多波束與側(cè)掃聲吶在海上風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)沖刷檢測(cè)中的綜合應(yīng)用

陳 超，祝捍皓，陳政威，張 政

（浙江海洋大學(xué) 海洋聲學(xué)與遙感實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316021）

相較傳統(tǒng)利用熱能的發(fā)電方法，利用風(fēng)能發(fā)電不僅清潔無(wú)污染，還可有效緩解溫室效應(yīng)，符合國(guó)家綠色可持續(xù)發(fā)展的需要[1]。海上具有風(fēng)能資源豐富、靠近電網(wǎng)負(fù)荷中心等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)全球范圍內(nèi)海上風(fēng)電的裝機(jī)和發(fā)電量在快速增長(zhǎng)。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（Global Wind Energy Council，GWEC）公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年全球海上風(fēng)能累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)了27.2 GW[2]。海上風(fēng)電場(chǎng)安裝和運(yùn)行在海洋環(huán)境當(dāng)中，相比于陸上風(fēng)電場(chǎng)，其自然條件更為惡劣，設(shè)備運(yùn)行時(shí)受到風(fēng)荷載、地質(zhì)、波浪海流等多種復(fù)雜荷載的疊加影響。其中又以海流對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)的沖刷影響最大，因此，對(duì)其沖刷狀況的檢測(cè)已成為運(yùn)維保障的關(guān)鍵[3]。

現(xiàn)階段，利用以多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶為代表的聲吶設(shè)備對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)沖刷狀況開展檢測(cè)，是評(píng)估其水下結(jié)構(gòu)生命周期的最主要手段。其中，多波束測(cè)深系統(tǒng)可以獲取目標(biāo)區(qū)域高精度的水深數(shù)據(jù)及點(diǎn)位，生成反映海底地貌特征的三維立體圖像，但對(duì)海底的細(xì)致特征反映較差；側(cè)掃聲吶可以獲取目標(biāo)區(qū)域高分辨率的二維平面影像，但位置信息及水深數(shù)據(jù)精度較低[4-6]，兩者單獨(dú)使用均無(wú)法獲得全面、高精度的水下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文綜合上述兩種設(shè)備優(yōu)勢(shì)，提出了一種聯(lián)合多波束測(cè)深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶的檢測(cè)手段，在東海某海上風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)沖刷檢測(cè)中開展試點(diǎn)應(yīng)用。旨在通過(guò)定期全面、高精度的數(shù)據(jù)采集與分析，了解風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)沖刷的變化情況，為海上風(fēng)電場(chǎng)全生命周期管理體系的構(gòu)建與完善提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 設(shè)備測(cè)量原理

1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種高精度、高分辨率、高效率的一種水下地形測(cè)量技術(shù)[7]，該系統(tǒng)通過(guò)聲波發(fā)射與接收換能器陣進(jìn)行聲波廣角度發(fā)射和定向接收，在與航向垂直的垂面內(nèi)形成條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，從而能夠繪制出沿航線一定寬度條帶內(nèi)海底的三維地形、地貌，并根據(jù)風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)周邊的海底地形變化分析其沖刷情況。本文采用美國(guó)R2SONIC公司SONIC2024寬帶超高分辨率多波束測(cè)深儀，工作頻率200～400 kHz，頻率實(shí)時(shí)在線可選，覆蓋寬度10°～160°實(shí)時(shí)在線可調(diào)，以0.5°×1°超窄波束，具有1.25 cm的超高分辨率，最大測(cè)深范圍為500 m。多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量原理圖

1.2 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶是一種主動(dòng)式聲吶，從安裝在拖魚內(nèi)（拖曳式）的換能器中發(fā)出聲波，利用聲波反射原理獲取回聲信號(hào)圖像，根據(jù)回聲信號(hào)圖像分析海底地形、地貌，確定海底結(jié)構(gòu)物分布情況[8]。本文采用美國(guó)EdgeTech公司的EdgeTech 4125型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，低頻100 kHz，高頻400 kHz，同時(shí)雙頻工作，波束傾角向下5°～20°，實(shí)時(shí)在線可調(diào)，最大量程單側(cè)500 m/100 kHz，單側(cè)150 m/400 kHz。側(cè)掃聲吶測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 側(cè)掃聲吶測(cè)量原理圖

