基于多波束测深与三维扫描声纳的拦污网水下结构检测技术应用

■李同飞 朱瑞虎 徐鹏飞 丁德荣

(1.河海大学，南京 210098; 2.平潭旅游股份有限公司，平潭 350400;3.福建省港航管理局勘测中心，福州 350009)

电厂取水口是电站的重要设施，主要作为循环冷却水系统和重要厂用水系统以及冷却用水的水源。 为避免海洋生物进入取水口，从而影响电厂运行，一般在取水口布置拦污网拦截海洋生物、垃圾物，是电厂取水的第一道拦污屏障[1]。 拦污网的设置是否合理、维护是否到位和运行是否稳定，直接影响到电厂的水源安全。 目前拦污网运行状况基本上采取潜水员探摸、水下摄影、单波束测深仪扫测等方式进行检测及评判。 这些方法存在较多不足的地方：如水下摄影只有二维图像信息，且潜水员探摸、水下摄影效率低，范围有限；单波束测深仪扫测一般只能在仪器垂直下方获取目标点位数据，无法获取仪器侧面的数据，如岸壁等地形；受各种因素的影响，上述方法无法满足拦污网检测要求[2]。

多波束测深系统是由多种传感器组合而成的系统，集成了信号处理、定位和导航、数字传感、数据处理、三维显示技术，以及其他多种前沿高新技术， 是获取水深数据和水下地形地貌的重要手段，能够高效率、精确、快速地测量出水下一定范围内地形，或者目标物的大小、外形变化，快速、可靠地获取水下目标的三维数据。 三维扫描声纳系统通过发射声脉冲获得检测目标的空间数据，每次以扫描扇区发射脉冲；云台可以竖向和水平向转动，实现竖向、水平向的扫描，且扫描范围大。 从而获取检测目标的不同部位的位置信息，生成水下地形、构筑物的高分辨率三维图像，形成3D 结构图[3-5]。本研究将以福建某电厂取水口拦污网水下结构检测为例，利用多波束测深系统对拦污网质量和运行状况进行大范围全景检查，对多波束扫测后发现金属拦污网缺损等部位进一步放大检测，利用三维扫描声纳测量点位可达到厘米级精度、分辨率高的优点，取得水下拦污网检测细部三维可视化图像， 获得精确的细节信息，对拦污网运行状况进行定性、定量分析。

1 工程概况和检测内容

1.1 工程概况

本项目用于检测的取水口位于该电厂码头北侧（图1），取水口漂浮物、悬浮物拦截系统由1 座桩承台式拦污网和若干浮体式拦污网组成，拦污网网体材料采用铜合金材质。 拦污网共设5 座承台（其中，3 个承台长宽为3.5 m×7 m，2 个承台长宽为3 m×3 m）；8 根桩，桩基直径1.4 m；9 张网面。

图1 拦污网地理位置图

1.2 检测内容

本项目使用多波束测深系统和三维扫描声纳联合测量技术为取水口两侧防波堤之间拦污网健康状况进行检测，将拦污网水下结构、破损情况及外来物拦截情况三维图像化，可以快速地、直观地反映拦污网健康状况全貌， 以便为拦污网的维护、维修提供可视化的资料和可靠的检测数据。

开始前，多波束检测测线沿拦污网布设3 条测线，间隔5 m。三维扫描测站为各站间地物明显重叠有利拼图原则分别于施工前后布设6 站和12 站（图2）。

图2 施工前后各测站三维扫描仪成像总览图

2 使用设备及参数

2.1 多波束测深系统

本项目使用的多波束测系统型号为SeaBat T50-P，为便携式浅水多波束测深仪。该设备主要技术参数：量程分辨率为6 mm，声呐频率为190～420 kHz（可选），波束角10°～165°，仪器量程为500 m。 系统构成示意见图3。

图3 SeaBat T50-P 统构成示意图

2.2 三维扫描声纳系统

本项目使用的三维扫描声纳系统为BV5000，主要包含三维扫描声纳头、云台、控制平台等。 该设备主要技术参数：扇面和球面扫描区域为45°～360°，视角为45×1°，频率为1.35 MHz。 系统示意见图4。

图4 BV5000 系统示意图

3 检测数据分析

本项目取水口漂浮物、悬浮物拦截系统由一座桩承台式拦污网和若干浮体式拦污网组成，拦污网网体材料采用铜合金材质。 拦污网共设5 座承台，8根桩，9 张网面。通过数年来的使用与维护，拦污网目测已发生变形，亟须了解水下部分完好情况。

通过使用多波束扫海测量、三维声纳扫描仪对取水口金属拦污网健康状况进行检测，并对其进行定性、定量分析，根据检测结果发现：多张拦污网网面产生不同程度变形，变形方向在水平方向上（顺涨潮方向），在垂直方向上各张网呈现倒锅形，最大变形径高达3.15 m；个别拦污网存在脱边、破洞，最大脱边开口弧长27.5 m、最大径高3 m，破洞窟窿范围约为2 m×1 m；拦污网外来物（垃圾）较多，最多的外来物（垃圾）堆积范围弦长约19 m、深度6 m，厚度0.3 m～1.1 m。

3.1 拦污网变形情况分析

从多波束扫测及三维声纳扫描成果可知（图5）：水平面上，变形方向主要向涨潮方向，沿岸部分因回流存在弯曲；在竖直面上，变形并非平面，而是类似倒锅形。 同时可见，拦网底部局部已破损脱落。

图5 拦污网网面变形及底部三维图

拦污网通过采取一定的措施进行加固，经检测第3、5、7、8、9 张网面变形有改善，第5 张网变化尤其明显（图6）。

图6 施工前后拦污网网面变形对比图

3.2 拦污网破损情况分析

根据图7、图8 可知，部分拦网破损，存在脱边、破洞，脱边主要存在于底部，以及与墩柱连接处。 底部破损最为严重的网中间弧长约27.5 m，最大口子径高约3.0 m；与左右相邻墩柱连处脱离，开口径高最大为10 m。

图7 拦污网破损位置图

图8 拦污网4、拦污网6 破损情况

3.3 拦污网外来物（垃圾）拦截情况分析

各拦污网对外来物（垃圾）进行了拦截，形成堆积，如图9、图10 所示。在海底6 m 高的位置形成外来物（垃圾）堆积，堆积物形成一定厚度，在拦网变形后俯看形似月牙，图中体积约3.15 m3。

图9 拦污网外来物（垃圾）俯视图

图10 拦污网外来物堆积正视图

经施工清理垃圾及加固金属拦污网，外来垃圾物明显减少（图11）。

图11 施工前后第5 张网面三维声呐扫描对比情况

4 结论

将多波束测深和三维声纳扫描技术应用在电厂取水口拦污网水下结构检测实际工作中，可准确获得拦污网变形以及损坏情况，可检测拦污网内外来物（垃圾）拦截量，得到拦污网健康状况和运行状态的三维状态图，可获得拦污网修复工作量及外来物（垃圾）清理工作量，为下一步拦污网安全运行管理和隐患治理提供决策依据。 同时，根据检测结果，可为拦污网设置效果评估及后续处置工作提供了依据，以及施工后检测跟踪，分析施工效果。