水电站河道冲刷破坏水下多波束测深检测分析

华朝锋

(贵州乌江水电开发有限责任公司乌江渡发电厂，贵州 遵义 563002)

冲刷破坏是喀斯特地区高水头、大流量大型水电站发电尾水道安全稳定运行的重要威胁。电站服役期间，采用合理无损检测方法对下游河道水下地形进行测量，准确掌握河道底部及两岸边坡的冲刷破坏程度，并及时提出有针对性的处理方案以防止冲刷破坏进一步加剧影响水工建筑物的运行安全，已成为水电站定期专项检查和研究的重点[1-3]。水电站发电尾水下游河道底部主要为水垫塘或消力池，其水深十几米甚至几十米，很难通过修筑围堰等措施进行直观检查。水下地形测量是一种特殊测量形式，传统水下测量主要包括测深杆法、潜水探摸法、回声测深仪法等，但此类测量方法普遍存在测量精度低、可视范围小、定位繁杂等问题[4-5]。多波束测深技术利用发射换能器阵列，多波束测深可获得一个条带覆盖区内多个测量点的水下深度值，从而实现从单波束“点—线”测深向“线—面”测量的跨越[6-7]。同时，多波束测深系统采用惯导系统并配置GNSS辅助定位，可精准获取水下地形的三维模型，并绘制详实等深线图和典型测线地貌图，可为水电站水工建筑物运行性态专项检查和运行隐患排除及处理提供详实的数据支撑。

1 工程概况

乌江渡水电站位于贵州省遵义市境内，原装机630MW，经扩机、增容改造后装机1250MW，是我国石灰岩喀斯特地区兴建的第一座大型水电站。工程于1970年开工，1983年底竣工投运发电。挡水建筑物为混凝土重力拱坝，坝高165m，坝顶长395m。坝址处河谷呈“V”形，坝基地层为下三叠统玉龙山石灰岩(T1)，总厚度233m，石灰岩地下喀斯特高度发育，岩体完整性差。“乌江渡水电站大坝安全第五次定期检查、专项检查(分析)项目及要求”中提出：采用设备对坝趾至左耳下游影响范围内河床及坡脚进行地形测量，绘制水下地形图、缺陷平面分布图、典型测线地貌图，并与以往成果进行对比说明河床淘刷情况。

2 多波束水下测量实施

为查明乌江渡水电站下游河道检测区域的河床及两岸地形和冲刷淘蚀情况，运用多波束测深技术结合GPS-RTK技术与惯性导航系统进行定位，开展水下地形测量工作[8-10]。采用华星A12 GNSS RTK系统进行检测辅助定位；安装Sonic 2024型宽带超高分辨率多波束测深仪和水下无人潜航器搭载水下高清彩色摄像设备进行水下高质量扫测作业。

2.1 仪器设备安装

冲锋舟作为水下地形测量多波束探深系统的载体，在预设位置安装好水下发射、接受换能器、RTK流动站等仪器设备，并完成仪器设备的紧固和初始参数设置、校调。

2.2 定位辅助

采用网络RTK技术提供定位参数，项目实测坐标系为WGS-84坐标系[11]，高斯3°带投影，测区中央子午线为105°。工作现场使用网络RTK对各基点进行了测量，作为水下地形检测工作的坐标框架。最后，完成WGS-84与乌江渡水电站坐标系之间的“三个线性平移量、三个角度旋转值和一个比例尺因子”七参数的坐标转换。计算成果见表1。

表1 坐标系转换参数计算

通过计算得到表1所列的坐标系转换成果后，为验证转换成果的可靠度，使用网络RTK站，选取乌江渡水电站较为可靠的控制点进行校验，转换后成果与实测基点进行对比分析(见表2)。

表2 WGS-84坐标系转换为乌江渡水电站坐标系后坐标差值对比

由表2可知，控制点转化后实测坐标与控制点基准坐标相差均不超过±0.059m，可见转换成果的定位精度符合《水电水利工程施工测量规范》(DL/T 5173—2012)的相关要求[12]。

2.3 数据处理

采用PDS2000软件完成水下地形实测数据采集，并结合CARIS HIPS and SIPS软件完成实测数据的姿态校正、测线实测数据合并等处理，最终获得详实的水下地形和冲坑位置、深度、高程等数据信息，并绘制地形等深线图和典型测线地貌图。

