两种主要测量手段在抛石护岸工程水下质量检测中的应用*

罗 青，王茂枚，赵 钢，陈 楠，蔡 军

(江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

抛石护岸工程是崩塌岸坡加固治理施工的重要措施，对长江河势稳定及堤防安全具有积极的作用，同时因其施工灵活、操作简单、价格低廉、能较好地适应河床变形等特点而被广泛应用[1-2]。抛石护岸工程作为水下隐蔽工程，其水下质量检测的方法是利用测深仪对施工前、后的水下地形进行测量，分析施工后地形变化即抛石增厚值来评价施工质量。水下工程质量检测是保障工程发挥经济与社会效益的重要环节，检测结果的正确性关系到工程能否正常运行。目前，测深仪以传统的单波束测深仪与新兴的多波束测深系统为主。与单波束测深仪相比，多波束测深系统具有扫幅宽、全覆盖、高效率、高精度和高分辨率等诸多优点[3]。大量对两者测量精度以及在不同应用中的对比研究表明多波束测深系统具有明显的优势[4-5]。但多波束测深系统设备笨重、安装复杂、操作繁琐，需要投入更多的人力、物力、财力[6]，而单波束测深仪轻便，易于安装，操作与后处理简单，经过许多学者的开发应用和改进[7-8]，无论是观测精度还是工作稳定性，都已经达到相当高的水平，因此单波束测深仪仍然被广泛使用。

当前，水下工程质量检测采用“断面法”进行数据分析，通过若干条断面施工前、后两期数据的叠置分析结果判断施工质量。相比一般的水下地形测量，其应用要求比较特殊：1)要求检测断面测量数据的准确性；2)要求检测断面地形相对变化即检测结果的正确性。针对这种特殊的应用，单波束测深仪与多波束测深系统的两期测量结果有怎样的差异，会对检测结果产生怎样的影响还鲜有研究。本文对这2种测量手段施工前、后的测量数据以及差值的检测断面数据进行定性和定量分析，以期为抛石护岸工程水下质量检测中测量手段的科学使用提供参考依据。

1 测量手段的检测特点

1.1 单波束测深仪检测特点

单波束测深仪(简称单波束)测深特点是单点连续测量形成断面地形数据，数据沿测线密集分布，而测线间没有数据。进行工程质量检测时，须根据预设的检测断面进行测量，通过导航软件的偏航显示情况，对测船航向进行修正，确保测船始终沿着检测断面方向航行，对测船航向要求较高。

1.2 多波束测深系统检测特点

多波束测深系统(简称多波束)是一种由多传感器组成的复杂系统，主要由换能器、DSP数据处理系统、高精度的运动传感器、GPS卫星定位系统、声速剖面仪及数据处理软件构成[9]。它采取多组阵和广角度发射与接收，可以同时获取上百条水下条带水深数据，形成条幅式高密度水深数据，是一种全新的海底地形精密探测技术。与单波束测深仪相比，多波束测深系统把测深技术从点、线扩展到面[10]，测量时，多波束点云数据可以全覆盖工程区。

2 试验及数据分析

2.1 试验方案

大胜关段位于南京市雨花台区和建邺区长江右岸梅山新码头—秦淮新河下游，在长江江苏段具有一定的代表性。选取长440 m、宽100 m、设计抛厚1.5 m的部分工程区作为试验区，采用ATLAS DESO 35单波束测深仪(测深范围0.2～200 m，频率210 kHz)，精度1 cm±0.1%深度和R2SONIC 2024多波束测深系统(用于2～500 m深度的水域，量程分辨率1.25 cm)，按照规范[11]布设了10条检测断面，共生成210个检测点。

在施工前和施工后，分别使用单波束与多波束对试验区进行水下地形测量，单波束根据预设检测断面进行测量，多波束进行全覆盖扫测。获取的测量数据均通过自检，主测深线与检查线的深度互差均满足规范[12]要求。

2.2 施工前测量数据分析

对施工前单波束与多波束的测量数据进行空间叠置，筛选同名点(2种测量数据X、Y互差不超过5 cm)的测量数据作为试验数据，共筛选试验数据477个，水深在25～45 m范围内，对两者的测量差值进行统计分析。施工前测量差值绝大部分位于-0.2～0.2 m之间，占比92.8%(表1)。由此可见，抛石护岸施工前，单波束与多波束测量结果基本吻合。

表1 抛前深度差值对比分析

2.3 施工后测量数据分析

对施工后单波束与多波束的测量数据进行空间叠置，筛选同名点(2种测量数据X、Y互差不超过5 cm)测量数据作为试验数据，共筛选试验数据409个，水深在25～45 m范围内，对两者的测量差值进行统计分析。施工后，差值绝对值≤0.2 m，占比50.9%；差值绝对值≤0.5 m，占比91.1%(表2)。由此可见，抛石护岸施工后，单波束与多波束的测量差异增加。

