羅 青，王茂枚，趙 鋼，陳 楠，蔡 軍

(江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

拋石護(hù)岸工程是崩塌岸坡加固治理施工的重要措施，對(duì)長(zhǎng)江河勢(shì)穩(wěn)定及堤防安全具有積極的作用，同時(shí)因其施工靈活、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能較好地適應(yīng)河床變形等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1-2]。拋石護(hù)岸工程作為水下隱蔽工程，其水下質(zhì)量檢測(cè)的方法是利用測(cè)深儀對(duì)施工前、后的水下地形進(jìn)行測(cè)量，分析施工后地形變化即拋石增厚值來(lái)評(píng)價(jià)施工質(zhì)量。水下工程質(zhì)量檢測(cè)是保障工程發(fā)揮經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的重要環(huán)節(jié)，檢測(cè)結(jié)果的正確性關(guān)系到工程能否正常運(yùn)行。目前，測(cè)深儀以傳統(tǒng)的單波束測(cè)深儀與新興的多波束測(cè)深系統(tǒng)為主。與單波束測(cè)深儀相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有掃幅寬、全覆蓋、高效率、高精度和高分辨率等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。大量對(duì)兩者測(cè)量精度以及在不同應(yīng)用中的對(duì)比研究表明多波束測(cè)深系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[4-5]。但多波束測(cè)深系統(tǒng)設(shè)備笨重、安裝復(fù)雜、操作繁瑣，需要投入更多的人力、物力、財(cái)力[6]，而單波束測(cè)深儀輕便，易于安裝，操作與后處理簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和改進(jìn)[7-8]，無(wú)論是觀測(cè)精度還是工作穩(wěn)定性，都已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，因此單波束測(cè)深儀仍然被廣泛使用。

當(dāng)前，水下工程質(zhì)量檢測(cè)采用“斷面法”進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)若干條斷面施工前、后兩期數(shù)據(jù)的疊置分析結(jié)果判斷施工質(zhì)量。相比一般的水下地形測(cè)量，其應(yīng)用要求比較特殊：1)要求檢測(cè)斷面測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；2)要求檢測(cè)斷面地形相對(duì)變化即檢測(cè)結(jié)果的正確性。針對(duì)這種特殊的應(yīng)用，單波束測(cè)深儀與多波束測(cè)深系統(tǒng)的兩期測(cè)量結(jié)果有怎樣的差異，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響還鮮有研究。本文對(duì)這2種測(cè)量手段施工前、后的測(cè)量數(shù)據(jù)以及差值的檢測(cè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量分析，以期為拋石護(hù)岸工程水下質(zhì)量檢測(cè)中測(cè)量手段的科學(xué)使用提供參考依據(jù)。

1 測(cè)量手段的檢測(cè)特點(diǎn)

1.1 單波束測(cè)深儀檢測(cè)特點(diǎn)

單波束測(cè)深儀(簡(jiǎn)稱(chēng)單波束)測(cè)深特點(diǎn)是單點(diǎn)連續(xù)測(cè)量形成斷面地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)沿測(cè)線(xiàn)密集分布，而測(cè)線(xiàn)間沒(méi)有數(shù)據(jù)。進(jìn)行工程質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，須根據(jù)預(yù)設(shè)的檢測(cè)斷面進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)導(dǎo)航軟件的偏航顯示情況，對(duì)測(cè)船航向進(jìn)行修正，確保測(cè)船始終沿著檢測(cè)斷面方向航行，對(duì)測(cè)船航向要求較高。

1.2 多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)特點(diǎn)

多波束測(cè)深系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)多波束)是一種由多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由換能器、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、高精度的運(yùn)動(dòng)傳感器、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、聲速剖面儀及數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成[9]。它采取多組陣和廣角度發(fā)射與接收，可以同時(shí)獲取上百條水下條帶水深數(shù)據(jù)，形成條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，是一種全新的海底地形精密探測(cè)技術(shù)。與單波束測(cè)深儀相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)把測(cè)深技術(shù)從點(diǎn)、線(xiàn)擴(kuò)展到面[10]，測(cè)量時(shí)，多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以全覆蓋工程區(qū)。

