深水潛堤施工的水下定位與檢測技術(shù)探討

石峰

（上海達(dá)華測繪有限公司，上海200136）

深水潛堤施工的水下定位與檢測技術(shù)探討

石峰

（上海達(dá)華測繪有限公司，上海200136）

以長江口12.5 m航道整治的潛堤施工為研究對象，采用超短基線實時測量、水下三維聲納實時跟蹤、側(cè)掃聲納工后檢測等測量技術(shù)手段，闡述了深水區(qū)鋪排、砂袋拋放、拋石施工定位及檢測的作業(yè)工藝。通過分析為深水區(qū)的潛堤施工提供了準(zhǔn)確、便捷的測量手段，對同類作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

深水潛堤；水下定位；超短基線；三維聲納；檢測

0 引言

隨著長江口12.5 m航道整治工程的展開，深水潛堤的施工給水下鋪排、拋石護(hù)坡及袋裝砂拋放的測量定位、過程監(jiān)測及工后的檢測提出了挑戰(zhàn)。如何準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)地完成水下潛堤的施工測量作業(yè)成為項目實施的核心。

利用超短基線水下實時定位跟蹤、水下三維聲納實時掃描及側(cè)掃聲納工后檢測等技術(shù)[1-4]，結(jié)合施工區(qū)的水深、分層流速等信息進(jìn)行鋪排、水下袋裝砂（或網(wǎng)兜石）拋放的定位測量與實施監(jiān)測，為深水區(qū)水下鋪排、拋石、拋砂袋的準(zhǔn)確施工提供新的技術(shù)手段，有利于項目的快速、準(zhǔn)確、高效實施，有利于推動行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

1 項目實施難點

1.1 施工區(qū)環(huán)境及施工作業(yè)特點

1）水流速度快，最快的流速可達(dá)3.0 m/s。

2）水深深，潛堤施工區(qū)域的水深超過40 m。3）排布寬，水下受力明顯。

4）拋石網(wǎng)兜、砂袋水面拋放后受水流作用發(fā)生漂移。

5）施工后的檢測難度高，傳統(tǒng)的檢測手段難以實施。

1.2 施工測量難點

1）深水、高流速情況下軟排體位置動態(tài)實時監(jiān)測。

2）拋石體、袋裝砂拋放過程中的狀態(tài)及漂移距離的檢測。

3）排體鋪設(shè)好以后的水下檢測。

4）拋石體、袋裝砂施工結(jié)束后的斷面檢測。

2 解決方案及實施工藝

2.1 深水軟體排鋪設(shè)施工測量解決方案及工藝

2.1.1 深水軟體排鋪設(shè)施工測量解決方案

軟體排的施工測量工作共分為兩部分：施工過程中的動態(tài)監(jiān)測和工后排體位置及搭接狀態(tài)的檢測。

1）過程監(jiān)測

軟體排施工的過程監(jiān)測與水下實時定位同步進(jìn)行，利用超短基線水下實時定位技術(shù)完成。超短基線的水下定位信標(biāo)固定安裝在軟體排的邊緣，發(fā)射接收機(jī)固定安裝在施工船的一側(cè)。鋪排施工過程中，通過實時接收水下信標(biāo)的定位信息來反映軟體排的水下實時位置及運動軌跡，施工人員根據(jù)鋪排軟件反映出的實際位置與設(shè)計位置的偏差，及時進(jìn)行調(diào)整，確保鋪排施工的準(zhǔn)確定位。當(dāng)排體鋪設(shè)到水底后，水下信標(biāo)隨排體落在水底，再次測量水下信標(biāo)的位置，從而準(zhǔn)確獲取排體的最終位置。

2）工后檢測

軟體排的工后檢測主要檢測排體最終的位置及水下形態(tài)，是否發(fā)生卷角、折疊以及搭接是否滿足要求等。傳統(tǒng)的水下排體檢測主要采用浮球倒垂法加人工潛摸的方式，精度低、安全風(fēng)險高。針對該區(qū)域水深流急的特點，采用側(cè)掃聲納進(jìn)行軟體排的水下檢測。

2.1.2 超短基線鋪排施工測量工藝

1）測量定位原理

超短基線測量系統(tǒng)主要由發(fā)射接收單元（俗稱水聲換能器）及水下應(yīng)答信標(biāo)兩部分組成。換能器探頭里有多個水聽器，按三角形布陣，水聽器之間距離只有幾厘米。系統(tǒng)是根據(jù)聲波在水中傳播的往返時間及聲速來測量水聲換能器到水下信標(biāo)的距離（S=vt/2）；利用安裝在水聲換能器探頭中的多個水聽器接收陣接收水下信標(biāo)應(yīng)答信號的相位差來確定發(fā)射接收機(jī)相對船首的方位。

2）施工測量工藝

鋪排測量使用超短基線測量系統(tǒng)如圖1所示。其中操控室內(nèi)安裝有2套控制單元及1套鋪排軟件施工作業(yè)系統(tǒng)。2組超短基線定位系統(tǒng)分別接收固定在排體兩側(cè)信標(biāo)所發(fā)出的回聲信號進(jìn)行定位，系統(tǒng)將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形成符合施工要求的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過后處理軟件及實時顯示平臺監(jiān)測排體在水下的位置信息，對鋪排作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)控，對鋪設(shè)好的水下排體進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖1 超短基線鋪排作業(yè)水下定位系統(tǒng)示意圖Fig.1 The underwater positioning system of mattress laying work by ultra-short baseline