2 檢測(cè)應(yīng)用

2.1 工程概況

東海某海上風(fēng)電場(chǎng)某風(fēng)機(jī)組，位于東海大橋西側(cè)海域，海域水深9.9～11.9 m，以軟土地基為主，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用高樁混凝土承臺(tái)，每個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)置一個(gè)基礎(chǔ)[9]，如圖3所示。工程基礎(chǔ)分兩節(jié)，下節(jié)為直徑14.00 m、高3.00 m的圓柱體，上節(jié)為直徑11.00 m、高1.5 m的圓臺(tái)體；每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)8根直徑1.70 m的斜率5.5：1的鋼管樁。運(yùn)營(yíng)單位期望通過(guò)定期檢測(cè)，有效掌握風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)及周邊的地形、沖刷情況以及海底電纜裸露狀況，為海上風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)，本文采用多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶綜合檢測(cè)手段進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用。

圖3 東海某風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 檢測(cè)作業(yè)流程

檢測(cè)作業(yè)的設(shè)計(jì)及實(shí)施依據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）、《海洋調(diào)查規(guī)范 第10部分：海底地形地貌調(diào)查》（GB/T 12763.10—2007）等現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。海上檢測(cè)作業(yè)前，依照作業(yè)船只、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)天氣、風(fēng)浪和潮汐水流情況，以適宜方式布設(shè)測(cè)線。通過(guò)AutoCAD繪制作業(yè)測(cè)線，并轉(zhuǎn)換成測(cè)量導(dǎo)航文件。利用Hypack專業(yè)海洋綜合調(diào)查導(dǎo)航軟件設(shè)置好定位參數(shù)和記錄模式，連接測(cè)深儀、定位儀、姿態(tài)傳感器等設(shè)備，引導(dǎo)測(cè)量船進(jìn)入測(cè)線位置。導(dǎo)航員根據(jù)導(dǎo)航軟件顯示引導(dǎo)船長(zhǎng)實(shí)時(shí)修正航向、航速，按設(shè)計(jì)測(cè)線開始走航作業(yè)，導(dǎo)航軟件實(shí)時(shí)顯示并記錄定位、水深等測(cè)量數(shù)據(jù)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)作業(yè)時(shí)，工程船舷懸掛式安裝多波束換能器，換能器安裝在測(cè)量船中部，并用伸縮性較小的鋼絲繩呈T字型安裝，以減少船體晃動(dòng)對(duì)水深數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。配合高精度光纖羅經(jīng)及運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)多波束換能器姿態(tài)實(shí)時(shí)改正、海上定位設(shè)備實(shí)現(xiàn)多波束測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位實(shí)時(shí)獲取，并利用專業(yè)多波束測(cè)量數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)R2Sonic 2024多波束測(cè)量系統(tǒng)一體化海上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水下地形測(cè)量作業(yè)。通過(guò)測(cè)線走航測(cè)量作業(yè)，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊目標(biāo)區(qū)域范圍實(shí)現(xiàn)全覆蓋掃測(cè)。

側(cè)掃聲吶檢測(cè)作業(yè)時(shí)，通過(guò)繩索將拖魚懸掛于船尾，控制拖魚入水深度。計(jì)算GPS天線中心至固定支架的距離，并記錄拖魚繩索放出長(zhǎng)度，實(shí)時(shí)地進(jìn)行拖魚位置改正。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料調(diào)整拖魚位置和姿態(tài)，盡量避開船只尾流的干擾。通過(guò)測(cè)線走航測(cè)量作業(yè)，掌握風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊的海底面的地形地貌狀況。

