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水工建筑物水下结构检测中三维声呐系统的应用

2020-06-23 458 上传者：管理员

摘要：近年来，有较多的先进光学、声学探测设备投入到水下检测中来，如水下高清摄像机、水下激光成像、水下多波束测深系统、侧扫声呐等，但这些设备都存在一定的使用限制条件，而三维声呐技术，操作便捷，安装方便，可以通过处理软件实时显示水下结构的三维图像。通过三维声呐在水闸等水下结构检测中的应用，表明其具有较高适用性及工作效率，可以对整体结构及淤积情况具有清晰直观的了解。

关键词：
三维声呐系统
检测
水下结构
水工建筑物
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1、概述

目前，国家对于水工建筑物的维修与加固投资逐渐加大，如何对水工建筑物维修加固、改建或重建提出科学合理的决策，这就需要对水工结构进行安全检测并评价其安全类别。其中，最重要的是做好水工结构的安全检测工作，检测结果不但是评价水闸的重要依据，也是复核计算的基础。

常规的水闸工程安全检测工作，主要分为水上、水下检测两部分。其中，水上结构包括中控室、交通桥、圆弧翼墙、护岸挡墙等部分，可以通过直观的检测手段如目视、摄像等，也可以用全站仪测量，取芯室内抗压试验等方法检测水闸现有状况。对于隐患情况的探查，如渗水、塌陷等情况，可以通过综合物探的方法（高密度电法、地质雷达法等）解决。

水闸工程水下结构指常水位时位于水面以下的结构，如水闸闸室、消力池、护坦、防冲槽等。主要问题有混凝土结构表面破损、裂缝，钢筋裸露锈蚀、止水分缝破损、渗水，底板混凝土冲刷或者闸室及航道内淤积等情况。长期以来，水利工程的水下探测工作主要凭借潜水员的水下作业技能、经验进行判断，较多依赖于水质清晰度及双手触觉，通过探摸辨识水下结构异常情况，并通过实时对话进行描述记录[1]。近年来，有较多的先进光学、声学探测设备投入到水下检测中来，如水下高清摄像机、水下激光成像、水下多波束测深系统、侧扫声呐等，但这些设备都存在一定的使用限制条件。

2、水下结构检测难点

(1）采用人工水下探摸时经常会遇到作业条件受限，如水流过急或水下能见度较低；作业时间受限，潜水作业不能满足长时间大面积检查工作任务；作业深度受限，适合人工探摸作业有一定潜水深度要求，如水库、大坝蓄水较深时人工难以完成任务；另外，潜水员对于水下结构的熟悉程度及专业知识储备有限，探摸会受主观因素影响，描述缺乏可靠性。

(2）采用光学、声学设备时，针对水下渗漏、锈蚀、裂缝、冲坑与淤积等问题，只能做到“定性不能定量，定点不能定面”。如水下摄像，虽然操作方便简单，但是检测结果依赖于相机成像效果，并且极大地受制于水质情况。如水下激光成像方法，因为激光在水中会发生散射能量损耗较大，所以成像范围较小，只能定点检查，不能大面积的检查。多波束的声信号传播到垂直面时，小部分原路反射被换能器接收，大部分会由于垂直面的不平整导致反射到底面，然后部分声信号经过二次反射，再被接收换能器捕捉，这样会在垂直面出现声信号空白区域，无法判断是否由于冲刷淘蚀等原因造成。侧扫声呐只能获得二维地貌声图，难以量化冲刷缺陷、淘蚀等尺寸[2]。

本次采用三维声呐技术，操作便捷，安装方便，可以通过处理软件实时显示水下结构的三维图像。

3、三维声呐系统介绍及其特点

三维声纳可进行水下全景声呐扫描成像检查，利用声呐穿透表面附着物，生成高分辨率的3D全景图像。基本工作原理是三维成像声呐系统向目标区域发射声信号，利用声成像方法对接收到的回波信号进行处理，获得一系列二维图像，直接采集到目标外形轮廓的水平（X）、垂直（Y）、高度（Z）三个方向上的数据，同时获得目标物材质等更多细节描述。一次成像过程可同时获得振幅图像和距离图像，通过自动计算将这两类声呐图像进行处理合成，最终形成目标体的三维影像[3]（见图1）。

图1 三维声呐检测原理示意图

BV 5000水下三维声呐系统是一款紧凑轻便的声呐系统，工作频率为1.35 MHz，扫描范围为1m～30m，可在低能见度或者零能见度水下环境中开展作业，利用高分辨率声波技术形成精细的水下三维图像点云数据，点云图精度最小可达1.2 cm（软件技术手册）。特别适用于复杂水下结构、三维场景的区域勘测和堤坝、管道等检查。BV5000水下三维声呐系统仪器设备见图2，设备主要技术参数见表1。

