航道整治疏浚工程炸礁工后检测方法分析

2023-03-02吕圣华广东正方圆工程咨询有限公司

珠江水运 2023年2期

◎ 吕圣华广东正方圆工程咨询有限公司

在诸多航道检测方法中，施工单位一般会选择使用单波束测量与多波束测量方法，或者联合软硬扫床检测技术，以此掌握炸礁位置的水下地形情况，但单波束检测方法会因为测点间的间距差异，无法达到全面覆盖检测的要求。所以，有必要在炸礁后采用多波束技术，使水深测量探测从“点线”测量发展为“线面”测量，通过检测技术的应用，降低施工安全风险，提升作业效率，为其他疏浚或航道整治工程的炸礁施工提供借鉴与参考。

1.水下炸礁工艺

一般情况下，深水港口航道建设与运行常会遇到礁石阻碍，给航道整治与疏浚工程施工带来麻烦，需根据礁石的实际分布情况采取炸礁措施，排除礁石带来的安全隐患。航道整治工程中的建筑物常常位于迎流顶冲位置，伴随着河床的变化与水流的不断冲刷，建筑物四周容易损毁，随着损毁的加剧，航道建筑物将会存在安全隐患。在炸礁之后的礁石清理环节，需要采用相应检测技术判断礁石所在的位置，根据礁石分布情况，联合水下水深地形条件进行施工安排，提高现场施工安全技术，从而高效完成炸礁施工作业，给航道疏浚与整治工程建设创造良好的条件。应用检测技术扫描水下炸礁后的宽度，判断水深情况，掌握炸礁作业效率，从而提高后续工程施工进度[1]。

2.航道整治疏浚工程炸礁工后检测方法应用

2.1 多波束检测方法

2.1.1 工程概况

某流域的炸礁工程中，航道里程共计101.2公里，按内河Ⅱ级航道通航标准建设，航道设计尺度为3.5米×80米×550米（航道水深×宽度×弯曲半径)。主要建设内容包括疏浚、炸礁、筑坝、护岸、航标、信息化及配套工程、跨河缆线工程等，全线共整治滩险43处。工程决定主要采用多波束地形扫测技术，联合三维图像声呐检测方法，实现对炸礁后的工程检测，确保航道通行效果[2]。

2.1.2 多波束水下地形扫测

多波束探测系统适合用于范围较大的航道中，且测量精度较高，最终可生成三维图像，目前该技术已经被人们用于航道整治工程中的建筑物检测与水下地形检测中，对于细节部位有着较高的识别度，能够修正检测结果对于船舶姿态造成的不利影响。项目采用多波束测深系统，这是一种Sea Bat 7125 SV2型高分辨率声呐系统，在测量点处固定安装多波束检测装置，联合7K Control软件与PDS2000软件完成数据采集工作，对各处传感器有效控制，完成数据采集与显示等工作。检测期间，先建立测量项目，数据采集过程大致如下：首先，新建项目之前利用可以控制测区的控制点，计算各项参数；其次，采用直线段取范围线，将其保存成dxf的格式，随后新建检测项目；最后，打开控制软件，选择适合当前水深的频率，比如400kHz，设备科自动采集数据。软件中的Realtime可向工作人员显示画面，比如检测到的平面图与立面图[3]。

2.1.3 数据处理

Caris软件处理采集到的数据，相应操作流程如下：（1）建立船型文件，文件日期为检测开始之前的日期，文件可用于将多波束系统指出传感器安装的位置与偏转角等信息。（2）新建项目工程，日期为检测当天的日期。导出检测文件，打开新建工程，添加当日潮位与剖面声速文件，将所有数据进行融合处理。（3）选中导入的测线文件，截取部分剖面，使其在不同的视图之下做出条带编辑，剔除其中的跳点。（4）建立表单文件，可同时建立多个文件，从而获得横道某个区域的具体水深数据。（5）建立基础曲面，选择某个比较狭小的剖面，在平面视图与三维视图下分块编辑，从中剔除跳点。（6）将未扫描到的区域采用内插的方式得到巷道水深数据，完成数据输出，要求输出1m的格网水下地形数据。图1为数据经过处理之后的三维成果图。

图1 立体成果图

2.1.4 成果质量检验

为检验多波束技术应用后炸礁工艺效果，本项目同时也会联合以往的扫床方式完成工程质量检验。现阶段巷道整治工程中的硬扫床主要有横式扫床与顺式扫床两种方式，需要按照水位与水深情况，联合炸礁工艺特点确定具体内容。本项目中炸礁施工电位的汛期流速超过了1.5m/s，炸礁区有设计炸礁边坡，为了保证周围安全，本文从安全角度入手，决定选择大型作业船展开横式扫床的检测作业，前期确认水深后，掌握水深是否达到了设计标高，以此为基础将工程船看作是扫床作业平台，杆上设置扫床架完成横式扫床工作，整个工程船主要包含2根主缆与左右4根横移钢缆，从而对船位加以固定，依靠左右横移钢缆达到船位移动的扫床效果。

为了进一步验证炸礁区域的炸礁施工效果能否达到技术规范，保证扫杆下的水深与扫床质量，实现扫测范围的全面覆盖，本项目决定采用的技术要点如下：（1）采用横竖杆与斜支杆组装扫床架，中部位置额外增加横杆，以达到加强的作用，提高入水部分的强度。（2）底部扫杆重叠一根架杆，焊接在一起，避免扫杆在水流的影响之下发生受力变形问题。（3）扫床架横扫杆的位置可以使用1根较细的钢缆，钢缆绳可用于树枝扫杆应用中变形问题的检测分析。（4）根据检测的实际情况的，对扫测船的侧锚走向做出调整，确保扫测船此时可以达到最佳扫测模式，实现检测范围的全面覆盖，同时保证检测工作的安全可靠。表1为本次扫测后的最大宽度与分辨率情况。

