馮 露，黃從斌，李 艷

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))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(cè)站有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

每隔一段時(shí)間對(duì)水工建筑物進(jìn)行安全評(píng)價(jià)是了解水庫(kù)大壩、水電站等安全運(yùn)行狀態(tài)的一種途徑，近年來，在強(qiáng)化落實(shí)“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的行業(yè)總基調(diào)下，如何切實(shí)有效做好水工建筑物的安全評(píng)價(jià)，也成為各類專家學(xué)者關(guān)注的議題。早期針對(duì)水下壩面完整性的檢測(cè)方法較為單一，主要依靠人工探摸的視覺觀測(cè)、攝影、探摸，目的是檢查構(gòu)件有無明顯缺失、裂痕、磨損等，近年來隨著成像技術(shù)的發(fā)展，多波束測(cè)量技術(shù)正在為現(xiàn)階段的水下檢測(cè)方法提供了更多可能。應(yīng)用多波束聲吶可以同時(shí)獲得水下測(cè)深地形與分辨率較低的水下圖像的特性，本文以多波束測(cè)量技術(shù)的某水電站壩面完整性檢測(cè)為例，介紹了多波束測(cè)量技術(shù)在水電站的應(yīng)用，展現(xiàn)了多波束測(cè)量范圍廣、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況簡(jiǎn)介

某水電站位于長(zhǎng)江支流中下游，水電站初始總庫(kù)容3.1億 m3，裝機(jī)容量77萬 kW。壩體為混凝土重力壩，壩頂高程為530.5 m。是一座以發(fā)電為主兼顧綜合利用的大型水利樞紐工程。

為了解該水電站上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀完整情況，需對(duì)上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀情況進(jìn)行水下檢測(cè)工作。壩前泄洪引水設(shè)施水下檢測(cè)范圍：上游壩面檢查；壩前溢洪道檢查；沖砂底孔事故檢修門上游流道檢查；地下廠房機(jī)組進(jìn)水口檢查；地面廠房進(jìn)水口檢查。

2 多波束掃測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 多波束掃測(cè)設(shè)備介紹

本次采用的多波束掃測(cè)系統(tǒng)是TeledyneRESON公司的R2Sonic2024型多波束探測(cè)系統(tǒng)，R2Sonic 2024 是一款可高度集成的多波束測(cè)量系統(tǒng)，安裝方便、操作易用，主系統(tǒng)主要包括：

(1)RSP機(jī)柜式甲板單元，功能強(qiáng)大的聲吶處理單元，以太網(wǎng)通訊，110-230VAC供電；

(2)水下?lián)Q能器探頭，包括1個(gè)TC2181 發(fā)射換能器和1個(gè)EM7218接收換能器；

(3)25m甲板連接電纜；

(4)R2sonir聲吶控制軟件；

為了避免在水電站靠近建筑物區(qū)域衛(wèi)星信號(hào)失鎖，本項(xiàng)目為多波束定位配備了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在衛(wèi)星信號(hào)被遮擋情況下，依然保證定位精度。

本項(xiàng)目采用的多波束測(cè)深系統(tǒng)是 TeledyneRESON 公司的 R2Sonic2024 型多波束探測(cè)系統(tǒng)，R2Sonic 2024 是一款可高度集成的多波束測(cè)量系統(tǒng)，安裝方便、操作易用，主系統(tǒng)主要包括：

(1)RSP機(jī)柜式甲板單元，功能強(qiáng)大的聲吶處理單元，以太網(wǎng)通訊，110～230 VAC供電；

(2)水下?lián)Q能器探頭，包括1個(gè)TC2181 發(fā)射換能器和1個(gè)EM7218接收換能器；

(3)25 m甲板連接電纜；

(4)R2sonir 聲吶控制軟件。

2.2 多波束檢測(cè)技術(shù)

2.2.1 多波束探測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)傳感器的安裝

以定制沖鋒舟為多波束探測(cè)系統(tǒng)的載體，安裝多波束系統(tǒng)水下發(fā)射及接受換能器，表面聲速探頭、固定羅經(jīng)、三維運(yùn)動(dòng)傳感器及 RTK 流動(dòng)站，各項(xiàng)安裝須確保設(shè)備與船體搖晃一致定位坐標(biāo)系的測(cè)量與轉(zhuǎn)換。本次多波束探測(cè)系統(tǒng)作業(yè)采用了網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)提供定位參數(shù)，實(shí)測(cè)坐標(biāo)系為 WGS-84 坐標(biāo)系，高斯 3°帶投影，測(cè)區(qū)中央子午線為 102°。

工作現(xiàn)場(chǎng)使用網(wǎng)絡(luò) RTK 對(duì)庫(kù)區(qū)各基點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，作為本次水下檢查項(xiàng)目的坐標(biāo)框架， 最后，完成 WGS-84 與某水電站庫(kù)區(qū)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，計(jì)算成果表見表1。

表1 WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為某水電站庫(kù)區(qū)坐標(biāo)系后坐標(biāo)差值對(duì)比表

