于 剛

（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，合肥 230009）

1 概述

在航道整治、護(hù)岸治理、圍海造地等工程中，護(hù)底軟體排的鋪設(shè)是施工中的重要工序， 同時也是工程的難點之一。在鋪設(shè)過程中，常常會出現(xiàn)排體位置偏移、搭接處不夠平順、搭接寬度不合格等現(xiàn)象，使得該處成為整個工程質(zhì)量相對較薄弱的環(huán)節(jié)， 因此如何檢測排體的鋪設(shè)質(zhì)量顯得尤為重要。

2 主要檢測手段

目前護(hù)底軟體排常用的檢測方法主要有人工潛水探摸法、浮標(biāo)倒垂法、掃描聲吶法、超短基線法。隨著施工要求的提高， 這些方法均不能完全滿足施工需要，主要存在以下缺點：

（1）人工潛水探摸法。 受天氣和潮流影像較大，作業(yè)時間受限制，潛水員下水作業(yè)的危險性大，潛水員主觀性強，檢測結(jié)果無法驗證。

（2）浮標(biāo)倒垂法。精度低、效率差、大批量的排體檢測較難實施。

（3）掃描聲吶法。 掃描精度和掃描范圍有關(guān)，范圍大變形大；水體渾濁影響聲吶影像；晃動導(dǎo)致圖像模糊影響分辨率，量測困難；安裝使用繁瑣。

（4）超短基線法。定位精度高，實時檢測效率高，但產(chǎn)品價格高昂，使用成本高。

3 側(cè)掃聲吶技術(shù)

側(cè)掃聲吶是一種非接觸、主動聲吶探測技術(shù)，已在海底障礙物探測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用， 隨著成像效果和定位精度的提高， 在水下工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。

側(cè)掃聲吶在工作時通過發(fā)射聲脈沖向外傳播，傳播方向為球面形狀，聲波碰到水中障礙物或者水底會產(chǎn)生散射，其中的反向散射波會按原傳播路線返回?fù)Q能器，根據(jù)不同部位的返回時間計算障礙物形狀。 一般情況下，硬的、粗糙的、凸起的泥面，回波強；軟的、平滑的、凹陷的泥面回波弱，被遮擋的海底不產(chǎn)生回波，距離越遠(yuǎn)回波越弱。根據(jù)回波的強弱和時間，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，就可以形成二維的水下地貌聲圖。 聲圖平面和水下地形成映射關(guān)系，聲圖的亮度包涵了泥面特征。如圖1，2點位于聲吶的正下方，回波是很強的正發(fā)射波；4，5，6回波較強，6的回波先到換能器，然后是第5點，第6點。 6，7點沒有回波，產(chǎn)生陰影區(qū)。

圖1 側(cè)掃聲吶工作原理示意圖

根據(jù)此原理，對排體鋪設(shè)區(qū)域進(jìn)行掃測，如圖2，當(dāng)排體位置出現(xiàn)偏移，堆積或缺失現(xiàn)象時，圖像對應(yīng)位置會產(chǎn)生陰影，搭接位置處會產(chǎn)生連續(xù)陰影，結(jié)合RTK定位，可以判斷出排體異常處位置，經(jīng)過后期軟件處理可以計算出排體搭接的寬度， 從而準(zhǔn)確反映出水下軟體排的鋪設(shè)情況，指導(dǎo)施工。

圖2 側(cè)掃聲吶排體檢測示意圖

4 誤差分析

側(cè)掃拖魚一般安裝在船體側(cè)面，RTK安裝在船體中心位置， 根據(jù)聲吶和RTK的相對位置可以推算出拖魚的實時位置，如圖3。

圖3 側(cè)掃聲吶工作示意圖

側(cè)掃聲吶位置改正如圖4，A點為RTK相位中心，B點為聲吶支撐點位置，F(xiàn)點為聲吶中心位置。AB點距離S1可在船上量取，BF點 距 離S2 是 固 定的已知值。 根據(jù)AB和BF之間的夾角β， 和測量時船體的坐標(biāo)方位角α，可以計算出拖魚F的實時坐標(biāo)：

