多波束和三維聲吶技術(shù)在碼頭工程中的應用實例

譚博珍

摘 要：使用多波束和三維聲吶測量技術(shù)對某碼頭工程基床前肩構(gòu)造及沉箱安放的施工效果進行檢測，將水下隱蔽工程圖像化，直觀地反應隱蔽工程的全貌，為隱蔽工程的檢驗與缺陷的修護提供依據(jù)和可視化的資料。

關鍵詞：多波束;三維聲吶;檢測

1引言

在碼頭工程中，多波束測量技術(shù)掃測精度較高，能直觀、準確地判斷海床面的地形情況，是航道、港池、基床施工后重要檢測手段。三維聲吶系統(tǒng)水下目視檢測是利用目力、水下照相或錄像進行檢測的方法[1，2]，該方法能在含沙量大、能見度低、水下地形復雜的環(huán)境中，通過三維圖像清晰反映水工結(jié)構(gòu)真實場景。本文以工程實例，結(jié)合多波束和三維聲吶成像兩者技術(shù)的結(jié)合，通過檢測手段，可視化施工效果，利于碼頭水下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢查和修復。

2工程概況

廈門港古雷港區(qū)某泊位工程位于古雷半島西側(cè)東山灣灣口東側(cè)，碼頭長349m，15萬噸級通用泊位。碼頭基床頂標高為-19.50m，結(jié)構(gòu)采用連片式方沉箱結(jié)構(gòu)（共18個沉箱），沉箱尺寸為長18.75m×寬19.1m×高22.2m，趾長1.0m。沉箱安裝完后，因外部環(huán)境影響，工程停工長達1年，且碼頭前沿柵欄板尚未安裝。復工前，采用多波束和三維聲吶測量技術(shù)對基床前肩、沉箱安裝質(zhì)量檢查，為后續(xù)施工或缺陷修復提供依據(jù)。沉箱安裝平面圖見圖1所示。

3工作原理

3.1 多波束掃測

水深掃測采用美國Trimble SPS461信標機進行動態(tài)定位，配合SeaBat T50-P寬帶多波束測深系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，同時將自動采集的數(shù)據(jù)儲存在計算機中。在水深掃測的同時，設立臨時潮位站進行人工同步潮位觀測，用于多波束后處理數(shù)據(jù)的潮位改正，水深掃測全覆蓋測量范圍。

系統(tǒng)包括SeaBat T50-P處理器;接收/發(fā)射換能器;數(shù)據(jù)采集計算機;OCTANS光纖羅經(jīng)運動傳感器;HY1200聲速剖面儀;SPS461接收器;專用安裝支架;PDS2000導航、數(shù)據(jù)采集軟件;Carise Hips數(shù)據(jù)處理軟件。多波束系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示;現(xiàn)場測量圖見圖3所示。

3.2 三維聲吶系統(tǒng)

水下三維聲吶系統(tǒng)（BV5000）首先通過聲吶頭發(fā)射一個頻率1.35MHZ的脈沖信號，形成一個45°*1°的扇形掃描區(qū)域，每個脈沖包含256個聲學波束，以相同間隔排列在垂直方向上，即每個波束的間距為0.178°，系統(tǒng)接收到目標物反射的信號后，結(jié)合波束形成、波束指向、振幅及相位檢測等技術(shù)，得到扇形區(qū)域256個點與換能器的位置信息，生成1個2D圖像，再通過計算機控制云臺在水平方向上360°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)檢測目標物不同部位的位置信息，最終形成3D圖像。

系統(tǒng)設備包括聲吶頭、云臺、接線盒及數(shù)據(jù)傳輸電纜等。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖4所示，現(xiàn)場測量圖見圖5所示。

4檢測內(nèi)容

4.1基床前肩

檢查暗基床寬度、標高與坡度情況，即前肩寬度是否滿足規(guī)范要求，是否存在局部超高或欠拋。

4.2沉箱安裝

檢查沉箱接縫寬度以及安裝過程碰損情況。定性分析沉箱接縫破損情況，對于較大接縫進行定量分析，對明顯的異常情況進行排查。

5數(shù)據(jù)分析

5.1沉箱安裝

5.1.1沉箱安裝接縫

沉箱接縫寬度自北向南進行編號，共18個接縫。對BV5000獲得的數(shù)據(jù)進行分析，并與實際量測尺寸比對。沉箱設計高度為22.2m，按《水運工程驗收標準》，沉箱高度超過10m，允許最大接縫寬度應為8H/1000=177.6mm。

根據(jù)比對數(shù)據(jù)，有16個合格，合格率89%，沉箱接縫寬度分析見表1。另外，9#接縫相鄰沉箱錯位明顯，錯位約20cm。

選取8#沉箱安裝后接縫寬度，上部用直尺實際量測，水下用三維聲吶系統(tǒng)生成的3D結(jié)構(gòu)圖像化，能準確反映沉箱安裝質(zhì)量。從8#沉箱安裝數(shù)據(jù)分析，基床未夯實而發(fā)生不均勻沉降，導致沉箱之間的縫寬超出設計和規(guī)范允許偏差。對沉箱縫寬不合格的情況，在后續(xù)后沿棱體拋石需特殊處理。? 實測與三維聲吶數(shù)據(jù)對比見圖6所示。

5.1.2沉箱前趾

沉箱前趾在三維聲吶系統(tǒng)生成的3D結(jié)構(gòu)圖像能清晰的反映出沉箱前趾大量堆積物，整個前趾已被覆蓋，無法對其施工效果進行定性定量分析，待清淤后重新掃測。沉箱前趾生成的3D結(jié)構(gòu)圖像見圖7所示。

5.2基床前肩

多波束掃測后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析能反映基床前肩淤積大量的淤泥，無法準確量取寬度、高程，必須清理淤泥后重新掃測。不過通過對比實測斷面和設計斷面，未發(fā)現(xiàn)欠拋現(xiàn)象。基床前肩多波束掃測圖見圖8所示。

6結(jié)論

（1）三維聲吶系統(tǒng)（BV5000）精度高、成像清晰，且通過可視化直觀反映水下結(jié)構(gòu)狀況，為水下結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢查和缺陷修復提供重要的技術(shù)手段。

（2）SeaBat T50-P多波束測量技術(shù)能高精度、全覆蓋，準確測量出水下地形地貌，數(shù)據(jù)處理分析與三維聲吶系統(tǒng)成像結(jié)果基本吻合。

（3）本次測量中，三維聲吶系統(tǒng)仍然存在不足，受環(huán)境因素、水流因素、操作方法或設備自身缺陷，對于微小缺陷不能直觀反映。但它借助三維顯示技術(shù)，可提供水下目標外形輪廓的更多細節(jié)描述，是目前水下細部結(jié)構(gòu)檢測比較先進的手段[3，4]。

參考文獻：

[1] 程志虎.水無損檢測技術(shù)綜述下[J]. 無損檢測， 1997， 19（9）：266-269.

[2] 張劍波.水下結(jié)構(gòu)物檢測與維修技術(shù)概論[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[3] 戴林軍，郝曉偉，吳靜，等.基于三維成像聲吶技術(shù)的水下結(jié)構(gòu)探測新方法[J]. 浙江水利科技， 2013， （3）：62-65.

[4] 時振偉，劉翔，張建峰，等.三維成像聲吶BV5000在水下測繪領域中的應用[J]. 氣象水文海洋儀器，2013（3）：48-52.