图2 BV5000三维声呐系统

表1 BV5000主要技术指标

对BV 5000水下三维声呐数据进行处理时，可以通过软件设定同一站位上采集到的所有点云数据自动合并，以增加三维点云数据的精度；对于相邻站位间的三维点云数据，则可通过两次检测数据间共有特征物点云数据进行匹配，从而实现不同站位间三维点云数据的合并。利用专业点云数据后处理软件，不仅可以进行点云数据的清错点、删噪点等测站检测数据后处理工作，还可实现不同测站间检测成果数据的拼接融合；并对最终成果点云数据进行浏览、判读，精确量测异常情况的位置和发育情况。

4、工程应用

本次鉴定的水闸为单孔闸，闸门孔口净宽4 m，工程为Ⅰ等工程，水闸主要建筑物为1级建筑物，其它永久性建筑物为3级建筑物，临时建筑物级别为4级，其主要功能是防洪挡潮、引水、排涝等。水闸工程范围顺水流方向长118 m，主要有内外河防冲槽、内外河海漫、内外河消力池和闸室等组成，闸室采用钢筋混凝土坞式结构，水闸引水流量40 m3/s，排涝流量35 m3/s，内外河消力池均采用钢筋混凝土U型结构，内外河海漫段、防冲槽段采用浆砌块石护面，两岸为斜坡，坡度为1∶2。

使用三维声呐系统作业可以采用两种方式，一种是固定测站式，一种是移动测站式，移动式需要水下机器人携带设备沿设定航线行进，通过机器人的定位信息将采集数据拼接，从而形成三维图像，但是移动测站式对于水下定位信息要求较高，且操作水下机器人较为复杂。本次检测采用固定测站式，共布设有效测站4站（见图3）。作业时BV 5000水下三维声呐系统由定制支架底座支撑，通过人工岸边吊放完成检测作业。BV 5000三维声呐系统采用水底定点扫描检测作业，通过多站位检测数据组合拼接，最终实现对水闸工程水下结构的全覆盖检测。

图3 测站布置示意图

经外业测站检测数据后处理和站间后处理数据拼接融合，获得水闸内侧声呐检测成果数据，并生成检测成果点云数据模型，见图4～图6。

图4 水闸内侧点云数据概略图

图5 水闸内侧点云数据平视图

图6 水闸内侧点云数据俯视图

经点云数据模型浏览研判，水闸内侧水下声呐检测数据质量及站间检测数据拼接融合状态良好，最终检测成果点云模型完整、良好。水闸内侧各水下结构完整，闸室底板、导流明渠立墙未见明显破损，消力池结构完整，检修闸门门槽状态完好，闸室底部各处未见明显淤积，水下结构整体状态良好。对于细部结构如岸坡台阶、闸室两侧门槽及闸门结构等，均能清晰可见（见图7、图8）。

图7 水闸内侧河道岸坡台阶点云数据

图8 水闸内侧检修闸门门槽及闸门结构点云数据

通过三维声呐技术检测到水下结构的情况，根据以上信息进行水闸稳定安全复核、翼墙结构安全复核、堤防整体稳定安全复核、消能防冲能力复核计算等，最终确定水闸评定等级，为水闸下一步运行维护提供依据。

5、结论与展望

(1）三维声呐系统固定测站式作业时，应提前了解现场情况，通过比较三维声呐系统最优扫描范围及目的检测范围，确定测站位置及点数，有利于数字成果优化。(2）可以将三维声呐系统与多波束及侧扫声呐扫测相结合，既可以弥补多波束和侧扫声呐部分区域数据缺失的问题，又能实现浑浊水体下水下结构细部情况探查。(3）三维声呐检测成果满足水工建筑物水下结构检测要求，可以进一步推广并建立统一的技术标准。

参考文献：

[1]张洪星,朱俊.水闸水下结构检测新技术的发展和应用[J].科技创新与应用,2019(1):143-147.

[2]李斌,金利军,洪佳,等.三维成像声纳技术在水下结构探测中的应用[J].水资源与水工程学报,2015(3):184-188.

[3]戴林军,郝晓伟,吴静,等.基于三维成像声呐技术的水下结构探测新方法[J].浙江水利科技,2013(15):62-65.

郭树华,张震.三维声呐系统在水工建筑物水下结构检测中的应用[J].陕西水利,2020(04):12-14.