基于二維掃描聲吶MS1000 的跨海高鐵水下測繪研究

莫中生 張云鵬 吳 昊

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308)

引言

隨著我國“八縱八橫”高速鐵路網中長期規劃的實施,我國高鐵建設由傳統的陸地建設,逐步邁入跨海建設。 福廈高速鐵路是我國首條設計時速350 km 的跨海高鐵,也是“八縱八橫”主通道之一“沿海通道”的重要組成部分。 福廈高鐵湄洲灣跨海大橋全長14.7 km,其中海域路由長10.8 km,連接福建省的莆田市和泉州市,是國內首座跨海高鐵矮塔斜拉橋。 大橋主體跨度180 m,跨越湄洲灣規劃3 000 t 級航道,橋面以上塔高30 m,共有28 根斜拉索,施工精度高、技術難度大。 在大橋施工過程中,水下測繪方面需要完成的工作如下。

(1)施工之前,對大橋設計路由區域的海床進行海底地形、地貌和障礙物調查,探明有無“深溝、凹坑、沉船、礁石、養殖區、水下構筑物”等影響施工和船舶行駛安全的因素。

(2)在施工中,對“挖泥機械抓斗”進行水下導航定位,指揮其在限定區域之內進行基坑開挖和疏浚作業。

(3)在施工中,對“水泥壓塊、防護網、重力錨”等水下構筑物進行水下導航定位,指揮吊機將其敷設至設計區域。

(4)在施工后,對橋墩基礎進行沖刷監測,測量其沖刷或淤積厚度,以及分布范圍。

以上4 項工作,傳統的水下測繪方法為潛水員攜帶照明、通訊設備,使用測深桿、測繩、鋼尺、吊錘、傾斜儀等設備,以人工測量、目視觀察、觸覺探摸、視頻錄像等手段進行。 湄洲灣三面環山,南北長約33 km,東西寬約30 km,受臺灣海峽湍流和島礁環流的聯合影響,湄洲灣海域內水動力環境強勁,泥沙運移頻繁,水體懸移質和含沙量均超過10 g/L,水體能見度極低,導致潛水員有效目視距離不足20 cm,水下視頻錄像難度大,只能趁高平潮和低平潮的憩流間隙進行測量,極大影響了施工進度。

“二維掃描聲吶MS1000”基于“低頻水聲回波成像”的原理,在360°旋轉云臺的控制下,可以對“扇面區域”和“全圓區域”100 m 距離范圍內的海底地貌、水下構筑物情況進行掃描成像,能夠直觀地顯示海底地形地貌和大橋墩臺基礎的水下狀態。 國內外學者已經基于MS1000 在海洋石油工程、港口碼頭工程、海洋科學調查等領域進行廣泛深入的研究,總結了很多成功的案例。 成二輝等介紹了MS1000 在海底管道泄漏點查找中的應用情況[1];李東德等介紹了二維掃描聲吶在海底管道隱患治理中客觀性和功效性的評價方法,指出其在渾濁水域中的高分辨率優勢[2];施軍使用實時掃描聲吶解決了軟體鋪排常規監測方法的滯后性問題,實現了水下鋪排過程中的實時監控[3];左光磊等使用MS1000 對已建成水下沉箱進行探測,并對沉箱的安裝質量進行評價[4];周夢樊等通過二維實時聲吶技術在渾水域實現了精細檢測,解決了渾水域修復施工的難題[5];李軍通過對掃描聲吶系統工作原理和特點進行研究,總結出一整套應用于近平臺鉆井船精細地貌調查方法,有效解決了常規物探精度較的難題[7];劉暢研究實現了對二維圖像聲吶檢測對象的精確定位,從而提高了水下工程檢測的準確性[6];淳明浩等使用掃描聲吶技術解決了平臺周邊100 m 范圍的測量盲區問題[8]。

借鑒前人在相關領域的研究成果,將二維掃描聲吶MS1000 應用于湄洲灣跨海大橋的水下測繪工作中,對其硬件組成、技術原理和精度指標等進行詳細介紹。 根據大橋施工中各道工序的具體需求,系統總結了MS1000 在每項工序水下測繪工作中的使用方法,以期對未來的工程應用提供借鑒。

