基于多波束测深的海底基床监测与分析

孙阳阳，徐良，张建军，宁进进

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

基于多波束测深的海底基床监测与分析

孙阳阳，徐良，张建军，宁进进

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

随着多波束测深精度的提高及深水基床铺设精度要求的提高，多波束在深水基床铺设中的监测作用越来越大。文章以港珠澳大桥岛隧工程深水碎石基床铺设为例，详细介绍了多波束在碎石基床整平浅点分析、回淤监测分析中所发挥作用。可为类似工程提供参考。

多波束；测深；碎石基床；回淤监测

0 引言

近年来随着大型海底隧道的建设，深水基床铺设的精度要求越来越高，多波束在深水基床铺设中发挥着重要的监测作用。

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海、澳门的大型跨海通道，大桥采用桥隧组合方案，其中在伶仃西和铜鼓航道处采用海底隧道，隧道出口与桥梁相接处修建东、西人工岛衔接，两岛之间平面距离为5 584 m。

隧道基槽开挖后，首先进行块石的抛填及夯平，然后进行碎石基床铺设。碎石基床铺设厚度为1.3 m，垄顶宽度1.8 m，垄沟宽度1.05 m，采用碎石基床整平船“津平1”施工（图1）。由于沉管安装精度要求高，根据《港珠澳大桥主体工程隧道工程施工及质量验收标准》[1]，碎石基床垄顶部标高允许偏差为±40 mm，这对碎石基床的验收工作提出极高要求。

图1 碎石基床施工图Fig.1 The construction plansof gravelsubgrade

2 多波束测深原理

多波束测深系统由多波束声学系统、多波束数据采集系统、数据处理系统、外围辅助传感器及成果输出系统组成。多波束声学系统产生具有一定方向的波束进行发射并接收，由数据采集系统将声波信号转换为数字信号，并反算其测量距离（图2）。多波束数据处理系统通过外围辅助传感器参数对数字信号进行各项改正，并通过成果输出系统对数据进行后处理及最终成果输出，最终得到海底水下地形（图3）。

图2 多波束测深系统原理图Fig.2 The principleofmulti-beam bathymetry system

图3 碎石基床多波束测深三维图Fig.3 The3D view of gravelsubgradeusingmulti-beam bathymetry

EM 2040多波束扫测频率范围为200～400 kHz，扫测角度为140°，最大频率为50 Hz，脉冲长度很短，小于25 us，深度分辨率达到毫米级，通过具有roll、pitch、heave及heading的高精度OCTANS光纤罗经进行姿态补偿，通过声速剖面仪测量出声速剖面进行声线改正，通过表面声速仪进行换能器处声速实时改正，从而准确进行声速导向，确保采集数据的准确性[2-3]。

3 多波束测深监测分析

3.1 碎石基床整平浅点分析

碎石基床整平过程中整平船会进行基床整平标高自检，自检通过单点声呐进行，由于受其测深精度及测深范围影响，无法对整体基床进行测量，因此在基床整平完成后，部分区域可能存在浅点及落淤。受沉管安装精度及碎石基床验收标准的要求，这些浅点必须及时发现并进行水下处理。多波束测深系统可在浅点查找方面发挥重要作用。

根据JT/T 790—2010《多波束测深系统测量技术要求》[4]并结合港珠澳大桥岛隧工程现场情况，测深线采用南北布设，顺潮流流向。根据基床水深，测深线布设宽度为30～40 m，保证基床上每片区域都具有2条及以上的测线测量数据。此等测量方法，如某区域有2条测线的测深点都高于正常垄顶面，则可判定此区域为基床浅点，如仅有1条测线显示为浅点，则需进行补测，重新确定。如图4为明显基床浅点。