表1 最大扫测宽度和分辨率情况统计

当前施工单位应用的是多波束系统，可以一次性发射攻击512个声波波速，在等距模式下，波束的扫测角度最大可以达到140°，处于不同的水深情况下，测量宽度与分辨率也会有所不同。比如在水深达到30m的时候，经过3次防腐检测可以达到3.6m的测量点间距，此时可以检测到炸礁之后的细小礁石，掌握当前水下地形情况，为细小礁石清理与航道疏浚工作的开展创造有利条件。

对于作业效率的检测，过去的硬式扫床需要在单波束技术下对水下地形进行初步的检测分析，在没有找到浅点的情况下开始硬式扫床，但是扫描床会根据揽胜的收放情况做出移动调整，整体移动比较缓慢，扫床的同时水位会有较大的变化，此时人们要根据水位情况做出扫杆入水深度的及时调整，此时的扫床作业效率比较低。对此，在多波束检测系统的应用下无需先展开单波束的地形测量，可直接扫床，将船的速度控制在每小时低于10km的速度即可，测量时系统会按照GPS测量得到的水面高度做出水位补偿，从而有效提高作业效率[4]。

2.2 水下探摸摄像检测方法

该检测方法一般需要搭建专业摄像平台，将摄像机和水下电视进行连接，操作人员可以按照监控系统对潜水人员加以指挥和安排，顺着定位轨迹完成炸礁后的各项检测作业。潜水人员和操作人员会相互沟通当前水下实际情况，同时完成水下摄像取样工作，如果炸礁后发生了被沙淤埋的问题，可采用高压水枪进行清理，然后再继续摄像作业。潜水人员会按照实际检测情况制作检测报告，检测人员会按照报告内容组织相关资料，为接下来的炸礁后施工安排提供更加科学准确的检测结果。水下摄像系统检测技术可以直观的进行检测工作，人们可清晰的看到炸礁之后的水下构筑物当前状态，潜水人员清除水下障碍物时刻根据水下摄像检测结果，完成各项施工作业，但是该项检测技术容易受到水流流速与水深等因素的干扰，或者构筑物淤埋情况也会影响检测效果。因此，可将该检测技术与其他技术联合使用，最大程度上提高检测效率。

2.3 三维图像声呐检测法

在采用三维声呐检测方法之前，人们应用的二维图像声呐检测方法，即通过发射声波在物体与河床表面的吸收与反射等情况，一部分散射能量会沿着声波的发射方向回到换能器，设备会对这部分能量接收，同时声呐的探头会按照一定的角速度绕着竖直轴完成旋转，每一次都会重复声波发射与接收的步骤，完成对周围目标扫描探测分析，但是该技术只能完成简单距离下的测量工作，对于复杂的水下情况，炸礁之后的检测工作应当使用三维声呐检测方式。

三维图像声呐系统也被叫做“水下三维全景成像声呐探测系统”，系统可以直接生成水下地形情况与目标物图像，图像分辨率较高。三维图像声呐一般是在声学闪耀阵列的作用下，将频率不同的声波按照相应的角度成功辐射为扇面，频率不同，所对应的辐射角度也会不一样，声波在经过目标反射之后将会被专门的声学接收器成功接收，为后续检测人员的研究分析奠定基础。图2为三维声呐检测效果图。

图2 三维声呐检测效果图

三维图像声呐在低于30m的范围之内，测量的长度误差可以达到4cm以下，角度误差不会超过1°。球星扫测一周需要10分钟左右的时间，时刻用于范围较小的定点扫描，不适宜进行动态扫描分析，最终得到的三维立体图像可以帮助检测人员识别更多细节内容。但该技术扫测范围较小，不适合完成炸礁后水下建筑物整体状态的检测分析，必须在建筑物周围同时设置不同的测量点，整体数据量采集与分析工作量较大。单站测量环节，扫描过程必须达到测量基准相同，测量时对于数据平台的安全性与稳定性要求比较高。在面对淤埋构筑物的时候，建议使用多波束检测方法。

2.4 三维高分辨率多道缆地层剖面系统检测方法

这一检测方法主要依靠了相应的地层剖面系统，系统包含电源箱、震源、水听器缆以及采集单元等部分构成，系统可用于海水和淡水环境下，检测后能够得到高分辨率三维数据，穿透力可达到河床之下300m位置的深度，这是过去浅地层剖面仪无法达到的穿透深度。当炸礁后河道整治工程与疏浚工程对于水下剖深与分辨率有着较高的要求时，多数操作人员都会使用电火花剖面系统完成检测工作。

三维电火花剖面系统所提供的是针对底层沉积与掩埋物的三维图像，可对于埋在水下的物体做出目标探测，例如对水下管道和锚链检测分析。过去人们在二维图像中只能依靠多年经验做出水下目标物位置与埋深的判断，或者工作人员经过多条测量线的测量分析后才能依靠特定软件处理相关数据。但是三维电火花剖面系统不一样，系统可以向工作人员提供更加直观的水底掩埋的目标物图像。在航道疏浚工程中，炸礁工艺后采用该系统可以获得较好的勘测效果，航道疏浚工程勘测工作中，三维电火花勘测系统要求船体长度达到25m以上，宽度达到6m以上，船体尾部要按照船只的实际情况来决定，船只运行时噪音与动力之间成正比，所以建议应用转速偏低的推进器。