1 MS1000 系統介紹

“MS1000 二維掃描聲吶系統”是一款高精度海洋測繪聲吶設備[9],主要由4 個部分組成[10],聲吶探頭、甲板單元、采集電腦、通訊電纜,MS1000 系統組成見圖1。

圖1 MS1000 系統組成

MS1000 的換能器聲波基陣開角為30°[11],波束間夾角為0.9°,掃寬和分辨率能夠滿足50 m 水深范圍內海底高清成像,最大量程可達100 m。 MS1000 采用主動式呈像技術。 首先,MS1000 以300~1200 kHz 的頻率范圍發射水聲脈沖并聆聽回波[12];然后,聲波在傳播途中遇到無法穿透或繞射的物體或海底時發生反彈,形成回波被聲吶基陣接收[13];聲吶探頭隨操作云臺按照設定的步進角度旋轉,重復聲波脈沖的發射和接收步驟,完成部分圓或全圓范圍的掃測[14];最后,根據不同反射體回波的能量強度和時間延遲,進行灰度渲染后呈像[15]。 此時,利用影像結合GPS 實時采集的位置信息,就可以進行目標位置量取、形狀勾繪,獲取目標物體或目標范圍的絕對地理坐標[16]。MS1000 的主要性能指標見表1[17]。

表1 MS1000 主要性能指標

2 工程應用

湄洲灣海域的海水最大流速可達3 m/s,最大潮差可達7 m。 崎嶇的海底地形在湍急洋流的沖刷下,導致水體渾濁,傳統潛水探摸測繪的有效作業時間平均每日不足2 h。 小潮期作業時間較長,每日可達5~6 h;大潮期只有高平潮期可以作業,每日約1.5 h,低平潮期轉流時長只有20 min。 MS1000 系統不受洋流和泥沙的影響,可以全天候作業,只需要控制其水下的姿態即可。 MS1000 掃測時常規的安裝方式為“座底式”,使用三腳架將其懸吊于頂部,然后將三腳架釋放至海床[18]。 三腳架坐底后,在洋流的沖擊下極易摔倒,且無法及時隨船舶行進,為了保證掃測成像質量,并提高掃測效率,采用一種“配重懸吊”安裝方式。 焊接一個40 cm×40 cm×150 cm 的鋼結構吊籠,下部配重鐵塊,整體質量約1 t。 將MS1000 懸掛于吊籠頂部,聲吶換能器使用旗繩在吊籠四角并拉緊。 掃測作業時,將吊籠整體吊至掃測區域,根據聲吶圖像調整下放深度、掃測量程、能量強度、灰度閾值等參數。

(1)海底地形、地貌、障礙物調查

沿大橋設計路由中線兩側50 m 范圍布設測線,測線間隔5 m,測量船按4 km/m 航速勻速行駛,實時調整MS1000 的偏距和入水深度,盡量使其位于測線正上方。 經調查,大橋設計路由區域海底地形整體平坦,未見明顯起伏和溝壑;海底以粉砂、礫砂為主[19],可見明顯的底層洋流搬運泥沙痕跡(見圖3);在KP2+150 處發現有大量散落的人工漁礁,呈線狀分布,長度約150 m,單體直徑約2 m,判斷為混凝土結構,泥面以下的分布情況待查(見圖2);在KP3+146 處中線右側24 m 位置發現一艘小型沉船,長約5 m,寬約1.5 m,判斷為木質漁船,泥沙掩埋不深,應為沉沒不久(見圖3)。