图4 碎石基床浅点测深图Fig.4 The shallow point bathymetry of gravel subgrade

将基床碎石垄测量标高与设计标高进行比对，求出标高差值，进行统计分析，可以对碎石基床整体质量作出判断，表1为某管节碎石基床垄顶标高差值统计表。

表1 碎石基床差值统计表Table1 The statisticsofgravelsubgrade difference

3.2 碎石基床回淤监测分析

碎石基床施工完毕至沉管安装期间，岛隧工程施工区域可能受台风影响及涨落流影响造成基床回淤，如回淤过大，造成回淤沉积物厚度超过设计标准，则无法进行沉管沉放安装。因此，碎石基床整平后基床回淤检测分析必不可少[5]。

碎石基床回淤监测，测线应与基床首次测量时测线保持一致，使得测量环境一致，减小误差影响。通过对碎石基床回淤状况的分析，可以判断出碎石基床回淤厚度，从而确定是否具备沉管安装条件，避免造成巨大损失。

图5为碎石基床整平完成及5 d后测量数据差值分布图。图中数值代表回淤量，正值代表相对于基床整平后回淤，“-”代表相对于基床整平后数据偏深。

图5 基床回淤差值图Fig.5 Thed ifferentialm ap of subgrade siltation

由图5可以看出碎石基床第三、四、五船位回淤量较大，部分区域回淤20 cm左右，对沉管安装造成影响。同时基床北侧区域回淤量多于基床南侧区域。

对碎石基床垄顶面高程差值数据进行统计分析，结果见表2。

表2 基床回淤值Table2 The tableof subgrade siltation

由于受基床回淤影响，因此测量时效性相当重要，基床整平完毕后即刻进行多波束扫测，如发现可疑区域，应对其进行探摸，判断是碎石浅点还是回淤物。

4 结语

大型海底沉管隧道对碎石基床整平精度提出了更高的要求，多波束测深精度也有了很大提高，部分多波束测深系统量程分辨率已达到毫米级，这对沉管碎石基床的验收提供了良好基础。采用多波束进行碎石基床监测，可以高效、全面地对沉管碎石基床质量进行检测，为后续沉管的安装提供保障，同时可为其他类似海洋工程施工提供参考。

[1]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥主体工程隧道工程施工及质量验收标准[S].修订版.2013. Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and quality acceptance criteria for tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[S].Rev.ed.2013.

[2]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2008. ZHAO Jian-hu,LIU Jing-nan.Multibeam bathymetric and image dataprocessing[M].Wuhan：Wuhan University Press,2008.

[3]郑伟，李炜.GPS-RTK三维水下地形测量的应用与误差分析[J].中国港湾建设，2015，35（7）：42-45. ZHENGWei,LIWei.Application and erroranalysisof GPS-RTK three-dimensional underwater topographic survey[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):42-45.

[4]JT/T 790—2010，多波束测深系统测量技术要求[S]. JT/T 790—2010,Technical requirements for multibeam echosoundersystem surveying[S].

[5]高耿明，潘润秋.基于多波束测深的海底沉管基槽回淤监测与分析[J].测绘信息与工程，2010，35（4）：32-33. GAOGeng-ming,PANRun-qiu.Based onmulti-beam bathymetry of the seabed foundation trenchmonitoring and analysis[J].Journal ofGeomatics,2010,35(4):32-33.

M onitoring and analysis of seafloor subgrade using multi-beam bathymetry

SUNYang-yang,XU Liang,ZHANG Jian-jun,NING Jin-jin
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarborEngineering Co.,Ltd.,Qingdao，Shandong266071,China）

With the improvementof the accuracy of themulti-beam bathymetry and seafloor subgrade pavement,multi-beam playsan increasing role in themonitoring of the seafloor subgrade pavement.Taking the deepwater gravel subgrade pavement of the Hongkong-Zhuhai-macao Bridge island&tunnelprojectas an example,we introduced ahuge roleabout themulti-beam at the shallow point analysis on gravel subgrade leveling and the siltation monitoring analysis,which can provide references for similar projects.

multi-beam;bathymetry;gravel subgrade;siltationmonitoring

U452.1

A

2095-7874（2015）11-0046-03

10.7640/zggw js201511013

2015-10-19

孙阳阳（1990— ），男，山东德州市人，助理工程师，测绘工程专业，主要从事水深测量工作。E-mail：987440768@qq.com