程智慧 康路遥 蔡林桓

摘 要：在航道整治工程中，受客观水文环境的影响，难以掌握水下抛石技术状况，而传统的抛石检测方法存在很多制约因素，无法直观的获取水下工程技术状况，多波束测深系统是利用声波信号测量水底地形的测量设备，可直接获取水下地形情况 ，将其应用于航道整治工程中抛石检测，多波束数据能够很好地呈现抛石的铺设厚度、走向分布等信息，获取更加直观、准确的检测数据。

关键词：抛石检测;多波束系统;航道整治

中图分类号：U61             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）10-0075-03

在长江经济带国家战略背景下，航道作为水上运输的基础性、先导性设施，是流域经济发展的重要依托。“十三五””期间，航道工程建设规模、投资力度将达到历史新高度，建设速度将明显加快，对工程质量、安全和效率的要求也会越高。长江航道整治工程大量运用了抛石，在施工过程中，抛石往往是质量控制的重点，同时也是难点，受客观水文环境的影响，抛石往往会随着工程的运行使用，出现流失、陷落等情况，由于长期淹没水中，一般难以掌握其技术状况。

多波束系统作为在海洋中应用比较成熟的地球物理设备，已经广泛应用于多个领域，如水文测量、航道测量、港口测量、疏浚测量、海洋工程测量、海岸带测量、管线路经测量、防波堤测量、水下检测和目标物定位、海洋调查和回收[1]等。多波束声呐垂直发射大开角扇形波束，一次获得几百个水下测深点，可真正实现水下地形的面状测量，对快速呈现水下床表大比例尺精细地形具有较好的适用性，近年来多波束也越来越广泛地运用于航道测量中。

1 传统的抛石检测方法

航道整治抛石完成后，施工方组织人员用单波束测深仪进行测量，导出测量数据，将测量数据在南方CASS类的成图软件上展点成图，再用成图软件将数据根据之前的规划好的横断面线绘制断面图。

首先在抛石施工前进行测量，绘制原始地面线断面图，抛石施工后再绘制断面线图，然后将两次的断面线进行对比5米一个点量取两者之间的高差，以判断块石是否抛投到位。

传统的抛石检测方法存在很多制约因素：第一、测图成果不够直观，对于1：500的测图，测深仪的采点间距一般设置为5米，测线间距为5米。测深仪的测点间距过大，波束角较大，对水底地形的反应比较粗糙，对一些微地形测量时容易产生较大的深度误差。成图之后全部为数字和绘制的断面间接的分析对比，不够直观;第二、无法判断水下具体是石头还是淤沙，水下隐蔽工程的施工具有其特殊性，水下的水流及泥沙情况瞬息万变，工区极易受到泥沙淤积或冲刷。回声测深仪获取了工区的测量数据后，只能通过数值来进行定量分析水下地形的厚度到达与否，无法判断该区域是因为泥沙淤积产生的地形改变还是抛石到位。

2 多波束测深系统的基本原理

2.1 工作原理

多波束测深系统是利用声波信号测量水底地形的测量设备，主流多波束声呐换能器多采用十字米氏阵列或相互垂直的T型阵列，其中沿艏尾向部分负责声波的发射，通过单次束控技术在垂直航迹方向形成大开角扇形波束，而该波束在平行航迹方向上则很窄[2]，如图1所示。

阵列垂直艏尾向部分负责回波的接收，各阵元独立接收回波，甲板单元将各阵元回波信号序列通过多次时延束控，形成多个方向的接收波束，将波束域回波数据按极坐标形式成图，可形成水柱图像[3]，如图2所示。

采用振幅法和相位法对波束域水柱数据中央和两边数据进行底部检测，如图3所示，获得各波束方向上底回波的准确到达角和时间，根据达到角和时间结合声速、罗经、姿态、定位等信息，可以求得床底各测深点的坐标和深度[4]。

2.2 系统组成

多波束测深系统包括换能器、定位、罗经、船姿传感器、声速剖面仪、数据采集工作站、数据后处理工作站及显示等配套设备，如图4所示。

3 应用实例

3.1试验区域概况

某港口护岸抛石工程，区域内存在1m～2m的潮汐变化，抛石采用分层作业，碎石铺底，中层抛石粒径0.8m～1.3m，表层采用ANTFER块护岸，如图5所示。

3.2 设备及安装

在抛石施工第二阶段结束后，选用R2 Sonic2024型多波束聲呐系统，Sonic 2024是基于第5代声呐结构的多波束测深仪，代表了现代最新的多波束设备结构和设计，其扫测数据可以详细地表现出地形的起伏变化和水下建筑物的轮廓。按通用作业模式采集测深数据，测线沿抛石主轴方向布设，数据处理采用Caris Hips软件[5]。R2 Sonic2024型多波束声呐系统具体性能参数如表1所示。

数据及分析：在抛石区一共采集了7条多波束测线数据，数据处理后形成的抛石区地形如图6所示。从图像清晰的轮廓特征可以框定抛石区范围、分辨抛石粒径、铺设厚度、走向分布等信息。

通过专业数据处理软件可对抛石断面进行测量，如图7所示，从图中可以看出该区域抛石表面并不平整，高程分布在-10m～-6m之间，通过CASS等软件计算局部区域各处于设计标高的差异，按1m×1m的网格输出[6]，如图8所示，从中可以看出各网格内抛石标高与设计值的差异。抛石厚度检测时，沿抛石主轴线上每5m形成一个高程断面，并于设计断面进行比较，形成检测记录;范围检测时，将勾勒范围的测深地形图像与设计图进行比对，检查抛石边界是否达到实际要求。

通过上述工程实例，基于多波束测深还可以对检测抛石的密集程度、着床区域位置、面积等信息进行检测，项目研究针对这些检测内容，也搜集了相关数据，如图9所示。

通过工程实例，研究发现多波束检测航道整治抛石具有如下优势：①测深精度高、分辨率高、效率高;②可以清晰呈现水下抛体的形状、尺寸、位置等特征;③适用面广，可用表征水下散抛物的范围、厚度、坡度、平整度等多项属性。

4 结语

多波束测深系统具有同步测深点多、测量快捷、全覆盖等特点，能够对水下地形进行全覆盖测量，尤其适用于大比例尺的测绘和特殊要求的水道地形测量等。因此可运用于航道整治工程水下抛石、通过三维立体呈现，获得更加直观、准确的检测数据，用以判断块石大小、铺设厚度、走向分布等信息。

参考文献：

[1] 王紫阳.SeaBat8101型多波束测深系统在航道整治工程中的应用[J].北京测绘，2013（4）：86-89.

[2] 肖远亮.吕曰恒 HS-600F多波束测绘系统的应用与分析[J].气象水文海洋仪器，2010（2）：82-85.

[3] 孙卫平，张才俊.长江下游感潮河段超长护底软体排铺设关键技术[J]. 中国水运，2014（8）：1-7.

[4] 吕曰恒.多波束测深技术的应用试验[J].海洋信息技术，2011（2）：1-3.

[5] 黄伟.荆江河段水下沉排工程质量检测技术方案[J].中国水运，2018（6）：63-65.

[6] 朱伟.航道整治工程中散抛块石的计量.中国水运，2018（11）：16.