多波束测深系统在水下抛石验收中的应用

李维奇，王小龙，卢禹成

（1.中交（天津）生态环保设计研究有限公司，天津 300461；2.北京京昌工程测绘技术有限公司，北京 102299）

引 言

在航道整治工程中，水下抛石技术因其施工工艺简单、施工便捷、成本经济等特点而广泛应用于筑坝、护底、镇脚、压载等工程中。水下抛石的合格与否关系到整个整治工程的质量，因此对其进行合理有效的验收则显得尤为重要。

水下抛石验收根据《水运工程质量检验标准》[1]有如下规定：护岸工程“在一般工况区，测点增厚值≥75 %设计增厚值，合格点数≥70 %；断面平均增厚值＞70 %设计增厚值，合格断面数≥70 %”即为合格。在此基础上，常规的检测方法就是对合格率进行统计，达到规范要求即判定为验收合格。传统方法常采用单波束测量制作断面线对断面的点、线进行统计分析。该检测方法方便快捷，可以直接生成验收标准要求的断面图形。但施工过程中，发现以离散的点、线方式检验抛石，由于每次测量的测线不可能与断面线完全重合，施工区域存在欠抛时就会导致每次的结果都不唯一，无法精确计算欠抛量和确定欠抛区域。

这种离散的点、线检测方式，由于抽检断面选择的影响，容易造成不合格产品通过验收，导致工程质量事故，给国家和社会带来恶劣影响。本文以长江口岸直水道整治工程水下抛石验收工作为例，提出利用多波束格网对水下抛石进行验收，致力于解决传统方法验收结果的不唯一性和随机性，省时省力，提高效率。该项目护岸抛石分为8个标段，共计18 005 m，总量约85万m3，丁坝抛石分为7个丁坝1个潜堤，共计5 995 m，总量约80万m3。作为“十二五”重点工程，该项目对于抛石质量的要求高，验收严格，符合本文要求。

1 传统验收工作

传统验收工作通常采用单波束进行测深，Hypack断面法就是利用该方法来实现的验收工作，具体步骤如下：测量数据xyz和测量断面生成TIN模型，然后再生成 ALL格式，最后由断面模板生成所需断面。其中有两个关键因素（xyz数据的间距，测量断面的选取）影响验收效果，尤其测量断面的选择很大程度影响了验收的结果。下面分别以落左上护岸抛石及落成洲头部潜堤抛石筑坝为例说明传统验收工作。

1.1 落左上护岸抛石

选取抛石一个检验批（K0+000-K0+200）的工前工后数据为例，通过Hypack软件TIN模型将工前工后水深数据生成断面图，如图1、图2。

传统抛石验收采用的是抽检的方式来进行，当抽检断面正好处于抛石效果较好的区域（K0+100）就会验收通过，当处于抛石效果较差区域（K0+140）就会验收不通过。因此选择不同断面对于验收结果的影响是不同的，结果有多样性。

将上述检验批的验收数据按 10 m/条断面线生成断面图进行统计发现结果如表1所示。

图1 K0+100断面示意

图2 K0+140断面示意

表1 断面验收统计

20条断面线，5条不合格，15条合格，合格率75 %，达到设计要求。但是如果抽检验收选取的断面不合理，选取了不合格的断面来进行验收，就会引起纠纷。反之，如果一个检验批不合格选择合格的断面来验收就会造成验收合格的假象，成为豆腐渣工程，给国家和社会带来很恶劣的影响。

1.2 落成洲头部潜堤抛石筑坝

选取落成洲头部潜堤 K0+1450-K0+1700抛石数据做分析，经过 Hypack处理，生成断面如图 3所示。

生成的断面线与设计断面标高进行比对，分析每个断面的完成情况，不合格的断面进行补抛或者修整。抛石筑坝采用10 m/条断面线逐条进行检查，将不合格区间进行统计，汇入 CAD图中，划分施工格网交付施工船舶使用。该方法虽然可以确定不合格区间，但是比较繁琐，需要进行大量计算方可生成最终的施工格网，费时费力。

由此可见面对如此巨大的抛石作业生产线，常规的测量及验收方式已经远远不能满足工程要求，因此本文提出利用多波束测深系统的先进性来实现抛石验收工作。

图3 抛石筑坝断面

2 多波束测量原理

多波束测深系统的工作原理是，将换能器基阵安装于专业测量船底，测量船沿测量海域航行时，换能器基阵向水体底部发射一个扇形的声波束，同时接收反向散射信号，通过信号处理技术，获得声波束所覆盖所有采样点的水深数据[2]。接收阵接收底部回波信号后，经延时或相移后相加求和，形成几十个或者数百个相邻的波束，扇形的声波束可以同时获得与船的航迹相垂直的扇形面内的多个水深数据，并随着船的航行不断叠加，一次测量即可得到航行测线一定范围内的多个水深数据。