3 數(shù)據(jù)分析

檢測(cè)作業(yè)完成后，對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)掃測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速剖面校正、潮位改正等一系列處理，得到精確的水深數(shù)據(jù)。利用Blueview、Sufer、AutoCAD等軟件處理生成風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云圖、風(fēng)機(jī)水下地形等值線圖、風(fēng)機(jī)整體三維模型圖等，展示風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)及海底地形的特征要素。

由圖4可以看出，風(fēng)機(jī)水下的8根鋼管樁輪廓形態(tài)清晰；圖5顯示風(fēng)機(jī)水下的8根鋼管樁周圍因局部水流動(dòng)力場(chǎng)變化形成了明顯的沖刷坑，沖刷坑整體呈橢圓形，長(zhǎng)半軸為東西方向，長(zhǎng)約34 m，短半軸為南北方向，長(zhǎng)約27 m，同時(shí)根據(jù)沖刷坑及流痕判斷風(fēng)機(jī)周邊主要水流沖刷方向?yàn)闁|西方向。由圖6可知，檢測(cè)風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)周邊平坦區(qū)域高程約為-13.5 m，沖刷坑坑底最深處高程約為-18.6 m，沖刷坑最深約5 m（均以1985國(guó)家高程為高程基準(zhǔn)）。由圖7看出，沖刷坑中存在多處管狀結(jié)構(gòu)物懸空，推測(cè)為風(fēng)機(jī)安裝施工過(guò)程中的建筑廢料。

圖4 風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云圖

圖5 風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云圖（俯視圖）

圖6 風(fēng)機(jī)水下地形等值線圖

圖7 風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)物周邊三維圖像

通過(guò)側(cè)掃聲吶圖像數(shù)據(jù)可以獲取海底結(jié)構(gòu)物的位置、大小及分布范圍，圖像更加直觀、清晰，從圖8中可以清晰的觀察出八根鋼管樁的形態(tài)特征、沖刷坑中的多處管狀結(jié)構(gòu)物以及風(fēng)機(jī)電纜裸露的情況，可與多波束系統(tǒng)三維圖像相互配合、驗(yàn)證和支撐，為數(shù)據(jù)分析提供有效補(bǔ)充。

圖8 風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)物側(cè)掃聲吶圖像

綜合各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)，最終形成如圖9所示的風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)三維模型圖。該圖能夠直觀、定量地顯示現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)的海底沖刷情況。后期，通過(guò)對(duì)該風(fēng)機(jī)組連續(xù)多次檢測(cè)，并將每次檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理形成三維圖像，進(jìn)而對(duì)比分析風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)周圍沖刷坑的發(fā)育、變化情況，融入并完善其全生命周期管理體系，為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。

圖9 風(fēng)機(jī)三維模型示意圖

4 結(jié)論

多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)用，在海上風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)沖刷檢測(cè)中取得了較理想的效果。多波束測(cè)深系統(tǒng)具有全覆蓋、高精度的特點(diǎn)，不僅能夠獲取風(fēng)機(jī)海底基礎(chǔ)的平面位置信息,還能夠通過(guò)測(cè)深點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)三維可視化，更加直觀、量化地確定風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)沖刷情況，但對(duì)海底的細(xì)致特征的反映效果較差，而側(cè)掃聲吶卻能夠?qū)⒑５椎匦我愿叻直媛实亩S平面影像的方式呈現(xiàn)，詳細(xì)反映出風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)物及周邊沖刷狀態(tài)，但位置信息及水深數(shù)據(jù)精度不足。兩者的結(jié)合使用可以有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，帶來(lái)更好的適用性、可靠性，能夠獲取更加詳細(xì)、準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)及水下結(jié)構(gòu)圖像，由此更好地應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)沖刷檢測(cè)工程。

為了更好地實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)效益最大化，可以通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)組水下結(jié)構(gòu)定期檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析上傳，完善風(fēng)電運(yùn)維大數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)海上風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)沖刷坑的發(fā)育、變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)地評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，融入整個(gè)風(fēng)機(jī)全生命周期管理體系，為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。