海洋測量技術(shù)方法在涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用與思考

馮 露，李 艷，翟 潔，曾令煒

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000；2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230000；3.陜西省地下水保護(hù)與監(jiān)測中心，陜西 西安 710003；4.淮河水利委員會治淮工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230000)

伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人類對海洋資源的持續(xù)探索、開發(fā)，海洋測量技術(shù)方法也日趨精進(jìn)和完善，利用多種現(xiàn)代化探測技術(shù)方法和儀器設(shè)備，人類得以更高效全面地探查了解海洋水下的方方面面。多波束水深測量、側(cè)掃聲吶水下探測等探測技術(shù)是海洋測量的重要技術(shù)方法，極大提高了海洋水下地形地物地貌的探查效率和效果；水下三維聲吶掃測、水下機器人(搭載水下高清攝像及圖像聲吶)檢測等技術(shù)為海洋水下精細(xì)化測量提供了可能；并有潛水探摸、水面船載、水下機器人搭載等多種海洋測量作業(yè)方式。

隨著國家基建領(lǐng)域的快速發(fā)展建設(shè)，水利水電、橋梁提防、港口碼頭等涉水工程日益增多，相應(yīng)涉水工程水下檢測需求也日益增多。但相較于較為完善、成熟的海洋測量技術(shù)方法和廣泛的行業(yè)應(yīng)用，傳統(tǒng)涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)方法仍舊處于相對單一、陳舊的階段，主要靠潛水?dāng)z像、探摸為主，具有諸多弊端：

(1)潛水探摸人員安全風(fēng)險高，多作業(yè)環(huán)境條件要求高，限制了潛水探摸作業(yè)的應(yīng)用；(2)潛水探摸作業(yè)效率較低，不能對水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效、全面的檢測；(3)潛水探摸結(jié)果主觀影響因素大，呈現(xiàn)形式單一，成果可靠性較差等。

水利水電、橋梁提防、港口碼頭等涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測亟需更高效、精準(zhǔn)的水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)方法和儀器設(shè)備，多波束水深測量技術(shù)、側(cè)掃聲吶水下探測技術(shù)、水下三維聲吶掃測技術(shù)、水下機器人(搭載水下高清攝及圖像聲吶)檢測技術(shù)等成熟的海洋測量技術(shù)方法在涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測有極其廣泛的應(yīng)用前景和價值。

1 海洋測量技術(shù)方法簡述

1.1 多波束水深測量技術(shù)

多波束水深測量技術(shù)是海洋測量重要的水深測量技術(shù)方法之一，也稱聲吶陣列測深技術(shù)，利用超聲波原理進(jìn)行工作。多波束測深系統(tǒng)通過聲波發(fā)射與接收換能器陣進(jìn)行聲波廣角度定向發(fā)射和接收，配合GPS定位設(shè)備和姿態(tài)校正儀器設(shè)備，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)，可精確、快速地測繪沿航線一定寬度條帶內(nèi)海底地形、地貌。目前多波束水深測量系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了測深數(shù)據(jù)自動化，還可以外業(yè)準(zhǔn)實時自動繪制出測區(qū)水下彩色等深圖。

1.2 水下三維聲吶掃測技術(shù)

水下三維聲吶是一種高效的水下全景聲吶掃描成像系統(tǒng)，可生成高分辨率的3D全景圖像。水下三維聲吶掃描的基本工作原理是通過發(fā)射和接收聲波進(jìn)行目標(biāo)測距定位，采用旋轉(zhuǎn)二維面陣的方式，直接采集到目標(biāo)外形輪廓的水平、垂直、高度三個方向上的數(shù)據(jù)，同時獲得目標(biāo)物的其他細(xì)節(jié)描述，并借助三維顯示技術(shù)，最終生成目標(biāo)的實時三維立體圖像。該系統(tǒng)能在無GPS信號的封閉空間內(nèi)獨立使用，是GPS信號盲區(qū)水域多波束水深測量技術(shù)的友好補充。

1.3 側(cè)掃聲吶水下探測技術(shù)