深水作業(yè)時定位信標(biāo)一般有8～12個。施工時將信標(biāo)固定在排體的邊緣，每2個為1組，對稱分布在排體的兩邊，分4～6組循環(huán)使用，每組間距10～30 m。當(dāng)某一組水下信標(biāo)到達(dá)水底穩(wěn)定后，測量其最終坐標(biāo)并釋放回收該設(shè)備，繼續(xù)進(jìn)行下一組的測量，如此循環(huán)完成整個排體的施工定位及監(jiān)測。在施工過程中，通過鋪排軟件的坐標(biāo)成圖、比對、報警功能實現(xiàn)排體鋪設(shè)的測量控制，為下一張排體的鋪設(shè)、搭接提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)成果。

2.1.3 軟體排的工后檢測工藝

1）側(cè)掃聲納測量原理

側(cè)掃聲納系統(tǒng)是基于回聲探測原理進(jìn)行水下目標(biāo)探測。通過系統(tǒng)的換能器基陣以一定的傾斜角度、發(fā)射頻率，向水底發(fā)射具有指向性的寬垂直波束角的脈沖超聲波，聲波傳播至水底或水底目標(biāo)后發(fā)生反射和散射，又經(jīng)過換能器的接收基陣接收水底的反射和散射波，經(jīng)過儀器的處理，用顯示裝置顯示，用記錄器儲存，工作時換能器按一定的頻率發(fā)射和接收聲波，并得到一系列回波。由于換能器基陣收到水底各點回波的時間有先后之分，故通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以聲圖形式顯示、記錄。當(dāng)聲波傳播距離越遠(yuǎn)時，換能器接收到的回波的時間就越長，從而反映出水底排體的位置及陰影信息。掃測排體的工作原理如圖2所示。

2）側(cè)掃聲納檢測軟體排的測量工藝

首先將RTK-DGPS、側(cè)掃聲納拖魚安裝在測量船上，利用專用的掃測軟件進(jìn)行測量，如圖2所示。如果水下鋪設(shè)的軟體排有下陷或堆積現(xiàn)象，掃測時該區(qū)域沒有聲波返回，圖像就會產(chǎn)生陰影，

也就可以反映出水下軟體排的鋪設(shè)情況。利用側(cè)掃聲納進(jìn)行排體鋪設(shè)好以后的位置及狀態(tài)檢測可以達(dá)到事半功倍的效果，已在長江口、南通及洋山等多個鋪排施工項目中實際應(yīng)用。圖3是側(cè)掃聲納在長江口12.5 m航道整治白茆沙項目中的檢測成果。

圖2 側(cè)掃聲納掃測排體示意圖Fig.2 Sketch of sweeping the mattress by side scan sonar

圖3 混凝土連鎖片排側(cè)掃影像Fig.3 Sweeping image ofconcrete chain blocks

2.1.4 超短基線及側(cè)掃聲納的測量檢測優(yōu)點

1）可對施工中的水下排體實現(xiàn)實時動態(tài)定位及監(jiān)測，速度快、效率高，可實現(xiàn)鋪排施工的動態(tài)控制。

2）檢測手段簡單，風(fēng)險小，不用配備專用的檢測船及專業(yè)的潛水員，成本費用較低。

3）檢測精度高，信息量豐富，有利于數(shù)據(jù)成果分析處理。

4）不受水深及排體檢測點多少的影響，易于實現(xiàn)全覆蓋檢測，檢測質(zhì)量高、風(fēng)險小。

2.2 袋裝砂及網(wǎng)兜石拋放施工的測量解決方案與工藝

2.2.1 測量解決方案

袋裝砂及網(wǎng)兜石（以下統(tǒng)稱拋放體）受水流作用會隨水流漂移，漂移距離與水的分層流速、水深、下放角度等有關(guān)，準(zhǔn)確測量并計算其漂移距離是確保施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

如圖4所示，在施工作業(yè)船上同時安裝水下三維聲納測量系統(tǒng)及超短基線測量系統(tǒng)，在拋放體上拴系可回收的水下定位信標(biāo)，利用超短基線的測量定位功能實時監(jiān)測砂袋及拋石體的水下位置狀態(tài)，從而確定拋放體的水下移動距離，為施工作業(yè)提供預(yù)拋量。利用水下三維聲納對拋放體進(jìn)行實時三維掃描，測量其水下運動形態(tài)，為施工拋放方式改進(jìn)提供依據(jù)。

圖4 水下拋放體檢測示意圖Fig.4 Detection ofthrowing the stone in water

2.2.2 水下三維聲納的測量原理

利用英國CodaOctopus公司生產(chǎn)的EchoScope三維聲納，整個三維聲納測量系統(tǒng)配備了高精度的三維姿態(tài)儀、羅經(jīng)及GPS等，可安裝在測量船或水下機(jī)器人上進(jìn)行動態(tài)實時測量。系統(tǒng)利用聲學(xué)相控陣技術(shù)可在水平及垂直視場（50°×50°）內(nèi)同時形成16 000個波束（橫向128×垂向128），距離探測精度可達(dá)4 cm。