一个完整的多波束测深系统，除多波束传感器外还包括一个传感器安装平台、艏向传感器、姿态传感器、声速传感器、定位系统和工作站平台。GPS定位系统可以对测量船实时定位，以便得到每一个测深点的经纬度坐标；声速传感器可对水体各个深度的声速传播速度进行测量，消除声速传播误差；姿态传感器可消除船在航行时纵横摇摆的影响；艏向传感器可实时修正航行线路方向。

与单波束相比，多波束具有无可比拟的先进性[3]。主要体现在：

1）全覆盖式测量，测量成果更真实可靠。避免了单波束需要插值从而导致数据有一定误差的缺点。

2）受外界不利因素影响小，多波束测深系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、船向等，由专用后处理软件对测量结果进行校正。

3）多波束测深系统能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等。

4）多波束测深系统可对同一测区生成不同比例尺的水下地形图，以满足不同的需要。

3 多波束验收方法

根据上述多波束具有的全覆盖式测量等优点，本文提出利用多波束进行水下验收的一个新思路，即充分利用多波束格网数据比对功能和三维展示功能，增加可读性，避免因统计问题出现偏差，使验收成果直观化、可视化。针对上述两个案例，分别用多波束进行验收。

3.1 落左上护岸抛石

以落左上抛石一个检验批200 m的工前工后数据为例，采用多波束测深系统获取数据，然后利用QINSy软件实现格网方式的分析统计方法，具体步骤如下：

第一步：在QINSy中新建格网，建立三个图层：GQ、GH、ZENGHOU，分别表施工前、施工后和增厚值。

第二步：将施工前和施工后XYZ数据转为PTS格式，分别导入到格网对应的图层GQ、GH中。

第三步：通过格网图层之间的差值计算，将工前工后数据的差值即增厚值在 ZENGHOU图层中生成。

第四步：根据设计要求的增厚值，调整水深值调整格网色带显示，根据颜色不同，分别展示欠抛区、超抛区、流失区。

第五步：通过格网分析统计一个检验批抛石合格率是否达到验收标准。达到标准继续检验下一个检验批；若没有达到验收标准，则将增厚值小于设计标准的欠抛区水深数据导出，生成分析资料，指导施工。

由于格网的特殊性，计算简便快捷，即刻完成差值比对，唯一需要干预就是验收参数的输入要正确。最终结果如图4所示，黑色达标，白色不达标。通过 QINSy格网可以很方便快捷判断出该检验批达到了验收标准，验收合格，结果是唯一的，不会因断面的选择不同而产生不同的结果。

图4 格网显示抛石区域的增厚值

3.2 落成洲头部潜堤抛石筑坝

落成洲头部潜堤抛石多波束验收与护岸抛石验收前三步与落左上一致。

第四步：根据施工设计要求，调整QINSy格网的色彩显示条带，将-0.2～0.3 m质量控制输入，生成显示当前施工达标情况的格网。

通过水深控制输出未完成施工区域范围图，提交施工船舶，指导施工。如图5所示，黑色超抛，白色欠抛。

图5 格网显示抛石筑坝情况

由于多波束测深系统对水下全覆盖式测量的优点，使得水下抛石验收结果可以用三维图形展示目前形成的丁坝状态，将水下隐蔽性工程实现可视化，如图6所示。

图6 头部潜堤三维

4 结果分析

对比上述两个案例，可以看出，采用多波束对水下抛石进行验收，步骤简单明了，数据更全面，验收标准更加果断，能够解决传统单波束验收所带来的验收不准确、过程繁琐等缺点，并可以展示水下抛石的三维图像，实现成果的可视化，可以在视觉上更加直观的判断验收成果。更加保证了验收结果的准确性、唯一性。

5 结 语

1）护岸抛石验收不同断面的选择会造成验收结果的不确定性，使用多波束格网来进行验收的结果是唯一的，避免产生纠纷。

2）护岸抛石和抛石筑坝的施工一般通过断面来指导，这样费时费力，多波束格网方便快捷的计算出施工缺陷区域，指导抛石船进行施工。避免由于计算延误导致的重复性作业，有效降低施工成本。

3）护岸抛石的验收结果有很大随机或者人为控制因素，造成国家和人民财产流失，格网验收就很好解决这一难题，其结论更加公正客观，为以后制定相应规范提供依据。

4）抛石筑坝工程等水下隐蔽工程的验收一直采用看不见摸不着的模式，多波束水深数据形成的三维图像使水下工程展示在世人面前，可视化的验收方式更加让人信服。

本文从实际出发，利用多波束测深的诸多优势，为水下抛石重大工程的验收提出一种新的思路。有一定的实际意义。