海洋测量技术方法在涉水工程水下结构检测中的应用与思考

冯 露，李 艳，翟 洁，曾令炜

(1.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 合肥 230000；2.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥 230000；3.陕西省地下水保护与监测中心，陕西 西安 710003；4.淮河水利委员会治淮工程建设管理局，安徽 合肥 230000)

伴随现代科学技术的飞速发展和人类对海洋资源的持续探索、开发，海洋测量技术方法也日趋精进和完善，利用多种现代化探测技术方法和仪器设备，人类得以更高效全面地探查了解海洋水下的方方面面。多波束水深测量、侧扫声呐水下探测等探测技术是海洋测量的重要技术方法，极大提高了海洋水下地形地物地貌的探查效率和效果；水下三维声呐扫测、水下机器人(搭载水下高清摄像及图像声呐)检测等技术为海洋水下精细化测量提供了可能；并有潜水探摸、水面船载、水下机器人搭载等多种海洋测量作业方式。

随着国家基建领域的快速发展建设，水利水电、桥梁提防、港口码头等涉水工程日益增多，相应涉水工程水下检测需求也日益增多。但相较于较为完善、成熟的海洋测量技术方法和广泛的行业应用，传统涉水工程水下结构检测技术方法仍旧处于相对单一、陈旧的阶段，主要靠潜水摄像、探摸为主，具有诸多弊端：

(1)潜水探摸人员安全风险高，多作业环境条件要求高，限制了潜水探摸作业的应用；(2)潜水探摸作业效率较低，不能对水下结构进行高效、全面的检测；(3)潜水探摸结果主观影响因素大，呈现形式单一，成果可靠性较差等。

水利水电、桥梁提防、港口码头等涉水工程水下结构检测亟需更高效、精准的水下结构检测技术方法和仪器设备，多波束水深测量技术、侧扫声呐水下探测技术、水下三维声呐扫测技术、水下机器人(搭载水下高清摄及图像声呐)检测技术等成熟的海洋测量技术方法在涉水工程水下结构检测有极其广泛的应用前景和价值。

1 海洋测量技术方法简述

1.1 多波束水深测量技术

多波束水深测量技术是海洋测量重要的水深测量技术方法之一，也称声呐阵列测深技术，利用超声波原理进行工作。多波束测深系统通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射和接收，配合GPS定位设备和姿态校正仪器设备，在与航向垂直的垂面内形成条幅式高密度水深数据，可精确、快速地测绘沿航线一定宽度条带内海底地形、地貌。目前多波束水深测量系统不仅实现了测深数据自动化，还可以外业准实时自动绘制出测区水下彩色等深图。

1.2 水下三维声呐扫测技术

水下三维声呐是一种高效的水下全景声呐扫描成像系统，可生成高分辨率的3D全景图像。水下三维声呐扫描的基本工作原理是通过发射和接收声波进行目标测距定位，采用旋转二维面阵的方式，直接采集到目标外形轮廓的水平、垂直、高度三个方向上的数据，同时获得目标物的其他细节描述，并借助三维显示技术，最终生成目标的实时三维立体图像。该系统能在无GPS信号的封闭空间内独立使用，是GPS信号盲区水域多波束水深测量技术的友好补充。

1.3 侧扫声呐水下探测技术

侧扫声呐是一种主动式声呐，从安装在船体两侧(船载式)或安装在拖鱼内(拖曳式)的换能器中发出声波，利用声波反射原理获取回声信号图像，根据回声信号图像分析海底地形、地貌，确定海底障碍物分布等。侧扫声呐水下探测具有现场作业简单、探测成果影像直观的特点，并可以现场读图、识图，实现水下检测缺陷异常情况的现场判读、标识。

1.4 水下机器人检测技术

水下机器人也称“水下遥控潜器”(Remotely Operated Vehicle，简称ROV)，又叫水下潜航器，是一套高性能的可靠系统，能够在水下环境中长时间作业的高科技装备，尤其是在潜水员无法承担的高强度水下作业、潜水员不能到达的深度和危险条件下更显现出其明显的优势。ROV作为水下作业平台，采用可重组的开放式框架结构和数字传输的计算机控制方式，在有效载荷允许情况下，针对不同的水下检测任务需要，可在ROV上配置不同的仪器设备，搭载水下高清摄像和水下图像声呐系统设备，既可满足对重点水下目标的抵近精细化测量需要。

2 海洋测量技术方法在水电站水下结构检测中的应用

2020年10月，实例项目采用综合海洋测量技术方法对大渡河干流某水电站泄洪闸及下游消力池和海漫水下结构进行了全覆盖检测。该水电站采用堤坝式开发，布置有5孔泄洪闸，其中1号～2号泄洪闸坝段长29.0 m，消力池长131.70 m，消力池出口海漫长43.30 m；3号～5号泄洪闸坝段长42.0 m，消力池长131.70 m，消力池出口海漫长135.8 m。