側(cè)掃聲吶是一種主動式聲吶，從安裝在船體兩側(cè)(船載式)或安裝在拖魚內(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圖像，根據(jù)回聲信號圖像分析海底地形、地貌，確定海底障礙物分布等。側(cè)掃聲吶水下探測具有現(xiàn)場作業(yè)簡單、探測成果影像直觀的特點，并可以現(xiàn)場讀圖、識圖，實現(xiàn)水下檢測缺陷異常情況的現(xiàn)場判讀、標(biāo)識。

1.4 水下機器人檢測技術(shù)

水下機器人也稱“水下遙控潛器”(Remotely Operated Vehicle，簡稱ROV)，又叫水下潛航器，是一套高性能的可靠系統(tǒng)，能夠在水下環(huán)境中長時間作業(yè)的高科技裝備，尤其是在潛水員無法承擔(dān)的高強度水下作業(yè)、潛水員不能到達(dá)的深度和危險條件下更顯現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢。ROV作為水下作業(yè)平臺，采用可重組的開放式框架結(jié)構(gòu)和數(shù)字傳輸?shù)挠嬎銠C控制方式，在有效載荷允許情況下，針對不同的水下檢測任務(wù)需要，可在ROV上配置不同的儀器設(shè)備，搭載水下高清攝像和水下圖像聲吶系統(tǒng)設(shè)備，既可滿足對重點水下目標(biāo)的抵近精細(xì)化測量需要。

2 海洋測量技術(shù)方法在水電站水下結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用

2020年10月，實例項目采用綜合海洋測量技術(shù)方法對大渡河干流某水電站泄洪閘及下游消力池和海漫水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全覆蓋檢測。該水電站采用堤壩式開發(fā)，布置有5孔泄洪閘，其中1號～2號泄洪閘壩段長29.0 m，消力池長131.70 m，消力池出口海漫長43.30 m；3號～5號泄洪閘壩段長42.0 m，消力池長131.70 m，消力池出口海漫長135.8 m。

項目現(xiàn)場利用水面橡皮艇配合水下三維聲吶完成了對閘室等GPS信號盲區(qū)位置的水下結(jié)構(gòu)掃測作業(yè)，利用“無人船+多波束”和“無人船+側(cè)掃聲吶”系統(tǒng)設(shè)備對測區(qū)范圍開展了全覆蓋多波束水深測量作業(yè)和側(cè)掃聲吶水下探測作業(yè)，并現(xiàn)場快速判斷、標(biāo)定水下結(jié)構(gòu)疑似缺陷情況；在利用ROV水下機器人搭載水下高清攝像和前視圖像聲吶完成對測區(qū)范圍全覆蓋的定線巡探普查工作后，再利用ROV水下檢測技術(shù)對已經(jīng)標(biāo)定的水下結(jié)構(gòu)疑似缺陷情況進(jìn)行抵近復(fù)核詳查。

實例項目歷時4個外業(yè)工作日、通過綜合應(yīng)用多種海洋測量技術(shù)方法，完成了對該水電站泄洪閘、消力池和海漫等區(qū)域的水下結(jié)構(gòu)全覆蓋檢測工作。相較于往期10多天的潛水探摸作業(yè)周期，極大地減少了現(xiàn)場檢測作業(yè)工期、降低了現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險和難度，最終：(1)探明了測區(qū)水下結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，形成了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和數(shù)字化成果；(2)查明了水下混凝土結(jié)構(gòu)沖刷破損等缺陷情況，確定了缺陷形狀及位置；(3)繪制了水下檢測成果缺陷平面圖，列表缺陷性狀、位置及影像資料；(4)形成了項目水電站水下結(jié)構(gòu)檢測成果報告，為后續(xù)運維工作提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 某水電站水下結(jié)構(gòu)檢測多波束水深測量技術(shù)作業(yè)成果示意圖

