【学术论文】多波束水下探测系统在大坝消能设施检测中的应用- 大数跨境

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2023-01-12

导读：多波束测深系统在如今水下检测中的应用已是十分成熟，在同类型电站水下作业中可进行推广运用。

文 / 徐申勇（云南华电鲁地拉水电有限公司，云南昆明 650228）

摘要：研究多波束探测技术在大坝消能设施水下部分检测中的应用，结合鲁地拉水电站坝后水下检测项目开展，通过采用多波束探测技术，检测了汛后水下消能设施的破坏情况，与上次检测结果进行对比分析，及时掌握了消能设施的运行情况，为水工建筑物检修提供了重要依据。同时以多波束测深系统应用于水电站效能设施水下检测为实例，成效显著，说明多波束测深系统在如今水下检测中的应用已十分成熟。

关键字：多波束探测系统；水电站消能设施；水下测量；地形测量

多波束水下探测系统在大坝消能设施检测中的应用

引言

大坝消能设施［1］主要包括消能台阶、消力戽、尾坎、下游护坦等建筑物，是水电站大坝建筑物的重要组成部分。消能设施的好坏不仅影响着大坝本身的安全稳定，对于下游沿岸居民的生命财产安全也起着至关重要的作用。随着大坝服役年限的增长以及泄洪期间的不断冲刷，消能设施的性能也会逐渐衰减，所以日常的巡视检查及安全检测显得十分必要。然而，部分消能设施常年淹没在水下，肉眼无法检查，目前多波束探测技术在大坝消能设施水下检测中的应用已十分广泛。

多波束探测系统单元及工作原理

1.1 系统单元

多波束探测技术在水下探测作业中运用非常广泛，在水电站水下探测运用也较为方便。从设备组成来看，主要包括系统主设备、定位装置、传感器、声速辅助装置等 5 个单元。多波束换能器决定了探测系统数据分辨率，差分 GNSS 接收机负责系统定位，传感器实时采集测量船的姿态及航向数据，声速剖面仪测量声速剖面数据，用于校正声速曲线。除此之外，辅助设备还包含了导航和数据处理软件［2］。

常用的多波束探测系统型号为 R2Sonic 2024，该系统主要通过波动物理原理的“相控阵”方法，能够很准确地定位 256 个波束中每个波束的位置，其指向性可控制到 0.5°。然后根据每个波束位置上的回波信号用振幅和相位方法确定深度［3］，同时，具备 True Pix 功能，可以直观得到水下地形及其类型等图像资料。该系统主要技术参数见表 1。

1.2 技术原理

多波束探测系统通常我们也习惯性称之为声纳阵列探测系统。随着多波束测深技术的不断发展，现在已相对成熟。主要体现在波束数增加、波束宽度变小、总扫描宽度变大等特点。比如1997 年的首台 Sea Beam 系统波束数只有 16 个，而目前已经增加到 100 多个；波束宽度从原来的2.67°减到目前的 1°至 2°，总扫描宽度已经增大到近 180°。不仅如此，实际运用功能也变得更加强大，目前多波束测深系统不仅实现了测深数据自动化和绘制水下彩色图等功能，而且可以利用多波束声信号进行侧扫成像，提供直观测时水下地形特征［4］。

多波束探测系统是利用超声波原理进行工作的，在这方面，其原理和单波束的一样，但不同的是多波束系统信号接收部分由 n 个不同角度且相互独立的换能器完成，所以每次能采集到 n 个不同的测点信息［5-8］。

检测流程及方法

2.1 检测流程

在检测过程中，先采用多波束探测技术对消力设施（水下部分）进行全覆盖检测，获取水下部分混凝土结构三维数字化信息，探明磨损情况，异常的规模以及分布部位。针对发现的混凝土缺陷，可以再采用水下机器人配合进行近距离的观察。

2.2 多波束检测方法

2.2.1 定位辅助工作

在检查正式开始之前，需要收集大坝独立坐标系的相关参数及资料，因为多波束水下探测设备使用 RTK GPS 定位技术提供空间定位的相关参数，并且实测数据定位成果将换算至大坝独立坐标系。在工作现场，首先将 GNSS 接收机的基准站架设在人员干扰相对较少的开阔区域并架设稳固，同时，使用 GNSS 接收机的流动站对大坝独立坐标系的控制点进行同步静态测量，测量成果将作为坐标框架，最后，完成实测数据定位坐标系与大坝独立坐标系之间的转换参数及高程的换算，同时，应确保 GPS 定位成果的精度符合相关规范的要求。