项目现场利用水面橡皮艇配合水下三维声呐完成了对闸室等GPS信号盲区位置的水下结构扫测作业，利用“无人船+多波束”和“无人船+侧扫声呐”系统设备对测区范围开展了全覆盖多波束水深测量作业和侧扫声呐水下探测作业，并现场快速判断、标定水下结构疑似缺陷情况；在利用ROV水下机器人搭载水下高清摄像和前视图像声呐完成对测区范围全覆盖的定线巡探普查工作后，再利用ROV水下检测技术对已经标定的水下结构疑似缺陷情况进行抵近复核详查。

实例项目历时4个外业工作日、通过综合应用多种海洋测量技术方法，完成了对该水电站泄洪闸、消力池和海漫等区域的水下结构全覆盖检测工作。相较于往期10多天的潜水探摸作业周期，极大地减少了现场检测作业工期、降低了现场作业风险和难度，最终：(1)探明了测区水下结构现状，形成了基础数据库和数字化成果；(2)查明了水下混凝土结构冲刷破损等缺陷情况，确定了缺陷形状及位置；(3)绘制了水下检测成果缺陷平面图，列表缺陷性状、位置及影像资料；(4)形成了项目水电站水下结构检测成果报告，为后续运维工作提供了科学依据。

图1 某水电站水下结构检测多波束水深测量技术作业成果示意图

图2 某水电站水下结构检测侧扫声呐水下探测技术作业成果示意图

图3 某水电站水下结构检测水下三维声呐扫测技术作业成果示意图

(搭载水下高清视频及图像声呐)水下机器人检测技术作业成果示意图

3 海洋测量技术方法在涉水工程水下结构检测中的应用思考

(1)多波束水深测量、侧扫声呐水下探测、水下三维声呐扫测、水下机器人检测等技术和仪器设备成熟，有完善的操作流程和使用规范，相应技术在海洋调查、海洋测量领域有着广泛、可靠的应用经验；相较于单一的传统水下结构检测技术方法，多波束等成熟海洋测量技术方法涉水工程水下结构检测技术有极其广泛的应用前景和价值。

(2)多波束、侧扫等常规海洋测量技术方法侧重于对海洋目标对象信息的高效快捷获取，涉水工程水下结构检测作业的工作重点在于对水下检测目标物各项性状细节信息的详尽探查。成熟海洋测量技术方法应用于涉水工程水下结构检测时，应根据具体水下结构检测需求和特点选择应用使用的技术方法，并适当调节实际作业操作过程。

(3)多波束水深测量技术可高效快捷的获取水下地形数据，适用于涉水工程大面积“平铺”水下结构的检测，如混凝土底板破损、河道坡面破损、桥墩基础河床冲刷等；应对水库大坝面板、港口码头立墙等水下“立面”结构检测需求，可适当调节多波束声呐的安装方式，并选用合适的多波束设置参数，以实现对水下“立面”结构的检测。

(4)侧扫声呐水下探测技术可以直观、高效的展现水底地物地貌图像影像，适用于对水下结构的快速普查作业，指导后续局部详查作业，并用于其它技术方法水下检测成果的印证复核；通过改变侧扫声呐设备的安装方式，也可以实现侧扫声呐对水下“立面”结构的检测。

(5)水下三维声呐扫测适用于水下结构的小范围详查作业，可克服无GPS定位数据的不利因素，并通过特征点匹配与多波束数据相融合；水下三维声呐具有多种安装应用方式，可选择水下坐底、垂直固定安装、ROV搭载等多种应用方式，极大的拓展了其在水下结构检测中的应用。

(6)水下机器人检测技术是深海探测的重要技术方法，近年来开始逐步拓展应用于各类涉水工程水下结构检测，配载水下高清摄像、图像声呐、水下三维声呐等多种水下检测仪器设备，可实现多工况、不同水质条件下的水下结构检测需求，实现对水下结构的近距离精细化测量。

(7)常规海洋测量用多波束声呐、侧扫声呐、水下机器人仪器设备尺寸较大，很多陆地水体涉水工程水下结构检作业现场难以满足其对搭载船只的使用要求，现阶段已经开始出现仪器设备小型化、智能无人船一体化的趋势。随着技术的进一步发展和成熟，相关海洋测量技术和仪器设备将更加适用于各类涉水工程水下结构检测的应用。

4 结语

现阶段应用在水利水电工程、桥梁提防工程、港口码头工程等涉水工程领域的水下结构检测技术仍相对单一、陈旧，存在测量结果不准确、测量精度不高等缺点，本文介绍了已在海洋测量领域有着成熟应用的相关技术方法，并分析了其在涉水工程水下结构检测中的应用前景和价值。