便携式多波束系统在消力池冲刷检测中的应用

刘森波，丁继胜，冯义楷，杨 龙，陈义兰

（自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

据不完全统计，截至2018年年底，我国大陆已建5 万kW 及以上大中型水电站约640 座。 水电站为国民经济建设和发展提供绿色动力的同时，还具有防洪、灌溉、航运等多重作用。 水电站下泄水流的长期冲刷作用容易对消力池造成伤害，危及大坝安全。 对消力池的检测既是大坝日常维护的内容，也是保障大坝安全运行的必要手段。 目前，常用的消力池冲刷和护岸稳定性检测手段是基于地形的多波束探测方法。 陈辉等［1］利用GeoSwath Plus 多波束对长江沉排护岸工程运行状况进行了监测，通过对不同时期的监测数据进行比较，分析护岸工程的稳定情况；赵钢等［2-3］将SONIC 2024 多波束运用到沉排水下铺设质量检测中，准确获取了数据，并将SONIC 2024 多波束与声呐技术相结合应用于水下表观病害探测；周良玉［4］将多波束检测技术应用于水下整治建筑物施工中软体排、深水袋装砂及水下抛石控制，通过测量得到高精度水下建筑物图像、位置和高程数据，实现了水下隐蔽工程可视化与定量化分析，起到了较好指导施工的作用；汤小云等［5］将Seabat 8125 多波束系统用于水电站大坝侧面平整度检测，取得了良好效果，为大坝侧面地形测量提供指导依据。

多波束系统对水下地形具有高效探测能力，为了保证测量精度，作业前需要严格进行系统校准，计算系统横摇偏差、纵摇偏差和艏向偏差。 多波束系统校准对水下特征地形要求较高，且需要较长测线。 但是，受大坝下游空间狭窄的限制，校准工作多有不便，甚至无法进行系统校准。 笔者将免校准的便携式多波束系统应用于大坝下游消力池冲刷检测，突破了狭小空间的限制，既方便安装又保证了测量精度。

1 多波束测量原理

多波束测深系统利用回声测深原理，通过换能器的发射波束模块在水中发射声波，接收波束模块获取相应的回波，进而得到从发射声波到回波的时间，然后利用该时间来计算水深［6］。 波束位置计算原理如图1 所示。

图1 波束位置计算原理示意

假设c为平均声速、t为声波在水中传播的双程时间，则

根据几何关系，D、X计算式分别为

在多波束测深中，除需进行换能器吃水改正外，还应进行水位改正，最终水深H计算公式为

通过接收连续的高密度波束点位置信息，获取大坝下游及坝底的地形数据。 对地形数据进行对比分析，找出异常变化区域，从而研判消力池的冲刷现状。

2 多波束测深系统组成

多波束测深声呐是一种大型组合设备，除其系统本身外，还包括定位、罗经仪、姿态传感器、声速剖面仪、数据采集工作站和绘图仪等配套设备［7］。 随着技术和工艺的不断提高，多波束系统越来越向着小型化、便携化趋势发展。 本文试验采用的设备为Teledyne ODOM MB2 多波束系统，其换能器和控制主机均实现了小型化。 Teledyne ODOM MB2 多波束测深系统组成见图2。 该型设备在换能器内部集成了高精度定位定姿系统，因此使用时无须校准。 换能器固定安装了Reson SV P70 实时表层声速测量仪，可以实时进行表层声速改正，使测量精度进一度提高。 该型多波束系统体积小、质量小，方便安装和拆卸，适用于大坝检测、疏浚工程检测等。

图2 Teledyne ODOM MB2 系统组成

Teledyne ODOM MB2 多波束测深系统工作频率为200～460 kHz，波束数10～256，波束开角为1.8°×1.8°，扫宽覆盖角度范围10°～140°，最大频率达60 Hz，最大测深200 m。 利用该设备可对水电站消力池进行精细扫测，获取高分辨率水下地形数据。

3 工程概况

试验区位于某大型水利枢纽工程下游，该枢纽以发电为主，兼顾防洪和航运，自建成投产至今已安全运行十几年。 为了保障混凝土大坝的安全，亟须对大坝泄洪口下游消力池进行检测，排除不安全因素。 主要检测消力池护坦及防冲段，护坦顶面高程30.6 m、长140 m、宽35 m，防冲段检测区域长140 m、宽85 m。防冲段交错均匀分布13 排消力墩，每个消力墩间隔2.5 m，底边宽4.0 m，上边宽2.5 m，垂高分别为0.5、1.0、1.5 m，消力墩顶面高程随防冲段地形升高而逐排增大。 消力池检测区域平面示意见图3。

图3 消力池平面示意

由于检测区域空间狭小，大型多波束测深系统难以发挥作用，因此采用上文介绍的免校准便携式多波束测深系统获取消力池底板高精度水下地形数据，检测消力池护坦和防冲段消力墩有无冲刷破损。