2.2.2 水下部分全覆盖检查

多波束探测技术检查过程 3 个步骤：测前试验、测前准备以及数据采集。在开始测量前，对设备进行系统全面检查、测试和校准；启动探测系统主机，输入观测、水声速等参数、按照工作方案生成导航测线；数据采集，根据已有资料估算测量起始点水深，启动并保持数据采集状态进行水深探测。过程中需要注意的是探测船要按照计划的航线尽可能保持直线航行，并做好数据采集过程记录。

测线间距以相邻两测线覆盖范围重合至少20% 为原则选取，原则上测线间距不大于 20m，同时，在多波束探测系统采集数据过程中，应不间断进行水位变化测量，采样间隔不超过 5s，同时，应进行水声速剖面测量，相邻两个水声速剖面的测量间隔时间不应超过 6h。

2.2.3 数据处理

外业工作采集结束后，进行内业数据处理。采用 Qinsy 数据采集软件以及 CARIS HIPS and SIPS处理软件同时进行，实测数据的处理主要包括：实测数据的姿态校正处理、实测数据噪音干扰预处理、各条测线实测数据合并。完成数据合并后，还需对得到的水深及位置进行精细处理，为保留更高精度的水深数据，需要对两条相邻测线重叠覆盖范围的噪音干扰进行逐一筛选、删除，最后，绘制等深线图以及典型测线地形图。

应用案例

3.1 工程概况

鲁地拉水电站位于金沙江中游流域，大坝类型为碾压混凝土重力坝，主要工程枢纽建筑物包括：挡水建筑物（重力坝）、泄水建筑物（溢流表孔、底孔）、引水建筑物（引水隧洞）、右岸地下主副厂房和开关站等建筑物，水库具有日调节功能，汛期闸门启闭较为频繁，消能设施同样也承受较大的压力。水电站主要采用宽尾墩 + 溢流台阶 +戽式消力戽的联合消能方式，建成投入使用以来消能台阶出现不同程度的损坏，为确定水下部分消力戽的运行工况以及完好程度，特考虑采用多波束水下探测技术对坝后消力戽水下部分进行全面检查，为下一步消能工检修维护提供参考依据。

3.2 工作布置

项目多波束探测测线以两相邻测线扫测范围至少有 20% 重合为原则进行布设，测线尽量保持直线，特殊情况下，测线可以缓慢弯曲，同时，重点区域可进行多次重复观测。

3.3 检测成果分析

3.3.1 检测成果

鲁地拉水电站消力戽水下检测项目，采用多波束检测技术对消力戽、尾坎下游局部水域进行水下全覆盖精细扫描，以点云数据为基础生成三维曲面图，用以了解消力戽水下部分混凝土结构表观缺陷的分布部位及规模；对消力戽尾坎下游水域做了宏观描述和数据展示。

采用侧扫声呐检查技术对消力戽水下部分进行全覆盖检查，获取水下混凝土结构的影像信息，对多波束三维检查成果进行相互验证。

3.3.2 成果分析

鲁地拉水电站消力戽范围内，左导墙 ( 水下部分 )、右导墙 ( 水下部分 ) 以及尾坎未发现明显大规模混凝士表观损伤现象；左导墙与护坦之间、右导墙与护坦间接缝良好。在消能台阶以及护坦发现了多处异常区。

结语

多波束探测系统在水下检查中的应用，使得目前的测量技术日趋完善，检查手段更加先进，工作强度及风险大幅降低，工作效率得到显著提高，实现了水下地形测量的自动化。以多波束探测系统应用于碾压混凝土重力坝消能设施水下检测为实例，成效显著，说明了多波束测深系统在如今水下检测中的应用已是十分成熟，在同类型电站水下作业中可进行推广运用。

【参考文献】

［1］张丽，韩菊红 . 水电站［M］. 郑州：黄河水利出版社，2009.

［2］郑辉 . 多波束与侧扫声呐在水下探测中的运用［J］. 中国新技术新产品，2020,（10）: 34-36.

［3］周治祥 . 多波束测深技术在锦屏二级水电站坝后冲刷分析中的应用［J］. 大坝与安全，2021,（1）: 25-27.

［4］程志强，冯敏多 . 波束测深技术在矿山生态修复治理中的实践探讨［J］. 浙江国土资源，2020,（3）: 46-47.

［5］全小龙，张志林，樊乾和 . 声纳系统在三峡工程明渠截流中的应用［J］. 人民长江，2003,（S1）: 20-21.

［6］马耀昌，惠燕莉，李自斌 . 多波束测深系统在炸礁竣工测量中的应用［J］. 科技信息，2008,（28）: 351-353.

［7］赵善群，谢泽民，严华 . 多波束测深系统在向家坝水电站围堰测量中的应用［J］. 科技信息，2012,（7）: 154-155.

［8］汪劲松，李平，全小龙 . 明渠截流水文监测中的高新技术及应用［J］.人民长江，2003,（S1）: 11-12.