多波束测深技术在护岸工程运行监测中的应用

　　摘要:文章通过使用多波束测深技术对新生洲头导流坝附近工程区域不同时期测量效果图的叠加比较，准确分析了造成工程区水下隐蔽工程结构变化和冲淤变化的原因，并能够有效评价护岸工程的施工质量，监测工程的运行状态，充分展示了多波束测深技术与单波束技术相比的优势，为今后类似的工程运行监测应用提供借鉴。

　　朱相丞; 彭广东; 王子俊; 包敏; 杨樾， 水利技术监督 发表时间：2021-08-13

　　关键词:多波束测深;护岸工程;监测;应用

　　多波束测深系统最早起源于20世纪60年代，美国海军在军事研究项目中进行研究开发，于1976年成功发明了第一台多波束测深系统SeaBeam，我国于20世纪70年代开始多波束测深相关技术的研究，目前国内技术应用的开发仍处于理论研究阶段。通过多年的应用实践，多波束测深技术已经广泛应用于水下地形测量、沉船特征分析、航道冲淤计算、水下建筑物监测、河道堤防监测等方面，文章将重点探讨该技术在护岸工程运行监测阶段的应用，分析该技术在实时监测方面的作用，为今后类似工程应用提供借鉴。

　　1工程概况

　　新济洲河段位于长江南京河段进口，由于其地理位置的特殊性，该河段的河势极大影响着整个长江南京段的河势。近年来，上游来水来沙条件变化以及马鞍山河段河势演变等不确定因素对新济洲河段特别是新生洲洲头段产生了较为不利的影响，为保障新济洲河段及南京河段的稳定，长江南京河段新济洲河段河道整治工程[1]于2013年正式实施，该工程由河势控制工程以及护岸工程两大部分组成。其中，新生洲头导流坝工程是整个新济洲河道整治工程最后一个标段工程，工程目标为以现有河势为基础，通过导流坝的建设加强洲头防护，并通过加强左岔水流分流比的方式改善分流比[2]，工程新建导流坝389m，采用了砂肋软体排护底、袋装砂筑坝、网兜抛石防护、格宾石笼坝面防护等工艺，2015年12月开工，2016年5月完工。

　　2多波束测深技术应用分析

　　新生洲头导流坝工程区别于以往水下护岸工程，作为长江中下游地区罕见的导流坝工程，在完成建设实施后需通过运行监测了解坝体的安全、稳定情况。文章采用目前水下测量技术最为先进的美国公司生产的2024型号多波束测深系统对导流坝及其附近区域水下地形进行扫测，并通过叠加对比工程前后和汛期前后的多波束扫测图，对工程施工后的地形变化和运行情况进行评价分析。

　　2.1水位观测及地形高程计算原理

　　水下地形测点高程的计算需结合水位观测进行，因此需在测区附近布设水位站1个，同时布设直立式直读水尺。水位记录通过人工观测潮水位的方式进行，观测的起讫时间应完全覆盖水下地形测量时段。潮位观测涨、落潮均按每15min观测1次，在高低平潮期间每10min观测1次，潮位观测读至厘米。

　　潮位站的水位观测值均在监测过程中进行了潮位计算及校核，并绘制成相应的水位过程线做合理性分析。水下点高程由所在断面的即时水位减去测点水深获得，本监测的高程系统采用1985国家高程基准[3-6]。

　　2.2导流坝及其附近区域监测分析

　　为了解坝体运行效果以及对周边河势调整的作用，并考虑2016年长江流域性特大洪水对坝体产生的影响，相关单位分别于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个时间点对导流坝及其工程附近区域进行多波束扫测，3次测量的效果图分别如图1—3所示。

　　由图1和图2可知，由于导流坝工程位于新生洲头，为多股水流汇合处，水流条件复杂，河床冲淤频繁，工程采用砂肋软体排、水下抛石施工定位难度大，施工环境也比较复杂，新生洲导流坝工程右侧坝根水下河床出现3处较为明显的冲刷坑，坝下游形成-5m的冲刷区，对坝体稳定产生危害。

　　根据图3，导流坝右侧坝根水下河床出现的3处冲刷坑，其中近坝脚2处，大小分别为42m×20m×2m(长×宽×深)、45m×18m×3m(长×宽×深)，根据冲刷坑位置以及走向，近坝段形成冲刷坑可能与砂肋软体排搭接有关;砂肋软体排护底外侧抛石区1处，大小为46m×30m×3m(长×宽×深)。