2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)方案

大勝關(guān)段位于南京市雨花臺(tái)區(qū)和建鄴區(qū)長(zhǎng)江右岸梅山新碼頭—秦淮新河下游，在長(zhǎng)江江蘇段具有一定的代表性。選取長(zhǎng)440 m、寬100 m、設(shè)計(jì)拋厚1.5 m的部分工程區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，采用ATLAS DESO 35單波束測(cè)深儀(測(cè)深范圍0.2～200 m，頻率210 kHz)，精度1 cm±0.1%深度和R2SONIC 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)(用于2～500 m深度的水域，量程分辨率1.25 cm)，按照規(guī)范[11]布設(shè)了10條檢測(cè)斷面，共生成210個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

在施工前和施工后，分別使用單波束與多波束對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行水下地形測(cè)量，單波束根據(jù)預(yù)設(shè)檢測(cè)斷面進(jìn)行測(cè)量，多波束進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)。獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)均通過(guò)自檢，主測(cè)深線(xiàn)與檢查線(xiàn)的深度互差均滿(mǎn)足規(guī)范[12]要求。

2.2 施工前測(cè)量數(shù)據(jù)分析

對(duì)施工前單波束與多波束的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置，篩選同名點(diǎn)(2種測(cè)量數(shù)據(jù)X、Y互差不超過(guò)5 cm)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)477個(gè)，水深在25～45 m范圍內(nèi)，對(duì)兩者的測(cè)量差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。施工前測(cè)量差值絕大部分位于-0.2～0.2 m之間，占比92.8%(表1)。由此可見(jiàn)，拋石護(hù)岸施工前，單波束與多波束測(cè)量結(jié)果基本吻合。

表1 拋前深度差值對(duì)比分析

2.3 施工后測(cè)量數(shù)據(jù)分析

對(duì)施工后單波束與多波束的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置，篩選同名點(diǎn)(2種測(cè)量數(shù)據(jù)X、Y互差不超過(guò)5 cm)測(cè)量數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)409個(gè)，水深在25～45 m范圍內(nèi)，對(duì)兩者的測(cè)量差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。施工后，差值絕對(duì)值≤0.2 m，占比50.9%；差值絕對(duì)值≤0.5 m，占比91.1%(表2)。由此可見(jiàn)，拋石護(hù)岸施工后，單波束與多波束的測(cè)量差異增加。

表2 拋后深度差值對(duì)比分析

2.4 檢測(cè)斷面統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)施工前、后的測(cè)量數(shù)據(jù)分別生成單波束與多波束的檢測(cè)斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算出其檢測(cè)點(diǎn)增厚值，最后對(duì)單波束和多波束的檢測(cè)點(diǎn)增厚值進(jìn)行差異分析。由表3可見(jiàn)，單波束與多波束檢測(cè)點(diǎn)增厚差值差異顯著，遠(yuǎn)大于施工前與施工后兩者的測(cè)量差異。

表3 檢測(cè)點(diǎn)增厚值差值占比

任選一條檢測(cè)斷面，作單波束與多波束施工前、后檢測(cè)斷面對(duì)比。由圖1a)可見(jiàn)，施工前，單波束與多波束生成的檢測(cè)斷面線(xiàn)基本吻合；由圖1b)可見(jiàn)，施工后，兩者的檢測(cè)斷面差異增加，尤其是陡峭和變化較大的區(qū)域。單波束由于測(cè)量數(shù)據(jù)稀疏，生成的檢測(cè)斷面較平滑；而多波束數(shù)據(jù)密集，檢測(cè)斷面更接近真實(shí)地形，并且施工會(huì)增加單波束生成的檢測(cè)斷面誤差。

圖1 檢測(cè)斷面

2.5 原因分析

1)水下地形復(fù)雜度與波束角及波束偏移。拋石施工工藝隨機(jī)性大，拋石后，水下地形粗糙不平，短期內(nèi)人為破壞了水下地形的空間相關(guān)性[13]。圖2為工程區(qū)多波束數(shù)據(jù)生成的任意一條施工前、后水下地形斷面對(duì)比。由圖2可見(jiàn)，施工后，水下地形的復(fù)雜度增加，放大了單波速測(cè)深儀的測(cè)量誤差。一方面，單波束波束角普遍比多波束波束角大，波束角越大，腳印越大，水下地形分辨率就越低，測(cè)量誤差越大；另一方面，單波束測(cè)深沒(méi)有進(jìn)行測(cè)船姿態(tài)矯正，測(cè)船的橫搖和縱搖使聲波傾斜入水，產(chǎn)生了水深數(shù)值上的偏差和測(cè)點(diǎn)位置的偏移[14]。表4列出波束傾斜不同角度在不同水深下測(cè)點(diǎn)位置的偏移距離。