表2 抛后深度差值对比分析

2.4 检测断面统计分析

根据施工前、后的测量数据分别生成单波束与多波束的检测断面数据，计算出其检测点增厚值，最后对单波束和多波束的检测点增厚值进行差异分析。由表3可见，单波束与多波束检测点增厚差值差异显著，远大于施工前与施工后两者的测量差异。

表3 检测点增厚值差值占比

任选一条检测断面，作单波束与多波束施工前、后检测断面对比。由图1a)可见，施工前，单波束与多波束生成的检测断面线基本吻合；由图1b)可见，施工后，两者的检测断面差异增加，尤其是陡峭和变化较大的区域。单波束由于测量数据稀疏，生成的检测断面较平滑；而多波束数据密集，检测断面更接近真实地形，并且施工会增加单波束生成的检测断面误差。

图1 检测断面

2.5 原因分析

1)水下地形复杂度与波束角及波束偏移。抛石施工工艺随机性大，抛石后，水下地形粗糙不平，短期内人为破坏了水下地形的空间相关性[13]。图2为工程区多波束数据生成的任意一条施工前、后水下地形断面对比。由图2可见，施工后，水下地形的复杂度增加，放大了单波速测深仪的测量误差。一方面，单波束波束角普遍比多波束波束角大，波束角越大，脚印越大，水下地形分辨率就越低，测量误差越大；另一方面，单波束测深没有进行测船姿态矫正，测船的横摇和纵摇使声波倾斜入水，产生了水深数值上的偏差和测点位置的偏移[14]。表4列出波束倾斜不同角度在不同水深下测点位置的偏移距离。

图2 施工前、后断面对比

表4 不同波束倾角下的偏移距离

2)单波速航迹线偏移。目前，水下工程质量检测方法是“断面法”，测深仪获取的测量初始数据根据检测断面线差值生成检测数据。单波束测量时，测量船沿着检测断面线进行数据采集，但测量船航迹线与断面线难以完全重合，而是呈沿着断面线左右摆动的曲线(图3)。航迹线的偏移导致测量数据位置的偏移，从而增加了差值生成的断面误差。更重要的是，施工前、后单波束的2次测量轨迹也不能完全重合，导致两期数据进行叠置分析时数据之间位置偏移更大，使检测点增厚值与断面增厚值存在较大的误差。在工程水下质量检测时，多波束测量的海量点云数据可以实现两期数据位置与检测断面的统一，但单波束航迹线的偏移对工程水下质量检测结果的影响往往被忽略。

图3 单波束航迹线与检测断面线关系

为了说明施工前、后测点位置的偏移可能导致的误差，作如下统计分析：统计不同偏移距离下，施工前、后的测量数据在偏移距离范围内与检测数据的差异，图4为任意选取的3组偏移距离的统计分析结果。由图4a)～c)可见，施工前，随着偏移距离的增加，数据差异无明显增加，偏移1 m对检测结果无大影响，差异基本保持在-20～20 cm。由图4d)～f)可见，施工后，3组深度差值发生明显变化，与施工前相比，相同的偏移半径，数据差异增加，同时，随着偏移半径的增加，差异增大，偏移50 cm对检测结果已经产生了较大影响。可见，施工后，测点位置的偏移对检测结果的生成有很大影响，这正是单波束与多波束检测结果差异明显的最主要原因。

图4 施工前、后不同偏移半径时深度差值频数分布

3 结语

1)抛石施工前，水下地形具有空间相关性，地形复杂度较低，单波束与多波束的测量数据基本吻合，两种测量手段的精度满足施工前水下地形的测量要求。

2)抛石施工后，人为短期内破坏了水下地形的空间相关性，导致水下地形复杂度急剧增加。而水下地形复杂度的增加扩大了波束角及波束倾斜而导致的测量误差，增加了单波束与多波束的测量数据差异。

3)单波束航迹线的偏移以及施工前、后两期数据测量轨迹的不重合导致差值生成的检测结果存在较大误差，而这种航迹线的偏移对工程水下质量检测结果的影响往往被忽略。

4)基于以上原因，本文建议在利用单波束测量复杂地形，尤其是深水区时，应考虑单波束测深仪波束角的影响，尽量选用波束角小，测量精度更高的单波束测深仪，并将姿态传感器应用于单波束测深仪，改正水深数值上的偏差和测点位置的偏移，同时加强单波束航迹线控制，使其尽量贴合检测断面线。此外，还可以通过多次测量增加每条断面的数据密度，减少因航线偏移而造成的断面误差。但施工前、后每期数据分别应该增加几次测量，才能有效地降低断面误差，提升检测精度，这将作为今后研究的重点。