圖2 沙波地貌和散落漁礁

圖3 海底沉船位置示意

(2)海底養殖區木樁群調查

湄洲灣水域內遍布海帶、紫菜、牡蠣等各種養殖區,當地漁民一般采用“木樁串連方式”,將長約5 m的木樁插入海床下約3 m,木樁間隔1~3 m,以鋼纜、繩索串聯,分布范圍從幾百米到幾千米不等,高潮時會完全淹沒,低潮時部分會露出水面,給施工船舶造成了很大的風險[20]。 另外,湄洲灣養殖年代久遠,期間產權更替頻繁,造成海底木樁群分布不明,施工船舶不敢貿然進入。 趁高平潮憩流間隙,在當地漁民向導的帶領下,將MS1000 懸吊于木樁群可能存在區域,緩慢調整其入水深度,采用“360°全圓”掃測模式,設掃描步進為1(°)/s,發現可疑區域后,再減慢為0.25(°)/s。經掃測,在大橋路由區域的KP0+734~ KP1+863、KP2+397~KP3+055、KP6+024~KP8+547 等3 處區域存在大范圍木樁群,見圖4、圖5。 此3 處木樁群均橫向穿越大橋設計路由,分布寬度距離設計軸線超過50 m。 其中,第3 處木樁群范圍最大,長約1 500 m,寬約140 m,呈長方形分布,斜向跨越大橋路由中線,此處水深較深,低潮時木樁群也不會露出水面,高潮時水深為3~5 m。

圖4 木樁群低潮時露出水面

圖5 木樁群聲吶影像

(3)水泥壓塊安裝

為防止急速洋流對橋墩基礎附近海床的沖刷,造成凹坑、塌陷等風險,需要在橋墩基礎四周30 m×30 m范圍內鋪設水泥壓塊。 水泥壓塊入水后,MS1000 跟隨其懸吊于正上方,采用10~20 m 小掃測量程,以確保清晰看到橋墩基礎的邊沿。 在聲吶圖像上實時量取當前水泥壓塊至橋墩基礎外沿的距離,以及當前壓塊至已經鋪設的相鄰壓塊的距離,確認好位置,將壓塊鋪放至指定位置(見圖6、圖7)。 傳統人工潛水方式需要先將壓塊盲鋪至大概位置,由潛水員在水下測量當前壓塊至臨近壓塊和橋墩的距離、方位和相互關系,然后再重新起吊下放,一般需要往復3~5 次才能鋪設到位。 在MS1000 的輔助下,只需1 次即可完成,并且大幅降低了潛水員與水下吊裝的風險,將120~180 d 的工期縮短至14 d。

圖6 水泥壓塊

圖7 水泥壓塊聲吶影像

(4)橋墩基礎基坑挖掘實時

橋墩基礎施工前,要在設計位置處進行水下基坑挖掘作業,基坑尺寸為20 m×25 m×5 m。 將MS1000 置于基坑區域一側,下放至距海底約2 m 高度,距設計位置水平距離約15 m,設置掃測量程為80 m,掃測頻率為900 kHz。 首先使用“360°全向”模式快速掃描確定基坑區域;再使用“扇面”模式縮短掃測量程至50 m,設置掃描步進為0.45(°)/s,重點掃描挖掘區域。 機械抓斗在聲吶影像上會呈現紅色的強反射,結合其外部形狀, 可以直接觀察其所在的位置。 使用MS1000 軟件的區域測量功能圈繪出當前的挖掘區域,并實時測量其長、寬和深度,實時調整抓斗的挖掘位置(見圖8、圖9)。

圖8 挖掘機械抓斗

圖9 抓斗和基坑聲吶影像

(5)重力錨水下安裝

為輔助施工船就位,需要在水下安裝2 只300 t 重力錨(命名為1 號、2 號),呈并聯式擺放,坐底后方位角設計為真北340°,迎合主流向方向。 根據錨纜拉力計算,2 只重力錨的安裝方位偏差不能超過20°,否則其摩擦力和抓地力將無法抵御洋流推力,出現溜錨后船舶失位的風險。 因此,需要在重力錨安放過程中監控其方位角度,并確認其最終的坐底方位。 將重力錨吊至海床上方1 m 后,再將MS1000 吊至重力錨側邊,距重力錨約10 m,設置掃描量程為40 m,頻率為700 kHz,掃描速度為0.45(°)/s。 從聲吶圖像上量取重力錨短邊中點至長邊中點的方位角,指揮絞車收放鋼纜,使2 只錨塊的方位角度在誤差允許范圍內。 待重力錨自沉入泥穩定后,再次量取其方位角度,與設計角度比對,作為最終的坐底方位角。 重力錨安裝示意見圖10、重力錨聲吶影像見圖11。