　　鉴于此，又分别对2015年12月3日、2016年6月15日、2016年11月1日3个时间点的多波束扫测效果图进行前后时间段的叠加比较，得到3张冲刷对比效果图，如图4—6所示。

　　结合以上监测结果可以对导流坝工程及附近冲淤情况进行分析。

　　由图4可知，导流坝坝体轴线上游以及坝体掩护区大部多为淤积状况，而在新生洲右岔顺水流方向、沿坝体头部边缘等处出现了一连串的冲刷状况，并形成了3处较为明显的冲刷坑(图中黑色区域)。根据以往经验，出现冲刷坑的主要原因一般可分为水力因素、河流因素、设计因素这3类。根据数据及图表分析可知，本次局部损坏是由水力因素导致，特别是右岔进口顺水流方向成为冲刷最为显著区域。近坝头处的冲刷坑形成原因主要考虑为受导流坝建成后周边局部范围流态改变影响，坝头区域及坝头前右侧临近水域受坝身挑流作用影响，均成为流速增加区域，且该区域水深较深，空间流场复杂，流向紊乱，因此坝头左侧位置在连续受到来自横向的环流以及来自斜向的水流强烈冲击下，覆盖在坝体表面的块石也逐步被冲刷带走，用于护底的砂肋软体排在阳光照射及水流直冲下受到破坏，形成缺口。此外，在施工过程中，由于排体布置方向近似于垂直水流方向，且排体铺设时的方向为由内而外，这也致使在水流冲击下软体排搭接处会被掀起，软排体下侧边缘遇到水流的冲击造成损坏，继而不断扩大冲深。而在护底外侧造成冲刷的原因主要为坝体建成后网兜抛石防护不及时以及坝体建成后右侧水流流速加快，对河床加大了冲刷程度[7-9]。

　　图5显示了区域大部呈现冲刷状况，而在左岔导流坝边缘以及导流坝坝体掩护区的小部分范围内依旧出现了淤积状况，造成这一结果的主要原因是汛期水流量急剧加大，并且水流呈现紊乱不规则的状况;而相较于图4来看，出现显著冲刷状况的范围由右岔导流坝边缘一带向下游方向有所移动，造成这一结果的主要原因考虑为汛期水位较高，新生洲左岔水流漫过导流坝的坝顶，横流作用明显，且受堤身挑流影响，左岔漫顶的水流流速较大，且与进入右岔的水流在导流坝坝头护底周边交汇，受两个方向水流共同影响，坝头冲刷坑区域的冲刷程度大大加深，由此可判断，新生洲洲头导流坝及其附近区域在砂肋软体排沉排施工后，由于汛期水流冲刷和沉排方位的缘故，部分区域未达到预期的设计效果，长此以往，坝体损毁程度仍将不断加大，故需对这3处冲刷坑进行填充加固。

　　3多波束应用效果分析

　　目前，护岸型式运行效果的监测，主要仍采用单波束回声测深仪来获取水下地形高程数据，并结合潜水员潜水探摸水下工程运行情况。但传统的单波束测深仪无法实现高精度、全覆盖测量，即使是潜水员水下探测也无法获得直观、全面的数据记录。

　　文章通过多波束测深系统的运用，使以往对于水下隐蔽建筑物主要依靠人工判读分析的情况得到极大改善，克服了以往单波束测深系统仅能得到的点线式测图的劣势，多波束将测图发展为面状，并最终生成高精度的三维地形扫描图，进而使水下地形测量技术发展到一个较高的水平。多波束测深系统通过多组阵和广角发射接收，可得到海量水下高程数据，是集成全球定位系统和电子传感器系统等多种先进技术的新型水下测量技术。水下成像技术由于其直观性、分辨率、可读性等明显优势，可以清晰看到水下结构物的具体形态，能有效克服传统水下探摸技术无法得到全面、直观数据的缺点。近年来，水下成像探测技术受到国内外的广泛重视，并取得了较大的研究成果[10-12]。

　　4结语

　　多波束测深系统凭借其速度快、覆盖面广、测量精度高等优势，近年来被广泛应用于水下地形检测以及工程运行实时监测等领域。通过分析对比多波束测量的新生洲头导流坝工程试运行期水下地形以及冲刷对比数据可知，多波束测深技术在河道护岸工程施工后的质量控制和运行监测发挥了重要作用，相较于传统的单波束测深技术而言，多波束技术测得的高精度、高密度的海量数据可精确分析水下护岸建筑物的结构变化和工程区域地形变化，未来可以在更多的水下隐蔽工程运行监测阶段投入应用，为工程定期“体检”发挥作用。