圖4 側(cè)掃聲吶位置改正圖

XF=XA-S1cosα+S2cos（α+β）

YF=YA-S1sinα+S2sin（α+β）

但在實際工作過程中，由于現(xiàn)場風(fēng)浪、潮流、航向和航速的不確定性，α和β的數(shù)值也時刻在發(fā)生變化，對聲吶位置的計算精度產(chǎn)生了較大影響， 為了提高測量精度，確保排體檢測的精度，采用以下改進(jìn)方式。

（1）布設(shè)測線時，沿平行于排體方向布設(shè)，并采取往返方式，取兩次測量的平均值作為最終數(shù)據(jù)，以抵消潮流和風(fēng)向的影響； 在排體搭接處附近加密布設(shè)平行于排體的測線，沿測線測量時選取20m的小量程進(jìn)行測量，從而更加準(zhǔn)確地判定搭接寬度。

（2）儀器安裝時，在船體的側(cè)舷安裝一個垂直的可拆卸固定支架，RTK安裝在支架頂部，側(cè)掃聲吶安裝在支架底部。 這樣可以避免聲吶在測量過程中的擺動，從而提高測量精度和圖像清晰度，如圖5。

圖5 改進(jìn)后的側(cè)掃聲吶安裝

改進(jìn)前后的側(cè)掃圖像如圖6，圖7，對比可見，改進(jìn)前圖像模糊扭曲，改進(jìn)后清晰穩(wěn)定，更加符合實際成果。

圖6 改進(jìn)前的側(cè)掃圖像

圖7 改進(jìn)后的側(cè)掃圖像

5 工程實例

選取工程為長江南京以下12.5m深水航道二期工程福姜沙標(biāo)段，該工程為航道治理工程，共需要鋪設(shè)軟體排367萬m2，鋪排工作量大，質(zhì)量要求高。 選取2015年8月15—20日之間剛鋪設(shè)好的3張軟體排進(jìn)行檢測，排體編號分別為301-47，301-48，301-49。

5.1 現(xiàn)場檢測

5.1.1 測線布設(shè)平行于軟體排布設(shè)5條測線，主要用于檢測軟排體搭接寬度， 每條長度為180m， 測線間隔為40m；垂直于軟體排布設(shè)2條測線，主要用于檢測軟排體排頭與排尾鋪設(shè)情況， 每條測線長度100m， 測線具體布設(shè)如圖8。

圖8 測線布設(shè)示意圖

5.1.2 現(xiàn)場測量

側(cè)掃聲吶選用Klein 3900型，如圖9，RTK選用使用Trimble SPS 855型，測量過程中航速保持低于4節(jié)。

圖9 Klein 3900型側(cè)掃聲吶

5.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Klein 3900自帶的專業(yè)分析軟件對圖像進(jìn)行處理，工作參數(shù)如表1，將圖像進(jìn)行糾正，并提取排體特征點坐標(biāo)。

表1 Klein3900工作參數(shù)

從圖10可看出，301-48號排體中間部分有聯(lián)鎖塊缺失。排體的搭接情況側(cè)掃圖像如圖11，從圖中可分辨出，搭接部分特征明顯，有一條明顯的疊加帶，提取特征點的坐標(biāo)如表2。

表2 側(cè)掃成像軟體排搭接寬度統(tǒng)計 單位：m

圖10 301-48號排體掃測

圖11 軟體排側(cè)搭接處掃測

根據(jù)圖表統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，最大搭接寬6.8m，最小搭接寬3.2m，從數(shù)據(jù)可直觀看出，排體搭接寬度滿足設(shè)計要求，但排體搭接寬度不均勻，說明排體在鋪設(shè)過程中有一定傾斜。

6 結(jié)語

結(jié)果表明，經(jīng)過改進(jìn)后，側(cè)掃聲吶影像不僅可清晰反映出軟體排狀態(tài)的鋪設(shè)， 還可通過軟件提取軟體排特征點坐標(biāo)，準(zhǔn)確計算出軟體排搭接的寬度，該方法安全高效、準(zhǔn)確度高，可以全天候作業(yè)，有效提高了工作效率。