多波束測深技術在護岸工程運行監(jiān)測中的應用

　　摘要:文章通過使用多波束測深技術對新生洲頭導流壩附近工程區(qū)域不同時期測量效果圖的疊加比較，準確分析了造成工程區(qū)水下隱蔽工程結構變化和沖淤變化的原因，并能夠有效評價護岸工程的施工質量，監(jiān)測工程的運行狀態(tài)，充分展示了多波束測深技術與單波束技術相比的優(yōu)勢，為今后類似的工程運行監(jiān)測應用提供借鑒。

　　朱相丞; 彭廣東; 王子俊; 包敏; 楊樾， 水利技術監(jiān)督 發(fā)表時間：2021-08-13

　　關鍵詞:多波束測深;護岸工程;監(jiān)測;應用

　　多波束測深系統(tǒng)最早起源于20世紀60年代，美國海軍在軍事研究項目中進行研究開發(fā)，于1976年成功發(fā)明了第一臺多波束測深系統(tǒng)SeaBeam，我國于20世紀70年代開始多波束測深相關技術的研究，目前國內技術應用的開發(fā)仍處于理論研究階段。通過多年的應用實踐，多波束測深技術已經(jīng)廣泛應用于水下地形測量、沉船特征分析、航道沖淤計算、水下建筑物監(jiān)測、河道堤防監(jiān)測等方面，文章將重點探討該技術在護岸工程運行監(jiān)測階段的應用，分析該技術在實時監(jiān)測方面的作用，為今后類似工程應用提供借鑒。

　　1工程概況

　　新濟洲河段位于長江南京河段進口，由于其地理位置的特殊性，該河段的河勢極大影響著整個長江南京段的河勢。近年來，上游來水來沙條件變化以及馬鞍山河段河勢演變等不確定因素對新濟洲河段特別是新生洲洲頭段產(chǎn)生了較為不利的影響，為保障新濟洲河段及南京河段的穩(wěn)定，長江南京河段新濟洲河段河道整治工程[1]于2013年正式實施，該工程由河勢控制工程以及護岸工程兩大部分組成。其中，新生洲頭導流壩工程是整個新濟洲河道整治工程最后一個標段工程，工程目標為以現(xiàn)有河勢為基礎，通過導流壩的建設加強洲頭防護，并通過加強左岔水流分流比的方式改善分流比[2]，工程新建導流壩389m，采用了砂肋軟體排護底、袋裝砂筑壩、網(wǎng)兜拋石防護、格賓石籠壩面防護等工藝，2015年12月開工，2016年5月完工。

　　2多波束測深技術應用分析

　　新生洲頭導流壩工程區(qū)別于以往水下護岸工程，作為長江中下游地區(qū)罕見的導流壩工程，在完成建設實施后需通過運行監(jiān)測了解壩體的安全、穩(wěn)定情況。文章采用目前水下測量技術最為先進的美國公司生產(chǎn)的2024型號多波束測深系統(tǒng)對導流壩及其附近區(qū)域水下地形進行掃測，并通過疊加對比工程前后和汛期前后的多波束掃測圖，對工程施工后的地形變化和運行情況進行評價分析。

　　2.1水位觀測及地形高程計算原理

　　水下地形測點高程的計算需結合水位觀測進行，因此需在測區(qū)附近布設水位站1個，同時布設直立式直讀水尺。水位記錄通過人工觀測潮水位的方式進行，觀測的起訖時間應完全覆蓋水下地形測量時段。潮位觀測漲、落潮均按每15min觀測1次，在高低平潮期間每10min觀測1次，潮位觀測讀至厘米。

　　潮位站的水位觀測值均在監(jiān)測過程中進行了潮位計算及校核，并繪制成相應的水位過程線做合理性分析。水下點高程由所在斷面的即時水位減去測點水深獲得，本監(jiān)測的高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準[3-6]。

　　2.2導流壩及其附近區(qū)域監(jiān)測分析

　　為了解壩體運行效果以及對周邊河勢調整的作用，并考慮2016年長江流域性特大洪水對壩體產(chǎn)生的影響，相關單位分別于2015年12月3日(工程施工前)、2016年6月15日(工程施工后汛前)、2016年11月1日(工程施工后汛后)3個時間點對導流壩及其工程附近區(qū)域進行多波束掃測，3次測量的效果圖分別如圖1—3所示。

　　由圖1和圖2可知，由于導流壩工程位于新生洲頭，為多股水流匯合處，水流條件復雜，河床沖淤頻繁，工程采用砂肋軟體排、水下拋石施工定位難度大，施工環(huán)境也比較復雜，新生洲導流壩工程右側壩根水下河床出現(xiàn)3處較為明顯的沖刷坑，壩下游形成-5m的沖刷區(qū)，對壩體穩(wěn)定產(chǎn)生危害。

　　根據(jù)圖3，導流壩右側壩根水下河床出現(xiàn)的3處沖刷坑，其中近壩腳2處，大小分別為42m×20m×2m(長×寬×深)、45m×18m×3m(長×寬×深)，根據(jù)沖刷坑位置以及走向，近壩段形成沖刷坑可能與砂肋軟體排搭接有關;砂肋軟體排護底外側拋石區(qū)1處，大小為46m×30m×3m(長×寬×深)。

　　鑒于此，又分別對2015年12月3日、2016年6月15日、2016年11月1日3個時間點的多波束掃測效果圖進行前后時間段的疊加比較，得到3張沖刷對比效果圖，如圖4—6所示。

