□ 張 序
為響應(yīng)“十四五”長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展“1+N”規(guī)劃政策體系,加快長(zhǎng)江黃金水道建設(shè)步伐,港口與航道工程建設(shè)項(xiàng)目勢(shì)必會(huì)日益增多。水深測(cè)量是反映水下地形地貌的重要手段,是工程建設(shè)的重要依據(jù),而水深測(cè)量中測(cè)深儀現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)結(jié)果,是評(píng)估水深數(shù)據(jù)可靠性高低的決定性因素之一。目前,長(zhǎng)江航道水深測(cè)量作業(yè)中常用的比測(cè)方式有兩種:一種是以桿測(cè)為代表的比測(cè)工具,稱為硬式比測(cè);另一種是以坨繩加比測(cè)板組合為代表的比測(cè)工具,稱為軟式比測(cè)。硬式比測(cè),面對(duì)復(fù)雜的水下環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)共點(diǎn),導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大;軟式比測(cè),容易受水流流速影響,難以獲得高精度數(shù)據(jù)。對(duì)此,筆者針對(duì)單波束測(cè)深儀的新型比測(cè)工具,革新常用比測(cè)方式,進(jìn)一步減少測(cè)深數(shù)據(jù)比測(cè)誤差,以提高水深比測(cè)工作效率和精度。
比測(cè)工具的選擇并不是固定的,往往根據(jù)外業(yè)作業(yè)環(huán)境和項(xiàng)目要求而定,因地制宜自行選擇比測(cè)方式。這既要保證比測(cè)工具要垂直于水面,又要保證換能器盡可能地與比測(cè)工具平行,實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)。外業(yè)常常使用硬式比測(cè)和軟式比測(cè)兩種工具。硬式比測(cè),采用桿測(cè)與水深測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比;軟式比測(cè),采用坨繩和比測(cè)板,組裝時(shí)盡可能使坨繩與比測(cè)板垂直,進(jìn)行測(cè)深時(shí)坨繩和比測(cè)板垂直放入水中。
(1)當(dāng)采用硬式比測(cè)也就是使用比測(cè)桿進(jìn)行比測(cè)時(shí),如果遇到河床為淤泥(如圖1 所示),那么,比測(cè)桿所測(cè)得的水深=實(shí)際水深+淤泥厚度(即h1=h0+h泥),而換能器所測(cè)得的水深=實(shí)際水深(即h2=h0)。兩組所得測(cè)量數(shù)據(jù)由于不在同一水平面上,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不共點(diǎn),從而出現(xiàn)比測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大的問(wèn)題。
圖1 河床有淤泥時(shí)測(cè)量
如果遇到所測(cè)量地段水下有水生植物(以水草為例,如圖2 所示),比測(cè)桿所測(cè)得的水深=實(shí)際水深(即h1=h0),而換能器所測(cè)得的水深=實(shí)際水深-水草高度(即h2=h0- h草)??梢?jiàn),在水下環(huán)境復(fù)雜的情況下,使用比測(cè)桿對(duì)獲取準(zhǔn)確的比測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的干擾,所以,在比測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大的情況下,無(wú)法證明所測(cè)水深數(shù)據(jù)為高精度數(shù)據(jù)。
圖2 河床有水草時(shí)測(cè)量
(2)當(dāng)采用軟式比測(cè)即坨繩加比測(cè)板進(jìn)行比測(cè)時(shí),如果遇到比測(cè)水域流速較大(如圖3 所示),坨繩會(huì)與換能器存在一個(gè)偏角,導(dǎo)致比測(cè)板未平行于換能器和比測(cè)數(shù)據(jù)不共點(diǎn),這會(huì)導(dǎo)致坨繩所測(cè)得的水深不等于換能器所測(cè)的水深。
圖3 水域流速較大時(shí)測(cè)量
新型比測(cè)工具設(shè)計(jì)將硬式比測(cè)工具與軟式比測(cè)工具相結(jié)合,由比測(cè)桿、合金卡箍、聲波反射板等3 個(gè)基本部分組成,可根據(jù)外業(yè)實(shí)際情況組合優(yōu)化,以適應(yīng)不同水域。
(1)比測(cè)桿。比測(cè)桿由高強(qiáng)度3 K 碳素管制成。該碳素管具有高強(qiáng)度、高韌性、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、不易變形耐腐蝕、耐高溫、絕緣電阻高、阻燃性好等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),使比測(cè)桿在水流流速較大的地方不變形或變形很小,保證換能器聲波信號(hào)有效返回。桿體分為1 米和1.5 米兩種,桿體刻度采用激光標(biāo)刻,并涂抹白色油漆于刻度之上,便于觀讀,可根據(jù)水域需要連接成合適的長(zhǎng)度。
