冯 露，黄从斌，李 艳

(1.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 合肥 230000；2.安徽省建筑工程质量监督检测站有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

每隔一段时间对水工建筑物进行安全评价是了解水库大坝、水电站等安全运行状态的一种途径，近年来，在强化落实“水利工程补短板，水利行业强监管”的行业总基调下，如何切实有效做好水工建筑物的安全评价，也成为各类专家学者关注的议题。早期针对水下坝面完整性的检测方法较为单一，主要依靠人工探摸的视觉观测、摄影、探摸，目的是检查构件有无明显缺失、裂痕、磨损等，近年来随着成像技术的发展，多波束测量技术正在为现阶段的水下检测方法提供了更多可能。应用多波束声呐可以同时获得水下测深地形与分辨率较低的水下图像的特性，本文以多波束测量技术的某水电站坝面完整性检测为例，介绍了多波束测量技术在水电站的应用，展现了多波束测量范围广、速度快、精度高等优点。

1 工程概况简介

某水电站位于长江支流中下游，水电站初始总库容3.1亿 m3，装机容量77万 kW。坝体为混凝土重力坝，坝顶高程为530.5 m。是一座以发电为主兼顾综合利用的大型水利枢纽工程。

为了解该水电站上游坝面(水下部分)混凝土结构表观完整情况，需对上游坝面(水下部分)混凝土结构表观情况进行水下检测工作。坝前泄洪引水设施水下检测范围：上游坝面检查；坝前溢洪道检查；冲砂底孔事故检修门上游流道检查；地下厂房机组进水口检查；地面厂房进水口检查。

2 多波束扫测技术的应用

2.1 多波束扫测设备介绍

本次采用的多波束扫测系统是TeledyneRESON公司的R2Sonic2024型多波束探测系统，R2Sonic 2024 是一款可高度集成的多波束测量系统，安装方便、操作易用，主系统主要包括：

(1)RSP机柜式甲板单元，功能强大的声呐处理单元，以太网通讯，110-230VAC供电；

(2)水下换能器探头，包括1个TC2181 发射换能器和1个EM7218接收换能器；

(3)25m甲板连接电缆；

(4)R2sonir声呐控制软件；

为了避免在水电站靠近建筑物区域卫星信号失锁，本项目为多波束定位配备了惯性导航系统，可以在卫星信号被遮挡情况下，依然保证定位精度。

本项目采用的多波束测深系统是 TeledyneRESON 公司的 R2Sonic2024 型多波束探测系统，R2Sonic 2024 是一款可高度集成的多波束测量系统，安装方便、操作易用，主系统主要包括：

(1)RSP机柜式甲板单元，功能强大的声呐处理单元，以太网通讯，110～230 VAC供电；

(2)水下换能器探头，包括1个TC2181 发射换能器和1个EM7218接收换能器；

(3)25 m甲板连接电缆；

(4)R2sonir 声呐控制软件。

2.2 多波束检测技术

2.2.1 多波束探测系统各项传感器的安装

以定制冲锋舟为多波束探测系统的载体，安装多波束系统水下发射及接受换能器，表面声速探头、固定罗经、三维运动传感器及 RTK 流动站，各项安装须确保设备与船体摇晃一致定位坐标系的测量与转换。本次多波束探测系统作业采用了网络 RTK 技术提供定位参数，实测坐标系为 WGS-84 坐标系，高斯 3°带投影，测区中央子午线为 102°。

工作现场使用网络 RTK 对库区各基点进行了测量，作为本次水下检查项目的坐标框架， 最后，完成 WGS-84 与某水电站库区坐标系之间的转换七参数，计算成果表见表1。

表1 WGS-84坐标系转换为某水电站库区坐标系后坐标差值对比表

通过计算得到坐标系转换成果后，为了进一步验证转换成果的可靠度，现场工作中，使用网络 RTK 站，选取某水电站的库区较为可靠的控制点进行了校验，转换后成果与实测基点对比统计，控制点转化后实测坐标与控制点基准坐标相差均小于±0.054 m ，可见转换成果的定位精度符合《水电水利工程施工测量规范》(DL/T 5173-2012) 的相关要求。

2.2.2 船体各传感器相对位置的测量

船体坐标系统定义船右舷方向为 X轴正方向，船头方向为 Y轴正方向，垂直向上为 Z轴正方向。分别量取RTK天线、定位罗经天线、接收换能器相对于参考点(三维运动传感器中心点)的位置关系，往返各量一次，取其中值。

2.2.3 多波束系统水下探测作业

多波束探测系统主要针对某水电站消力池、近坝库区，在探测过程中，相邻测线覆盖范围重合至少 20%，为进一步提高水下探测成果的可靠度，在作业过程中，须根据现场条件适时进行声速剖面的测量，且两相邻声速剖面采集时间间隔不应超过6 h。

2.2.4 数据处理

多波束内业数据处理采用 PDS2000 数据采集软件以及 CARIS HIPS and SIPS 实测数据后处理软件共同进行，实测数据的处理主要包括：实测数据的姿态校正处理、实测数据噪音干扰预处理、各条测线实测数据合并。完成数据合并后，对得到的水深及位置进行精细处理，其主要内容是对两条相邻测线重叠覆盖范围的噪音干扰逐一进行筛选，删除，以保留高精度的水深数据，见图1(图中灰色阴影即为删除的噪音干扰)，最后，绘制等深线图以及典型测线地貌图。

图1 多波束实测数据典型剖面噪声干扰剔除示意图

3 坝面完整性检测成果分析

综合某水电站设计资料分析，可得以下结论：某水电站上游坝面(水下部分)混凝土结构表观完整情况整体良好，另发现4处局部异常区域，由右岸至左岸依次编号为①至④，详述如下：

1)①号异常：位于 10#坝段冲砂底孔入水口右岸侧，多波束探测成果表现为三维点云面局部不平整，疑似坝面混凝土局部磨损，面积约为 13.8 m(长)×6.0 m (高)。

2)②号异常：位于7#～9#坝段溢流坝段坝根)，多波束探测成果表现为三维点云面局部不平整，疑似坝面混凝土局部磨损，面积约为16.5 m(长)×10.0 m (高)。

3)③号异常：位于5#～6#坝段坝根，多波束探测成果表现为三维点云面局部不平整，疑似坝面混凝土局部磨损，面积约为9.7 m(长)×8.0 m (高)。

4)④号异常：位于地上厂房 5#进水口前端右岸侧坝根(图 2和图3)，多波束探测成果表现为三维点云面局部不平整，疑似坝面混凝土局部开裂塌陷，面积约为 24.0 m(长)×8.5 m(高)，向下塌陷最大高差为 3 m。

图2 缺陷④三维点云示意图 缺陷④俯视图

图3 15#冲砂底孔喇叭口三维声呐图

15#冲砂底孔喇叭口探测结果(图4和图5)：运用水下机器人搭载二维图像声呐和摄像头对 15#冲砂底孔喇叭口进行探测，探测成果表现为喇叭口内部混泥土结构基本完好，未发现较大范围的裂缝、剥蚀等缺陷。

图4 15#冲砂底孔探测效果图

4 结语

本文以多波束测量技术为例，详细阐述了设备的安装调试、数据获取、数据处理等流程，综合处理后得出该水电站上游坝面(水下部分)混凝土结构表观完整情况整体良好的结论。通过多波束测量技术的应用实例展示，充分展现了该技术在水利工程质量检测中的应用价值，为水利工程质量检测方法提供了更多的可能。