(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051）
摘要：多波束探测系统是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成，最初的设计构想就是为了提高海底地形测量效率，而在水电站消力池等消能建筑物水下探测中的应用目前还属少见。本文主要研究分析多波束无损检测技术于水电站消力池水下探测的应用效果，以期了解消力池过流面（水下部分）混凝土表观完整情况现状。本文以应用实例为基础，扩展多波束应用范围的同时，为水电站消能建筑物水下探测提供新的技术、新的思路。
关键词：多波束无损检测技术；消力池水下探测；混凝土表观完整情况
1 引言
近年来随着水声测距技术的迅速发展，传统的水电站建筑物水下探测方法逐渐向三维方向发展，而多波束作为一项高新技术，在该领域的应用逐步成熟。传统的水下探测方法以潜水员水下拍摄为主，此方法不仅安全风险大，而且拍摄成果受水浑影响较大，探测成果零碎不直观，所以急需采用新方法新技术进行突破。多波束作为一种无损检测技术，不仅效率高，而且安全风险低，可以实现三维全覆盖探测，准确获取水下探测目标的三维空间位置及表观情况等信息，进行混凝土表观完整情况探测。[1]
本文首先介绍了多波束无损检测技术的基本原理，并以某水电站消力池水下探测为例，分析该项技术的应用效果，扩展多波束应用范围的同时，为水电站消能建筑物水下探测提供新的方法选择。
2 多波束无损检测技术
多波束探测系统也称声纳阵列测深系统，是通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射和接收，利用各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置归算，还可利用多波束声信号进行侧扫成像，从而获取在与航向垂直的条带式高密度水深数据，进行水底测图和水底地貌测量，描绘水底地形地貌的精细特征。近年来多波束声呐技术日益成熟，波束数已从1997年首台Sea Beam系统的16个增加到目前100多个，波束宽度从原来的2.67°度减到目前的1°至2°，总扫描宽度从40°度增大至目前的150°度至180°。
多波束无损检测是以一定的频率发射多个波束，波束具有沿航迹方向开角窄而垂直航迹方向开角宽的特点，多个波束形成扇形声波束探测区。单个发射波束与接收波束的交叉区域称为脚印，发射与接受循环称为声脉冲[2]。根据各个角度的声波到达时间或相位即可测量出每个波束对应点的水深值，若干个测量周期组合就形成了条带状水深图，如图1所示。
多波束无损检测技术原理和单波束声呐一样，是利用超声波原理进行工作的，不同的是多波束探测系统信号接收部分由n个成一定角度分布的相互独立的换能器完成，每次能采集到n个水深点信息，多波束探测系统组成见图2。
图1 多波束无损检测技术原理示意图 图2 多波束探测系统组成
3 应用实例
（1）工程概况
金沙江中游某水电站以发电为主，同时兼有水土保持、库区航运和旅游等综合利用功能。电站正常蓄水位高程为1223m，设计总库容为17.18亿m3，装有6台360MW机组，总装机容量2160MW，属I等大（1）型工程。工程枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、河床溢流表孔和底孔、引水隧洞、右岸地下厂房和开关站等建筑物组成。
水下检测范围包含阶梯式消能溢流、消力池底板、左右边墙以及尾坎。
（2）水下探测
多波束探测消力池过流面三维点云见图3。
图3 消力池过流面（水下部分）三维点云图
通过采用多波束无损水下检测技术，可以发现消力池范围内，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土表观损伤现象；左导墙与护坦之间、明渠右导墙与护坦间接缝良好，但在阶梯式溢流面以及底板发现了3处异常区，典型异常实测点云图见图4至图9。
各异常区详细描述如下：
（1）异常①，位于（坝纵）0+20m至（坝纵）0+30m，（坝横）0+80m，多波束实测成果显示阶梯式溢流面出现消能台阶破损甚至缺失现象，异常尺寸近似约为10m（宽）×10m（高），存在损伤的消能台阶约7级。
（2）异常②，位于（坝纵）0+57.5m至（坝纵）0+65m，（坝横）0+80m，多波束实测成果显示阶梯式溢流面出现消能台阶破损甚至缺失现象，异常尺寸近似约为7.5m（宽）×10m（高），存在损伤的消能台阶约6级。
（3）异常③，位于（坝纵）0+40m至（坝纵）0+45m，（坝横）0+80m，多波束实测成果显示阶梯式溢流面出现消能台阶破损甚至缺失现象，异常尺寸近似约为7.5m（宽）×13m（高），存在损伤的消能台阶约11级。
图4 异常①实测点云成果图
图5 异常②实测点云成果图
图6 异常③实测点云成果图
图7 异常①实测点云断面图
图8 异常②实测点云断面图
图9 异常③实测点云断面图
4 结论
（1）多波束声呐探测技术突破了传统检测方法的制约，成功应用于水电站消力池等消能建筑物缺陷检测，且能够达到预期的效果。
（2）多波束声呐探测技术在某水电站消力池实践应用表明，该技术能够准确定位水下异常区域，精确获取异常区域尺寸及方量，同时以水工三维模型为基础数据，能够将多波束声呐成果同水工三维设计模型有效融合，实现水工建筑物三维动态查看异常区域分布及空间形态。
（3）通过后续定期检测，对比分析，可动态掌握消力塘水下建筑物的运行状态，同时对检测发现的问题及时作出诊断，并对较大缺陷处理提供了准确的量化数据。
参考文献：
[1]杨宇.水下多通道真彩色三维重建与颜色还原方法研究[D].中国海洋大学,2014.
[2]周天.超宽覆盖海底地形地貌高分辨率探测技术研究[D].哈尔滨工程大学,2005