2.2.3 檢測工藝流程

在水下潛堤整體施工前進(jìn)行典型的預(yù)拋施工，并準(zhǔn)確測量拋放體在水下的實際漂移距離，為后續(xù)大批量水下拋放施工提供依據(jù)。拋放前需要做好以下工作。

1）利用ADCP測流設(shè)備測量施工區(qū)從水面到水底的各水層流速。

2）拋放體上拴系帶回收功能的水下定位信標(biāo)。3）測量或計算拋放體的體積。

拋放體入水后，利用超短基線及水下三維聲納測量其水下實時的位置及動態(tài)，量測并分析其水下移動軌跡，建立水層流速、拋放體體積、水深與拋放體漂移距離的數(shù)學(xué)模型。

典型拋放施工結(jié)束后，根據(jù)建立的數(shù)模，輸

入施工時的水流、水深、拋放體體積等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，比較準(zhǔn)確地估算出拋放體沉入水底后的實際位置。拋放過程中仍采用水下三維掃描聲納進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確測量拋放體的水下實際位置。

2.2.4 砂袋及網(wǎng)兜石工后檢測

砂袋及網(wǎng)兜石的檢測主要是拋放到位后的斷面檢測及水下狀態(tài)檢測，采用高精度水下三維聲納來完成，通過三維聲納可獲得砂袋及網(wǎng)兜石水下三維數(shù)據(jù)信息，形成詳細(xì)的數(shù)據(jù)成果及圖像成果。圖5是利用水下三維掃測水下混凝土方塊的三維圖像，其圖像的分辨率達(dá)到厘米級。

圖5 三維聲納測量數(shù)據(jù)影像圖Fig.5 3D sonar measurement image

根據(jù)三維聲納測量獲得的三維水深數(shù)據(jù)，可以繪制水下潛堤的縱橫向斷面圖。由于三維聲納是全斷面、全覆蓋的測量，測量數(shù)據(jù)信息豐富，可根據(jù)其測量結(jié)果對特征點、特殊斷面進(jìn)行有針對性的分析，從而確保潛堤的施工質(zhì)量。

3 結(jié)語

在流速較快的深水區(qū)進(jìn)行潛堤施工存在許多技術(shù)難題，國內(nèi)外鮮有參考及報道的先例，對水下潛堤施工進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的動態(tài)監(jiān)測及實時監(jiān)測是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。

超短基線測量定位技術(shù)、三維聲納掃測技術(shù)、側(cè)掃聲納檢測技術(shù)等在深水潛堤施工中的綜合應(yīng)用，為水下潛堤施工的過程實時監(jiān)測、工后狀態(tài)檢測提供了有效的檢測手段，其安全性、準(zhǔn)確性、高效性將為深水作業(yè)區(qū)的水下施工提供重要保障，可為同行業(yè)的施工檢測提供參考。

[1]焦永強，田維新，潘賢亮.超短基線測量技術(shù)在鋪排施工中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2013（3）：60-62. JIAO Yong-qiang,TIAN Wei-xin,PAN Xian-liang.USBL Survey technology in laying geotechnicalfabric mattress[J].China Harbour Engineering,2013(3)：60-62.

[2]唐利娜.水下三維聲成像及聲納圖像處理技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009. TANG Li-na.Technical research on 3D underwater acoustical imagingand sonarimages processing[D].Harbin:Harbin Engineering University,2009.

[3]唐秋華，吳永亭，丁繼勝，等.RTK GPS在超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)安裝校準(zhǔn)中的應(yīng)用[J].海洋測繪，2005，25（5）：40-42. TANG Qiu-hua,WU Yong-ting,DING Ji-sheng,etal.Calibration of ultra shortbaseline acoustic positioning system using RTK GPS [J].Hydrographic Surveying and Charting,2005,25(5):40-42.

[4]田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：27-45. TIAN Tan.Underwater positioning and navigation techniques[M]. Beijing:National Defence Industry Press,2007:27-45.

Discussion on underwater positioning and detecting technology of deep submerged breakwater construction

SHIFeng
（ShanghaiDahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai200136,China）

Taking the submerged breakwater construction for 12.5 m waterway regulation at the Yangtze Estuary as the research object,we used measurement techniques such as ultra-short baseline real-time measurement,underwater 3D sonar real-time tracking,and side scan sonar survey after work,expounded the operation process of deep water mattress laying, sandbag arrangement and location of riprap and measurement.This paper provides accurate and convenient measurement method for deep water submerged breakwater construction,and has certain guiding significance for the same works.

deep submerged breakwater;underwater positioning;ultra-short baseline；3D sonar；detection

U617

A

2095-7874（2015）12-0062-04

10.7640/zggwjs201512015

2015-07-30

石峰（1964—），男，上海市人，高級工程師，測量工程專業(yè)。

E-mail：490729930@qq.com