(2)合金卡箍。合金卡箍分為固定單口卡箍和“8字型”雙口卡箍,不容易生銹。固定單口合金卡箍用來(lái)連接比測(cè)桿桿體;“8字型”雙口卡箍由兩個(gè)單口卡箍焊接而成,其中一個(gè)口固定在比測(cè)桿桿體上,另一個(gè)口固定在換能器上,這樣有利于換能器與比測(cè)桿始終保持平行。
(3)聲波反射板。由環(huán)氧樹(shù)脂板材料制作而成,將環(huán)氧樹(shù)脂板做鏤空處理,減小入水和在水域中的水流阻力,在作業(yè)時(shí)聲波反射板板面與比測(cè)桿和換能器垂直。聲波反射板有圓形、三角形、菱形等3 個(gè)形狀,具體根據(jù)水域需求選擇組合。
針對(duì)單波束測(cè)深儀的新型比測(cè)工具采用組裝式設(shè)計(jì),可根據(jù)水域情況選擇組件,便于攜帶(設(shè)計(jì)示意圖如圖4 所示)。
圖4 新型比測(cè)工具示意圖
針對(duì)單波束的新型測(cè)深儀比測(cè)工具對(duì)比傳統(tǒng)的硬式比測(cè)和軟式比測(cè),具有以下優(yōu)點(diǎn)。
(1)通過(guò)合金卡扣的設(shè)計(jì)將比測(cè)桿與測(cè)深儀換能器平行固定,解決了水流流速過(guò)大的情況下比測(cè)桿無(wú)法高度平行于換能器的問(wèn)題。
(2)通過(guò)添加底部聲波反射板解決了水下地形復(fù)雜、存在淤泥或水草致使比測(cè)數(shù)據(jù)不在同一水平面上,導(dǎo)致比測(cè)數(shù)據(jù)不共點(diǎn)產(chǎn)生的較大誤差。
(3)比測(cè)桿使用激光標(biāo)刻刻度后,省去人工二次測(cè)量的步驟,節(jié)省了人力,也減小了人為操作誤差。
根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)想完成了新型比測(cè)工具的實(shí)物研制(如圖5 所示),并讓新型比測(cè)工具在不同水域進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。
圖5 新型比測(cè)工具
測(cè)試時(shí)間為2020 年11 月5 日—9 日,共5 天,比測(cè)方式為開(kāi)工前比測(cè)2次,收工前比測(cè)2次。在測(cè)試過(guò)程中,應(yīng)選取流速相對(duì)平緩和流速較大的區(qū)域分別進(jìn)行。
通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,5天的水深比測(cè)差值均未大于5 厘米,水深比測(cè)共20組數(shù)據(jù),比測(cè)水深差值大于0.03 米的占0.00%;比測(cè)水深差值小于等于0.03 米大于0.02米的占5.00%;比測(cè)水深差值小于等于0.02 米大于0.01米的占35.00%;比測(cè)水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占60.00%,精度較高,實(shí)現(xiàn)了水深測(cè)量比測(cè)誤差的減小,省去了人工二次測(cè)量的繁瑣步驟。
測(cè)試時(shí)間為11 月22 日—26 日,共5 天,比測(cè)方式為開(kāi)工前比測(cè)2 次,收工前比測(cè)2 次,仍然選擇流速相對(duì)平緩和流速較大的區(qū)域分別進(jìn)行。
第二次測(cè)試數(shù)據(jù)分析,5 天的水深比測(cè)差值均未大于5 厘米,水深比測(cè)共20 組數(shù)據(jù),比測(cè)水深差值大于0.03 米的占0.00%;比測(cè)水深差值小于等于0.03 米大于0.02 米的占5.00%;比測(cè)水深差值小于等于0.02米大于0.01 米的占50.00%;比測(cè)水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占45.00%,精度較高。
從2次新型比測(cè)工具現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況看,2次測(cè)量結(jié)果精度都符合《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS 131-2012)。新型比測(cè)工具不僅可以很好地適用于不同水域環(huán)境的測(cè)區(qū),適應(yīng)性好,抗干擾性強(qiáng),而且能有效減小水深比測(cè)工作中的誤差,操作簡(jiǎn)便。
針對(duì)單波束測(cè)深儀的新型比測(cè)工具是基于長(zhǎng)江航道水深測(cè)量外業(yè)工作實(shí)際問(wèn)題所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,在設(shè)計(jì)優(yōu)化、效果應(yīng)用等方面還有一定的挖掘空間,可以增加其它配件,降低比測(cè)工具入水難度,增加固定性。同時(shí),有待在不同季節(jié)環(huán)境、不同內(nèi)河航道的測(cè)試驗(yàn)證,以進(jìn)一步確定新型比測(cè)工具的適應(yīng)性和應(yīng)用效果,以此來(lái)幫助新型比測(cè)工具的迭代和完善,促進(jìn)新型比測(cè)工具在水深測(cè)量中的推廣應(yīng)用。