航道整治工程扫测技术和方法探讨

2022-03-13朱春春

港工技术 2022年1期

李勇，洪剑，朱春春

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）

引言

在航道检测方法中，一般采用单波束测量、多波束测量、硬式扫床、软式扫床等方法[1-4]。单波束测量通常只能反映测点所在位置的地形情况，由于测点之间存在间距，无法满足全覆盖检测的要求。随着多波束技术的出现，水深测量实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，但本质上多波束扫测点之间依然存在间隔，无法做到绝对意义上的全覆盖，因此在一些航道整治项目中，仍然使用传统的硬式扫床和软式扫床法[5]。各种扫测技术均存在不同的适用条件，如何改进航道整治扫测工作一直是专业技术人员研究的课题。

1 航道工程主要扫测技术分析

目前，根据各种航道扫测技术特点，在海港航道和沙床质航道中多波束扫测使用最为广泛，在山区航道中硬式扫床使用最为普遍，两种方法各有优缺点。

1.1 多波束扫测技术

多波束扫测是采用多波束形成技术，在垂直于船行方向的铅垂面内，生成具有一定扇面开角的若干个波束，并按照一定的模式进行发射和接收获取测点水深，每个波束获得的测点随测船航行组合成一条带状水深区域，从而实现水下地形的扫测。

多波束扫测优点突出，主要表现在：

1）能够高效获取水下地形数据，对一些微小的地形变化也能够反映出来；

2）根据多波束扫测数据，可以生成不同比例尺的地形图、电子航道图、剖面图等；

3）分不同测次进行扫测，可以比较同一区域的变化，或进行施工方量测算；

4）适合水下随机障碍物的探测，通过三维建模，可直观显示水下障碍物情况，指导施工作业。

但多波束也有一些不足之处：

1）多波束技术受波束角分辨率和测区水深的影响，多波束的扫测点之间依然存在间隔，对水下竖向细微障碍物（如钢筋）无法保证100%扫测；

2）为保证扫测覆盖效果，同一区域需采用不同测线多次扫测，才能保证扫测区域获得足够密度的数据，导致扫测工作量增大；

3）多波束扫测宽度与水深关系紧密，在浅水区全覆盖扫测时，工作效率大大降低，且设备昂贵存在安全和经济风险；

4）水下若存在杂草或杂物时，多波束扫测可能反应过度灵敏，进而造成水下地形误判。

因此，在使用多波束扫测时，应考虑测区是否有水草、水深大小等因素影响，建议大于5 米再考虑使用多波束扫测，以充分发挥其作业效率，保证设备安全。

1.2 硬式扫床技术

硬式扫床又称定深扫床，其基本工作原理是将扫床架底部扫杆下放到船舶底部一定深度，通过船舶行进过程中是否发生水下障碍物碰撞，来判断施工区域是否存在浅点。

该方法的优点体现在：

1）没有盲区，实现了特定深度（高度）面真正意义上的100 %扫测，确保扫测过的区域没有遗漏浅点；

2）原理简单，扫测可靠性强，可以直观反映水下地形是否满足底部高程设计的要求。

该方法缺点也很明显：1）不能测定水底点的高程，只能作为一种定性检测方法；

2）整体上操作复杂，通常要多人协同配合作业，扫床支架的安装和调节繁琐，甚至要借助吊机等外部机械设备才能完成；

3）工作效率较低，且作业过程中存在一定安全风险。

硬式扫床通常用于土质较硬的疏浚工程或炸礁工程，适合于小范围的工程检测，且由于扫架容易受到水流的冲击影响，因此更适用于扫测水深相对较浅的航道工程。

2 综合扫测方法设计

2.1 技术思路

基于前述分析的多波束扫测和硬式扫床两种方法各有优缺点，为保证航道整治施工进度和质量，结合三维地形技术和项目需求，提出如下技术思路：

1）首先采用多波束扫测技术进行初步检测，获取航道施工后水深数据；

2）依据多波束扫测数据和三维地形技术建立模型，直观显示航道施工整治后水下地形情况；

3）根据三维地形模型判断水下地形是否达到设计标高，对疑似区域进行综合研判，是否需要继续施工，若需进一步施工处理，则处理后再次利用多波束进行扫测，重复以上两步；

4）若水下地形满足要求，再实施硬式扫床进行最后检测，确保航道施工质量；

5）硬式扫床过程中若发现障碍点，则必须进行施工再处理，若未发现障碍点则航道整治达到要求。

2.2 关键技术控制

依据前述技术思路，涉及到多波束扫测、三维建模和硬式扫床等技术方法，为提高综合扫测方法的效率，需注意如下关键技术控制要点。

1）多波束扫测

多波束扫测技术关键之一是多波束仪器的选定：多波束系统选择必须考虑其工作频率、波束宽度、波束数量、分辨率以及测程，在满足测程的基础上，尽可能选择波束数量多、分辨率高的多波束系统；受制于航道区域作业条件的限制，选定多波束仪器应便于安装和使用。

多波束扫测技术关键之二是多波束扫测实施要点：多波束稳固安装，安装好后选择具有一定水下地形特征区域进行安装校准，以获取延时、横摇、纵摇以及艏向偏差。在校准计算过程中，由于不同偏差之间可能互相产生影响，需要选择不同记录数据多次迭代计算，尽可能提高多波束校准参数的准确性。校准完后，可选择地形特征明显区域，进行多波束十字交叉检验，结果均满足规范要求后方可进行扫测作业。多波束扫测前应提前布设扫测线，确保相邻测线扫测宽度有一定的重合度。扫测过程中应同步观测测区水位，并测定测区声速剖面供后续数据处理。

2）三维建模

三维建模技术的关键之一是建模软件的选择：首先建模软件的模型构建方法应正确，保证建模精细程度高；其次具有通用性，其成果能被多方使用，能够用于BIM 设计为宜；再次界面友好，功能齐全、操作方便。

三维建模技术的关键之二是模型的制作：首先在模型制作前，应对建模数据进行仔细检查，确保所有建模数据来源质量；其次应对中间环节进行检查，确保模型的准确性，必要时进行编辑取舍；再次颜色渲染时应符合常规色彩设计原则，同时考虑浅点的突出性，保证三维模型的整体效果。

3）硬式扫床

硬式扫床技术关键之一是扫床架的设计与制作。硬式扫床架没有统一的设备，通常根据不同的项目情况和检测需求，研究不同的硬扫支架和作业方法。为了提高工作效率和保证扫测安全，结合项目条件和船舶情况，主要设计原则：一是扫床架采用模块化的设计结构，便于扫床架的安装和拆卸；二是充分利用测船的设备，实现扫床架的机械化升降和收放等操作；三是利于进行扫床架入水深度的调节，提高扫床架的外业调节效率。图1 所示为一种创新硬式扫床支架结构图。

图1 硬式扫床支架结构图

硬式扫床技术关键之二是实施扫测及其判断：扫床前，根据底部扫杆宽度和扫床区域情况进行测线设计，保证相邻扫测面的旁向重合率；作业过程中，根据实时水位和航槽设计标高，换算底部扫杆的入水深度，扫测时必须保证扫架垂直，同时测量软件记录扫床轨迹；若遇浅点发生碰撞，扫架会发出声响并剧烈抖动，此时应立刻记录RTK 所测定的坐标信息，以便后续施工进一步处理；若检测过程中无底部扫杆碰撞，则航道整治达到设计标高，质量满足要求；在硬式扫床过程中，水深越深，扫架受到的水流冲击力越大，安全风险也更大，因此宜选择低水期或小流速期进行硬式扫床作业，以保证硬式扫床的作业效率、质量和安全。