　　結合以上監(jiān)測結果可以對導流壩工程及附近沖淤情況進行分析。

　　由圖4可知，導流壩壩體軸線上游以及壩體掩護區(qū)大部多為淤積狀況，而在新生洲右岔順水流方向、沿壩體頭部邊緣等處出現(xiàn)了一連串的沖刷狀況，并形成了3處較為明顯的沖刷坑(圖中黑色區(qū)域)。根據(jù)以往經(jīng)驗，出現(xiàn)沖刷坑的主要原因一般可分為水力因素、河流因素、設計因素這3類。根據(jù)數(shù)據(jù)及圖表分析可知，本次局部損壞是由水力因素導致，特別是右岔進口順水流方向成為沖刷最為顯著區(qū)域。近壩頭處的沖刷坑形成原因主要考慮為受導流壩建成后周邊局部范圍流態(tài)改變影響，壩頭區(qū)域及壩頭前右側臨近水域受壩身挑流作用影響，均成為流速增加區(qū)域，且該區(qū)域水深較深，空間流場復雜，流向紊亂，因此壩頭左側位置在連續(xù)受到來自橫向的環(huán)流以及來自斜向的水流強烈沖擊下，覆蓋在壩體表面的塊石也逐步被沖刷帶走，用于護底的砂肋軟體排在陽光照射及水流直沖下受到破壞，形成缺口。此外，在施工過程中，由于排體布置方向近似于垂直水流方向，且排體鋪設時的方向為由內而外，這也致使在水流沖擊下軟體排搭接處會被掀起，軟排體下側邊緣遇到水流的沖擊造成損壞，繼而不斷擴大沖深。而在護底外側造成沖刷的原因主要為壩體建成后網(wǎng)兜拋石防護不及時以及壩體建成后右側水流流速加快，對河床加大了沖刷程度[7-9]。

　　圖5顯示了區(qū)域大部呈現(xiàn)沖刷狀況，而在左岔導流壩邊緣以及導流壩壩體掩護區(qū)的小部分范圍內依舊出現(xiàn)了淤積狀況，造成這一結果的主要原因是汛期水流量急劇加大，并且水流呈現(xiàn)紊亂不規(guī)則的狀況;而相較于圖4來看，出現(xiàn)顯著沖刷狀況的范圍由右岔導流壩邊緣一帶向下游方向有所移動，造成這一結果的主要原因考慮為汛期水位較高，新生洲左岔水流漫過導流壩的壩頂，橫流作用明顯，且受堤身挑流影響，左岔漫頂?shù)乃髁魉佥^大，且與進入右岔的水流在導流壩壩頭護底周邊交匯，受兩個方向水流共同影響，壩頭沖刷坑區(qū)域的沖刷程度大大加深，由此可判斷，新生洲洲頭導流壩及其附近區(qū)域在砂肋軟體排沉排施工后，由于汛期水流沖刷和沉排方位的緣故，部分區(qū)域未達到預期的設計效果，長此以往，壩體損毀程度仍將不斷加大，故需對這3處沖刷坑進行填充加固。

　　3多波束應用效果分析

　　目前，護岸型式運行效果的監(jiān)測，主要仍采用單波束回聲測深儀來獲取水下地形高程數(shù)據(jù)，并結合潛水員潛水探摸水下工程運行情況。但傳統(tǒng)的單波束測深儀無法實現(xiàn)高精度、全覆蓋測量，即使是潛水員水下探測也無法獲得直觀、全面的數(shù)據(jù)記錄。

　　文章通過多波束測深系統(tǒng)的運用，使以往對于水下隱蔽建筑物主要依靠人工判讀分析的情況得到極大改善，克服了以往單波束測深系統(tǒng)僅能得到的點線式測圖的劣勢，多波束將測圖發(fā)展為面狀，并最終生成高精度的三維地形掃描圖，進而使水下地形測量技術發(fā)展到一個較高的水平。多波束測深系統(tǒng)通過多組陣和廣角發(fā)射接收，可得到海量水下高程數(shù)據(jù)，是集成全球定位系統(tǒng)和電子傳感器系統(tǒng)等多種先進技術的新型水下測量技術。水下成像技術由于其直觀性、分辨率、可讀性等明顯優(yōu)勢，可以清晰看到水下結構物的具體形態(tài)，能有效克服傳統(tǒng)水下探摸技術無法得到全面、直觀數(shù)據(jù)的缺點。近年來，水下成像探測技術受到國內外的廣泛重視，并取得了較大的研究成果[10-12]。

　　4結語

　　多波束測深系統(tǒng)憑借其速度快、覆蓋面廣、測量精度高等優(yōu)勢，近年來被廣泛應用于水下地形檢測以及工程運行實時監(jiān)測等領域。通過分析對比多波束測量的新生洲頭導流壩工程試運行期水下地形以及沖刷對比數(shù)據(jù)可知，多波束測深技術在河道護岸工程施工后的質量控制和運行監(jiān)測發(fā)揮了重要作用，相較于傳統(tǒng)的單波束測深技術而言，多波束技術測得的高精度、高密度的海量數(shù)據(jù)可精確分析水下護岸建筑物的結構變化和工程區(qū)域地形變化，未來可以在更多的水下隱蔽工程運行監(jiān)測階段投入應用，為工程定期“體檢”發(fā)揮作用。