3 水下检测成果分析

3.1 水下地形实测现状

乌江渡水电站发电尾水下游河道及两岸边坡水下地形检测项目，采用多波束探测系统与水下无人潜航器联合进行水下探查。现场实施过程中，首先采用多波束探测系统进行水下全覆盖检测，了解乌江渡水电站下游河道两岸边坡及河道现存状态。同时，基于多波束检测成果，采用水下无人潜航器完成局部边墙及冲坑外观情况的探查。电站发电尾水下游河道及两岸边坡水下地形多波束探测成果见图1。

图1 下游河道水下地形多波束探测成果

由图1可知，乌江渡水电站投运发电30余年后，下游河道实测水底整体上呈现“两岸高、河中低，上游高、下游低”的特点。水下检测发现河道内有3处明显冲坑(图1中的1号、2号和3号)，其中，1号冲坑沿上下游方向呈“梭形”，位于(坝横)0+100至(坝横)0+150，(坝纵)0+030至(坝纵)0+065；2号冲坑呈“碗状”，位于(坝横)0+200至(坝横)0+280，(坝纵)0+013至(坝纵)0+080；3号冲坑呈“椭圆形”，位于(坝横)0+340至(坝横)0+400，(坝纵)0+003至(坝纵)0+083。水下检测范围内，实测水底高程介于597.5～631.5m之间，其中，高程最低约597.5m，位于下游距尾水坝面220m河道中部[平面坐标为(674265.60，3024453.52)]及下游距尾水坝面385m河道中部[平面坐标为(674414.39，3024380.27)]。检测区域河道高程带状图见图2。

图2 河道高程带状图

对检测范围内河道沿水流方向剖切3个纵剖面、对垂直河道剖切8个横剖面进行典型测线地貌分析，剖线位置见图3和图4。其中，纵剖面的剖面间隔为25m，剖线1号起点平面坐标(674089.72，3024493.41)，终点平面(674487.57，3024302.97)；横剖面的剖面间隔为50m(1号、2号剖面间距为30m)，剖面1号距尾水坝面为70m。各剖面起始桩号数据见表3。

图3 纵剖线布置

图4 横剖线布置

表3 剖面起始桩号数据

分析得到乌江渡水电站发电尾水下游河道及两岸边坡水下典型测线地貌，分别见图5和图6。

图5 水下地貌纵剖线

图6 水下地貌横剖线

3.2 冲坑区域及两岸边坡检测成果

从三维点云数据观测该冲坑面积较大，水下机器人探查中发现河道中部区域出现了较为陡峭深坑，呈“下游高，上游低”的状况，并且高程最大落差约为16m。为获得发电尾水下游河道冲坑准确的数据信息，利用网格划分取样统计分析各冲坑的长度、宽度、面积等参数，并与1994年冲坑实测深度进行对比分析(见表4)。

表4 冲坑特性参数信息分析成果

由表4可知，发电尾水下游河道水下检测范围内共发现3处明显冲坑，冲坑面积分别为1058.87m2、4228.34m2和3457.26m2；冲坑深度分别为8.2m、12.1m和12.5m，分别较1994年实测值增加0m、1.6m和4.6m。2号和3号冲坑虽然其深度较1994年有明显增加，但该两处冲坑与两岸岩体的结合处均有一定坡度，且边缘距离山体边坡均大于15m，未发现山体与河床结合面存在淘刷现象，基本不会对两岸边坡构成影响。

4 结 语

多波束测深技术具有测量精度高、可视覆盖范围广、定位准确等优点，在较复杂水下地形测量、水下建筑物无损检测等领域具有良好的应用效果。将多波束测深技术引入乌江渡水电站运行期发电尾水下游河道水下地形检测中，有效采集到坝趾至左耳下游影响范围内河床及坡脚的现状地形点云图数据，并经软件运行分析获得地形等深线图、典型测线地貌图、冲刷区域发展规模及冲坑特性参数等数据成果，为电站后期运行策略制定和安全隐患排除提供了详实资料依据。多波束测深技术对水下地形绘制全面清晰，对冲刷区域淘蚀范围及深度判断准确可靠，可为类似水下隐蔽工程全面精确检测提供技术支持。