通過計(jì)算得到坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成果后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證轉(zhuǎn)換成果的可靠度，現(xiàn)場(chǎng)工作中，使用網(wǎng)絡(luò) RTK 站，選取某水電站的庫(kù)區(qū)較為可靠的控制點(diǎn)進(jìn)行了校驗(yàn)，轉(zhuǎn)換后成果與實(shí)測(cè)基點(diǎn)對(duì)比統(tǒng)計(jì)，控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化后實(shí)測(cè)坐標(biāo)與控制點(diǎn)基準(zhǔn)坐標(biāo)相差均小于±0.054 m ，可見轉(zhuǎn)換成果的定位精度符合《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》(DL/T 5173-2012) 的相關(guān)要求。

2.2.2 船體各傳感器相對(duì)位置的測(cè)量

船體坐標(biāo)系統(tǒng)定義船右舷方向?yàn)?X軸正方向，船頭方向?yàn)?Y軸正方向，垂直向上為 Z軸正方向。分別量取RTK天線、定位羅經(jīng)天線、接收換能器相對(duì)于參考點(diǎn)(三維運(yùn)動(dòng)傳感器中心點(diǎn))的位置關(guān)系，往返各量一次，取其中值。

2.2.3 多波束系統(tǒng)水下探測(cè)作業(yè)

多波束探測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)某水電站消力池、近壩庫(kù)區(qū)，在探測(cè)過程中，相鄰測(cè)線覆蓋范圍重合至少 20%，為進(jìn)一步提高水下探測(cè)成果的可靠度，在作業(yè)過程中，須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件適時(shí)進(jìn)行聲速剖面的測(cè)量，且兩相鄰聲速剖面采集時(shí)間間隔不應(yīng)超過6 h。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用 PDS2000 數(shù)據(jù)采集軟件以及 CARIS HIPS and SIPS 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后處理軟件共同進(jìn)行，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理主要包括：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的姿態(tài)校正處理、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)噪音干擾預(yù)處理、各條測(cè)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)合并。完成數(shù)據(jù)合并后，對(duì)得到的水深及位置進(jìn)行精細(xì)處理，其主要內(nèi)容是對(duì)兩條相鄰測(cè)線重疊覆蓋范圍的噪音干擾逐一進(jìn)行篩選，刪除，以保留高精度的水深數(shù)據(jù)，見圖1(圖中灰色陰影即為刪除的噪音干擾)，最后，繪制等深線圖以及典型測(cè)線地貌圖。

圖1 多波束實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)典型剖面噪聲干擾剔除示意圖

3 壩面完整性檢測(cè)成果分析

綜合某水電站設(shè)計(jì)資料分析，可得以下結(jié)論：某水電站上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀完整情況整體良好，另發(fā)現(xiàn)4處局部異常區(qū)域，由右岸至左岸依次編號(hào)為①至④，詳述如下：

1)①號(hào)異常：位于 10#壩段沖砂底孔入水口右岸側(cè)，多波束探測(cè)成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部磨損，面積約為 13.8 m(長(zhǎng))×6.0 m (高)。

2)②號(hào)異常：位于7#～9#壩段溢流壩段壩根)，多波束探測(cè)成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部磨損，面積約為16.5 m(長(zhǎng))×10.0 m (高)。

3)③號(hào)異常：位于5#～6#壩段壩根，多波束探測(cè)成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部磨損，面積約為9.7 m(長(zhǎng))×8.0 m (高)。

4)④號(hào)異常：位于地上廠房 5#進(jìn)水口前端右岸側(cè)壩根(圖 2和圖3)，多波束探測(cè)成果表現(xiàn)為三維點(diǎn)云面局部不平整，疑似壩面混凝土局部開裂塌陷，面積約為 24.0 m(長(zhǎng))×8.5 m(高)，向下塌陷最大高差為 3 m。

圖2 缺陷④三維點(diǎn)云示意圖 缺陷④俯視圖

圖3 15#沖砂底孔喇叭口三維聲吶圖

15#沖砂底孔喇叭口探測(cè)結(jié)果(圖4和圖5)：運(yùn)用水下機(jī)器人搭載二維圖像聲吶和攝像頭對(duì) 15#沖砂底孔喇叭口進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)成果表現(xiàn)為喇叭口內(nèi)部混泥土結(jié)構(gòu)基本完好，未發(fā)現(xiàn)較大范圍的裂縫、剝蝕等缺陷。

圖4 15#沖砂底孔探測(cè)效果圖

4 結(jié)語

本文以多波束測(cè)量技術(shù)為例，詳細(xì)闡述了設(shè)備的安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理等流程，綜合處理后得出該水電站上游壩面(水下部分)混凝土結(jié)構(gòu)表觀完整情況整體良好的結(jié)論。通過多波束測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例展示，充分展現(xiàn)了該技術(shù)在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值，為水利工程質(zhì)量檢測(cè)方法提供了更多的可能。