圖2 施工前、后斷面對(duì)比

表4 不同波束傾角下的偏移距離

2)單波速航跡線(xiàn)偏移。目前，水下工程質(zhì)量檢測(cè)方法是“斷面法”，測(cè)深儀獲取的測(cè)量初始數(shù)據(jù)根據(jù)檢測(cè)斷面線(xiàn)差值生成檢測(cè)數(shù)據(jù)。單波束測(cè)量時(shí)，測(cè)量船沿著檢測(cè)斷面線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但測(cè)量船航跡線(xiàn)與斷面線(xiàn)難以完全重合，而是呈沿著斷面線(xiàn)左右擺動(dòng)的曲線(xiàn)(圖3)。航跡線(xiàn)的偏移導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)位置的偏移，從而增加了差值生成的斷面誤差。更重要的是，施工前、后單波束的2次測(cè)量軌跡也不能完全重合，導(dǎo)致兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析時(shí)數(shù)據(jù)之間位置偏移更大，使檢測(cè)點(diǎn)增厚值與斷面增厚值存在較大的誤差。在工程水下質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，多波束測(cè)量的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)兩期數(shù)據(jù)位置與檢測(cè)斷面的統(tǒng)一，但單波束航跡線(xiàn)的偏移對(duì)工程水下質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的影響往往被忽略。

圖3 單波束航跡線(xiàn)與檢測(cè)斷面線(xiàn)關(guān)系

為了說(shuō)明施工前、后測(cè)點(diǎn)位置的偏移可能導(dǎo)致的誤差，作如下統(tǒng)計(jì)分析：統(tǒng)計(jì)不同偏移距離下，施工前、后的測(cè)量數(shù)據(jù)在偏移距離范圍內(nèi)與檢測(cè)數(shù)據(jù)的差異，圖4為任意選取的3組偏移距離的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。由圖4a)～c)可見(jiàn)，施工前，隨著偏移距離的增加，數(shù)據(jù)差異無(wú)明顯增加，偏移1 m對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)大影響，差異基本保持在-20～20 cm。由圖4d)～f)可見(jiàn)，施工后，3組深度差值發(fā)生明顯變化，與施工前相比，相同的偏移半徑，數(shù)據(jù)差異增加，同時(shí)，隨著偏移半徑的增加，差異增大，偏移50 cm對(duì)檢測(cè)結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生了較大影響?？梢?jiàn)，施工后，測(cè)點(diǎn)位置的偏移對(duì)檢測(cè)結(jié)果的生成有很大影響，這正是單波束與多波束檢測(cè)結(jié)果差異明顯的最主要原因。

圖4 施工前、后不同偏移半徑時(shí)深度差值頻數(shù)分布

3 結(jié)語(yǔ)

1)拋石施工前，水下地形具有空間相關(guān)性，地形復(fù)雜度較低，單波束與多波束的測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合，兩種測(cè)量手段的精度滿(mǎn)足施工前水下地形的測(cè)量要求。

2)拋石施工后，人為短期內(nèi)破壞了水下地形的空間相關(guān)性，導(dǎo)致水下地形復(fù)雜度急劇增加。而水下地形復(fù)雜度的增加擴(kuò)大了波束角及波束傾斜而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，增加了單波束與多波束的測(cè)量數(shù)據(jù)差異。

3)單波束航跡線(xiàn)的偏移以及施工前、后兩期數(shù)據(jù)測(cè)量軌跡的不重合導(dǎo)致差值生成的檢測(cè)結(jié)果存在較大誤差，而這種航跡線(xiàn)的偏移對(duì)工程水下質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的影響往往被忽略。

4)基于以上原因，本文建議在利用單波束測(cè)量復(fù)雜地形，尤其是深水區(qū)時(shí)，應(yīng)考慮單波束測(cè)深儀波束角的影響，盡量選用波束角小，測(cè)量精度更高的單波束測(cè)深儀，并將姿態(tài)傳感器應(yīng)用于單波束測(cè)深儀，改正水深數(shù)值上的偏差和測(cè)點(diǎn)位置的偏移，同時(shí)加強(qiáng)單波束航跡線(xiàn)控制，使其盡量貼合檢測(cè)斷面線(xiàn)。此外，還可以通過(guò)多次測(cè)量增加每條斷面的數(shù)據(jù)密度，減少因航線(xiàn)偏移而造成的斷面誤差。但施工前、后每期數(shù)據(jù)分別應(yīng)該增加幾次測(cè)量，才能有效地降低斷面誤差，提升檢測(cè)精度，這將作為今后研究的重點(diǎn)。