箱后墙标高为-16.15 m，前趾标高为-15.98 m。根据小泊位沉箱安装后的整体趋势，以及沉降位移观测数据，将部分基床坡度放缓至0.8%，即沉箱后墙标高为-16.15 m，前趾标高为-16.02 m，以此作为基床整平顶面标高验收标准。

本次沉箱安装检测范围包括以下内容：检查沉箱中、下接缝宽度、错位以及碰损情况；为定量统计沉箱接缝宽度，采用多波束测深系统进行扫测之后再对较宽的接缝采用三维多波束扫描声呐系统进行近距离检测。沉箱接缝自东向西进行编号，共35个，部分沉箱安装平面布置见图1。

图1 沉箱安装平面布置示意图Fig.1 Installation layout diagram of caisson

1.2 数据采集

1）多波束测深系统扫测数据采集

码头沉箱安装现场数据采集断面设置为码头胸墙沿海侧每隔10 m 1条，采用波束旋转倾斜功能混合采集模式，将探头物理旋转15°，保证码头折角数据无盲区。波束开角设置90°，重叠度100%，扫测宽度20 m，船速2~3 kn。

2）三维多波束扫描声呐系统数据采集

与传统的将三维声呐头固定于水面船只或在水底布置测站进行测量不同，针对三维扫描声呐检测范围小，不能对沉箱任意水深处接缝局部扫测的问题，本次数据采集通过自主设计的测量支架携带三维扫描声呐吊至检测水深进行数据采集。

2 结果与分析

2.1 基槽、基床检测

1）基槽开挖状况

根据多波束声呐系统测量数据统计结果，水深数据统计如表1所示。

表1 多波束系统基槽检测数据统计表Table 1 Statistical table of foundation trench detection data for multi-beam system m

从表1中的最浅水深值及最大水深值可以看出，基槽各部分存在欠开挖和超深区域，平均超深超过0.5 m的中部和南部重合区域出现了明显的超深区域，基槽开挖多波束检测数据与设计标高比对，部分区域未达到设计标高要求，施工未达设计要求。

2）基床整平状况

根据多波束测量数据进行统计，水深数据统计结果见表2。可以看出基床平均水深值未能达到设计底标高的要求，存在部分地区欠抛或超抛。检测结果表明基床整平的部分区域标高未符合基床整平顶面标高验收标准的要求。

表2 多波束系统基床检测数据统计表Table 2 Statistical table of foundation bed detection data for multi-beam system m

2.2 沉箱岸壁检测结果

1）沉箱岸壁状况分析

采集多波束测深系统检测数据和三维多波束扫描声呐系统扫描数据进行分析，根据沉箱接缝上下宽度及错台的情况判断沉箱安放接缝质量。接缝检测首先使用多波束测深系统进行检测，范围为小泊位沉箱1~35号沉箱，接缝为1~35号接缝，因26~35号接缝插拔尚未安装，故不做缝宽检测分析，只做错台分析。多波束测深系统检测后发现部分沉箱接缝较宽，并且自沉箱顶到海床呈上大下小或上小下大状，有些相邻沉箱沿海一侧产生前后错位，取13号、14号接缝进行数据图像分析如图2所示。

图2 13号、14号沉箱接缝多波束测深系统检测三维图Fig.2 3D diagram of multi-beam sounding system detection for No.13 and No.14 caisson joints

2）沉箱岸壁检测

根据JTS 257—2008《水运工程质量检验标准》[9]中码头墙身构件安装要求，采用钢卷尺对沉箱上接缝进行检测，多波束和三维多波束扫描声呐系统扫描量取沉箱中部接缝、下接缝（海床上约1 m）和最大的缝宽进行统计，统计结果见表3。本检测项目沉箱接缝10号、14号、15号、17号、19号、25号的缝宽较大，其余较小的接缝多波束无法定量量取其宽度。相邻沉箱错台统计如表4所示。在使用多波束对沉箱接缝的检测成像过程中，沉箱接缝的成像对图像分辨率要求很高，只有在反射强度较高的情况下才能得到清晰的图像，低反射的情况下沉箱接缝的成像质量不佳；通过图2可以看出13号、14号沉箱接缝较宽，边缘不规则，并且自沉箱顶到海床呈上下一致错台。从沉箱接缝宽与错台检测统计表可以看出，通过多波束声呐系统对水下沉箱接缝可视化检测可以得到沉箱水下接缝三维立体的信息，对不在同一竖直面的沉箱中、下接缝宽度、错位以及碰损情况进行检测。

表3 沉箱接缝宽度检测统计表Table 3 Statistics table of caisson joint width detection

为定量统计沉箱接缝宽度，用多波束测深系统对沉箱岸壁进行大范围整体扫测，对扫测结果中接缝宽度明显较大的13号接缝采用三维多波束扫描声呐系统对其进一步精细化检测测量接缝准确宽度，如图3所示。

图3 13号接缝的三维多波束扫描图Fig.3 3D multi-beam scanning view of No.13 caisson joint

相比于多波束测深系统沿水面测线对接缝斜向扫测获取波束的形式，三维扫描声呐系统则是通过自制水下测量支架下潜至接缝宽度较大处，获取相对回波强度信息得到质量更高的接缝三维空间信息。通过点云图像测得13号接缝局部平均缝宽70 mm，错牙30 mm。

2.3 检测质量分析

多波束声呐系统检测应用于港口水下工程检验评价，其检测数据精度应达到相关规范允许偏差的精度。本研究结合《水运工程质量检验标准》，对沉箱码头基槽开挖、基床整平、沉箱安装的施工检测进行评价[9]，其偏差结果与规范允许偏差对比统计如表5所示。通过测量结果与设计值偏差统计可以看出，多波束声呐系统能够准确检测出港口水下工程施工偏差，并结合相关检测规范对港口水下施工质量进行评价。

表5 测量偏差与规范允许偏差对比统计表Table 5 Statistical table of comparison between measurement deviation and specification allowable deviation mm

3 结语

本文研究了常用多波束声呐系统在基槽开挖、基床整平等平面工程和直立式岸壁工程检测中的适用性，分别利用多波束测深系统和三维扫描声呐系统对沉箱码头基槽开挖、基床整平和沉箱安装进行施工检测，结合相关规范分析检测结果的适用性。研究结果表明：

1）多波束测深系统应用于港口水下平面工程检测，在基槽开挖和基床整平施工检测中均满足水运工程相关检验允许偏差的精度要求。

2）联用多波束测深系统与三维多波束扫描声呐系统开展沉箱安放施工效果检测，实现码头水下岸壁工程可视化，直观地反映码头墙身的全貌，为码头水下岸壁工程施工控制与评价提供了精确资料。

3）使用多波束声呐系统检测技术可以直观地反映沉箱码头工程水下施工过程中的不足，具有高效、精准、便捷的优点，在水下精细化施工控制检测中可以推广使用。