4 试验与分析

4.1 测量流程

因场地狭小，故采用充气式橡皮艇侧舷安装方式，搭载Teledyne ODOM MB2 多波束测深系统对检测区域进行全覆盖测量试验，取得该区域水下地形数据。水下地形测量具体流程如下：①测前充分了解试验区概况，收集试验区水文、工程设计资料；②根据测区范围及工作要求规划测线，平行泄流方向规划13 条测线，测线间距10 m；③将多波束换能器通过安装杆固定到噪声影响较小的位置上，正确连接多波束系统主机与各传感器，准确量取换能器、姿态传感器相对于参考中心的位置偏移；④通过控制软件设置换能器吃水、位置偏移和坐标系统；⑤在测区附近岸边设立GPS 基站，同步记录GPS 数据；⑥进行声速剖面测量，并将声速数据输入数据采集软件；⑦检查各项设置无误后，开始测量工作，并记录原始数据。

4.2 地形分析

测量结束后，将基站数据连同姿态数据进行后处理，获得精化后的姿态和定位成果。 经过数据处理，包括姿态改正、吃水改正、水位改正、声速改正和错点剔除等，构建检测区域数字表面模型（DSM），见图4。DSM 是地表包含了所有地物高程信息的模型表达，它以规则格网的平面坐标（x，y）表示位置，以高程坐标（z）表示该格网的高程，准确描述区域地貌形态的空间分布和地形的高低起伏。 根据DSM 的这一突出特点，通过地形分析，判断检测区域地表形态的变化，对比设计资料即可研判该区域的冲刷状况。

图4 数字表面模型

分析图4可知，护坦表面相对平整，防冲段部分消力墩形态不规则。 为了定量分析消力池地形变化情况，分别对这两个区域采用特征剖面法进行地形分析。护坦特征剖面布设3 条，间隔10 m；防冲段特征剖面沿着消力墩中心位置，共布设13 条。 特征剖面布设示意见图5。

图5 特征剖面布设示意

特征剖面地形提取方法：从剖面线的起始点开始，沿剖面线每隔0.2 m 取一个点，获取所有点的平面坐标和高程值，以起始点为里程原点、里程为横轴、高程为纵轴绘制地形。 护坦1 号～3 号特征剖面地形见图6。

图6 护坦1 号～3 号特征剖面地形

由图6可知，护坦地形高低起伏，说明存在冲刷和淤积的情况。 护坦1 号～3 号特征剖面地形数据统计结果见表1。

表1 护坦特征剖面地形数据统计 m

由表1 数据可知，高程整体差异不大，表明护坦状况良好，但存在不同程度的冲刷和淤积，最大冲刷深度位于2 号剖面，达到0.10 m，沿水流方向淤积厚度逐渐增大。

用同样的方法对防冲段地形进行分析。 以防冲段起始位置4 号剖面、中间位置11 号剖面和结束位置16 号剖面为例，分析消力墩冲刷状况，见图7。

状况良好的消力墩形状反映在特征剖面上应是规则的梯形。 图7 显示，部分消力墩形状不规则，甚至缺失，表明消力墩长期受水流冲刷作用造成了不同程度的损坏。 4 号剖面消力墩中间高程明显高于消力池底高程，说明此处有淤积情况，淤积厚度约0.5 m，此处消力墩基本完好，结合护坦的淤积情况分析，此处的淤积可能是河卵石堆积体。 11 号剖面消力墩存在不同程度受损，16 号剖面消力墩损坏比较严重。

图7 防冲段4 号、11 号、16 号特征剖面地形

统计4 号～16 号剖面消力墩损坏数量情况表明，随着防冲段地势的升高，消力墩损坏程度趋于严重，损坏的消力墩数占总数的36.7%。 应根据设计资料，通过人工摸排或水下摄像确认现状，分析原因，及时采取有效措施排除安全隐患。

4.3 精度分析

Teledyne ODOM MB2 多波束系统集成了Applanix公司的高精度POS 姿态和Trimble 方位一体化测量系统。 冯义楷等［8］已通过试验验证了该系统的精度：基于GNSS 方位辅助惯性导航系统原理及技术，定位精度可以达到优于2 cm 级别，方位角精度可以优于0.01°（依赖于双GNSS 天线之间的基线长度），该技术对水下地形测量准确度提升作用显著。 因此，对于平面定位精度本文不再讨论，只讨论测深精度。

测量区域实际水深3～20 m。 根据《水利水电工程测量规范》（SL 197—2013）的规定：水深≤20 m 时，深度比对互差≤0.4 m；水深为1～10 m 时，测深中误差≤0.15 m；水深为10～20 m 时，测深中误差≤0.20 m；深度比对超限点数超过参加比对总点数的20%时应进行重测。 本文共选取检核点202 个，以互差中误差作为测量误差。测深精度统计结果见表2。

表2 测深精度统计

由表2可知，202 个检核点中，互差小于0.4 m 的点有197 个，占检核点总数的97.52%；互差≥0.4 m 的点有5 个，占检核点总数的2.48%。 除去5 个互差超限的点，互差中误差为7.3 cm。 结果表明，本次试验的水深测量精度符合《水利水电工程测量规范》（SL 197—2013）的规定，检测数据可靠。

5 结论

分析了多波束测深的原理，利用免校准的便携式多波束测深系统，基于地形分析方法检测了消力池的冲刷状况。 便携式多波束测深系统具有高度集成、体积小、质量小、免校准、易安装的优点，在狭长河道具有很强的技术优势，值得同类工程借鉴应用。 多波束系统既可发挥前期探查作用，又可提供定量依据，与人工摸排和水下机器人技术相结合可发挥更大、更有效的作用。