圖10 重力錨安裝示意

圖11 重力錨聲吶影像

(6)防護網水下安裝

為防止橋墩基礎施工時周邊泥沙的快速淤積和漁業捕撈網具的干擾,需要在施工區域四周安裝水下防護網。 單張防護網高約3 m,長約20 m。 為防止防護網遺失和破損,需要定期檢查其水下狀態。 將MS1000 從其外側吊放至距海底約5 m 處,施工船采用動力定位模式沿防護網外側緩慢航行。 在航行過程中,MS1000 會受水流和推進器渦流影響而轉動,使用“360°全向”模式掃測,設置掃描量程為50 m,掃描頻率根據實時圖像情況調整為800~1 000 kHz,掃描速度為0.9(°)/s。 防護網在聲吶圖像上呈現強反射,對比松軟海床的回波圖像,防護網的聲吶影像清晰易判別,防護網安裝示意見圖12,防護網聲吶圖像見圖13。

圖12 防護網安裝示意

圖13 防護網聲吶圖像

(7)橋墩基礎沖刷監測

泉州港為湄洲灣內最大港口, 年吞吐量約1.2 億t,其3 000 t 級航道橫向穿越大橋的12 號和13 號橋墩。 受灣內水動力環境和航道疏浚的聯合影響,此處區域的海底沖刷較其他區域更為強烈,故需要對12 號和13 號橋墩基礎進行長期沖刷監測,分析其沖淤規律。 采用“潛水安裝”的方式,將MS1000 固定于橋墩結構外側。 為盡量減少橋墩本身對聲波的遮擋,將換能器伸出橋墩約2 m,距離海底約5 m。 采用360°全圓觀測模式,設置掃描量程為50 m,掃描頻率為1 200 kHz,步進速度0.25(°)/s。 在橋墩上方安裝控制機柜,內置采集電腦,每12 h 掃測1 次。 使用網絡傳輸裝置,將采集數據傳輸至陸地分析中心。 使用后處理軟件,將數據進行濾波、糾正、融合、鑲嵌等處理,并生成三維渲染圖。 通過3 個月的掃測數據分析,12 號橋墩漲潮流方向的沖刷凹坑范圍較大,長約50 m,平均深度為0.5 m,最深處為0.8 m;落潮流方向沖刷范圍較小,平均深度為0.2 m。 由此可見,水泥壓塊起到了很好的防護作用,12 號橋墩四周沒有出現大范圍的遺失或陷落,見圖14。 13 號橋墩四周未見明顯沖刷,僅有兩處微小的淺坑,深度約為0.2 m,見圖15。

圖14 12#橋墩周邊沖刷(單位:m)

圖15 13#橋墩周邊沖刷(單位:m)

3 結語

以福廈高鐵湄洲灣跨海大橋為例,介紹了“二維掃描聲吶MS1000” 水下測繪方面的應用。 通過MS1000 掃測調查,在大橋設計路由區域共發現散落漁礁1 處、海底沉船1 艘、海底養殖區木樁群3 處。 在MS1000 的輔助下,將原本120~180 d 的水泥壓塊鋪設時間縮短為14 d,極大提高了施工效率。

MS1000 具有安裝簡單、使用方便、圖像清晰、測量精度高等優點,它不受潮流、風浪等外部因素制約,有效解決了高鐵跨海大橋建設中潛水探摸不直觀、無法整體描述施工情況的弊病。 尤其對于水體渾濁、能見度低等可視調查無法開展的區域,MS1000 大幅降低了潛水員水下作業的強度和風險,為指導現場施工提供了很大的幫助。 在未來的研究和應用中,還可以探索“水下六維姿態傳感器”“光纖羅經”“慣性導航系統”“超短基線USBL 水下定位系統”等組合導航定位系統與MS1000 的融合使用,為高鐵跨海建設提供更高效、快捷、直觀、精確的海洋測繪手段。