圖2 某水電站水下結(jié)構(gòu)檢測側(cè)掃聲吶水下探測技術(shù)作業(yè)成果示意圖

圖3 某水電站水下結(jié)構(gòu)檢測水下三維聲吶掃測技術(shù)作業(yè)成果示意圖

(搭載水下高清視頻及圖像聲吶)水下機器人檢測技術(shù)作業(yè)成果示意圖

3 海洋測量技術(shù)方法在涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用思考

(1)多波束水深測量、側(cè)掃聲吶水下探測、水下三維聲吶掃測、水下機器人檢測等技術(shù)和儀器設(shè)備成熟，有完善的操作流程和使用規(guī)范，相應(yīng)技術(shù)在海洋調(diào)查、海洋測量領(lǐng)域有著廣泛、可靠的應(yīng)用經(jīng)驗；相較于單一的傳統(tǒng)水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)方法，多波束等成熟海洋測量技術(shù)方法涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)有極其廣泛的應(yīng)用前景和價值。

(2)多波束、側(cè)掃等常規(guī)海洋測量技術(shù)方法側(cè)重于對海洋目標(biāo)對象信息的高效快捷獲取，涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測作業(yè)的工作重點在于對水下檢測目標(biāo)物各項性狀細(xì)節(jié)信息的詳盡探查。成熟海洋測量技術(shù)方法應(yīng)用于涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測時，應(yīng)根據(jù)具體水下結(jié)構(gòu)檢測需求和特點選擇應(yīng)用使用的技術(shù)方法，并適當(dāng)調(diào)節(jié)實際作業(yè)操作過程。

(3)多波束水深測量技術(shù)可高效快捷的獲取水下地形數(shù)據(jù)，適用于涉水工程大面積“平鋪”水下結(jié)構(gòu)的檢測，如混凝土底板破損、河道坡面破損、橋墩基礎(chǔ)河床沖刷等；應(yīng)對水庫大壩面板、港口碼頭立墻等水下“立面”結(jié)構(gòu)檢測需求，可適當(dāng)調(diào)節(jié)多波束聲吶的安裝方式，并選用合適的多波束設(shè)置參數(shù)，以實現(xiàn)對水下“立面”結(jié)構(gòu)的檢測。

(4)側(cè)掃聲吶水下探測技術(shù)可以直觀、高效的展現(xiàn)水底地物地貌圖像影像，適用于對水下結(jié)構(gòu)的快速普查作業(yè)，指導(dǎo)后續(xù)局部詳查作業(yè)，并用于其它技術(shù)方法水下檢測成果的印證復(fù)核；通過改變側(cè)掃聲吶設(shè)備的安裝方式，也可以實現(xiàn)側(cè)掃聲吶對水下“立面”結(jié)構(gòu)的檢測。

(5)水下三維聲吶掃測適用于水下結(jié)構(gòu)的小范圍詳查作業(yè)，可克服無GPS定位數(shù)據(jù)的不利因素，并通過特征點匹配與多波束數(shù)據(jù)相融合；水下三維聲吶具有多種安裝應(yīng)用方式，可選擇水下坐底、垂直固定安裝、ROV搭載等多種應(yīng)用方式，極大的拓展了其在水下結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用。

(6)水下機器人檢測技術(shù)是深海探測的重要技術(shù)方法，近年來開始逐步拓展應(yīng)用于各類涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測，配載水下高清攝像、圖像聲吶、水下三維聲吶等多種水下檢測儀器設(shè)備，可實現(xiàn)多工況、不同水質(zhì)條件下的水下結(jié)構(gòu)檢測需求，實現(xiàn)對水下結(jié)構(gòu)的近距離精細(xì)化測量。

(7)常規(guī)海洋測量用多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、水下機器人儀器設(shè)備尺寸較大，很多陸地水體涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢作業(yè)現(xiàn)場難以滿足其對搭載船只的使用要求，現(xiàn)階段已經(jīng)開始出現(xiàn)儀器設(shè)備小型化、智能無人船一體化的趨勢。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，相關(guān)海洋測量技術(shù)和儀器設(shè)備將更加適用于各類涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測的應(yīng)用。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段應(yīng)用在水利水電工程、橋梁提防工程、港口碼頭工程等涉水工程領(lǐng)域的水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)仍相對單一、陳舊，存在測量結(jié)果不準(zhǔn)確、測量精度不高等缺點，本文介紹了已在海洋測量領(lǐng)域有著成熟應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)方法，并分析了其在涉水工程水下結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用前景和價值。