复杂岩溶地层地铁车站深基坑涌水灾害的声呐探测及综合治理

[目的]在佛山地区,复杂岩溶地层具有特殊性,其钙质粉砂岩地层及其破碎带极易引发地铁车站基坑涌水灾害。因而有必要采用声呐技术进行探测,并通过综合治理解决涌水问题。[方法]以佛山地铁3号线中山公园站为研究对象,从涌水险情出发,介绍了该站声呐探测方案,并基于探测结果分析了该站深基坑地下水的渗漏特性,判定了渗漏点的空间分布及其涌水灾害类型。结合基坑底部超前钻勘察成果及基坑内涌点分布特征,提出了坑外后退式双液注浆止水帷幕+坑内咬合旋喷桩基坑渗漏联合封堵方案。着重阐述了方案中后退式双液注浆、双管旋喷咬合桩以及MJS(全方位高压喷射)桩等技术的施工要点。对采用综合治理前后的代表性测孔处地下水渗流速度进行对比,以验证治理效果。[结果及结论]声呐探测技术能精准探查岩溶地层深基坑渗漏点的具体位置及其渗流场相关参量。采用后退式双液注浆、双管旋喷咬合桩及MJS桩相结合的联合封堵方案可有效解决复杂岩溶地段深基坑开挖大面积涌水渗漏技术难题。

排水管道声呐成像检测中换能器阻抗匹配技术研究

针对目前声呐检测信号易震荡拖尾、电声能量互换效率低和排水管道声呐检测图像难以分辨等问题,着重研究导致这些问题的收发一体声呐换能器阻抗匹配核心技术,从声呐换能器等效电路建模、阻抗匹配网络设计和电路实现并测试三个方面进行了详细分析。对加入阻抗匹配电路前后的声呐换能器测试结果进行了对比分析,结果表明,所设计的阻抗匹配电路简单有效,声呐成像图像清晰,并且声呐成像检测结果定量分析误差率低,被测试物体长度、宽度和对角线距离的声呐检测量误差率分别为1.04%、1.71%和1.37%,符合最新的行业技术标准。研究成果能够提升排水管道病症检测的能力,对城市内涝灾害防治具有重要意义。

综合物探方法在跨江盾构隧道勘察中的应用

沱江水下盾构隧道于沱江大桥与滨江大桥之间穿越沱江,该隧道工程系区间重难点项目,工程建设标准高,需要对沱江的水下地形及地质条件进行高精度全面勘察,本研究旨在为江上地质勘察提供实际案例,并为该隧道工程的施工提出合理建议。针对沱江水下盾构隧道的特点,先后采用多波束声呐勘测、水上高密度电法、水域瞬变电磁法3种物探方法,通过多波束声呐勘测,可获取准确的水下河床地形等信息;通过水上高密度电法与水域瞬变电磁法,可揭示江水下地层分布情况及物探异常区域,并对水上钻探的布置提供指导;钻孔取芯结果可提供关于隧道洞身围岩的准确信息,并验证综合物探方法揭示的电性异常区域。研究结果表明,3种物探方法的综合运用能准确定位地质异常区域,通过多种物探方法的综合对比和相互佐证能提高地质信息解译的可靠程度;综合物探方法和钻孔相互验证,能为水下盾构隧道的设计施工提出合理建议。

Multibeam water column data research in the Taixinan Basin:Implications for the potential occurrence of natural gas hydrate

A multi beam sonar survey is carried out in the continental slope of the Taixinan Basin to obtain submarine topographic and water column data. The data are processed to obtain water column images. Anomalous water column images, displaying plume characteristics, are found in gas hydrate enriched areas in the Taixinan Basin.This indicates the presence of natural gas resources in the Taixinan Basin. The multibeam sonar system is shown to provide an accurate and effective approach for detecting sub-sea gas hydrate.

基于声呐渗流法的岩溶区水文地质参数测定应用研究

为解决目前水文地质勘察手段及方法难以定量测定岩溶区水文地质参数的难题,采用声呐渗流法原位定量测定含水层水文地质参数,以南宁市轨道交通4号线工程岩溶专项勘察为案例,结合抽水试验、地质钻探、综合物探等技术方法,利用现有的抽水井、水位观测孔或预埋的声呐检测管进行现场测试,矢量声呐探头采集的水声场海量数据转换生成三维可视化渗流场云图,原位定量测定岩溶区水文地质参数(流量、流速、流向、渗透系数等),从而揭示复杂岩溶区的地下水分布和岩溶发育特征,有效规避岩溶地质施工风险,对类似工程具有一定的指导及参考作用。

一种使用跟踪雷达观测水柱的声呐校准方法

为解决传统声呐系统偏差大的问题,在简要分析声呐系统偏差来源的基础上,给出了一种利用舰炮武器系统的现有装备———跟踪雷达观测水柱的声呐校准方法,解决了因声呐安装、船体形变、水文环境等因素带来的声呐系统偏差较大的难题。仿真结果表明,通过提供的校准方法,声呐系统偏差由度级降低至毫弧级。

海上风电场运维监测方法研究

海上风电场建成运维期,潮流和波浪引起的水体运动会在风机基础局部形成冲刷坑,并逐渐影响风机基础的稳定性。利用综合探测技术,定期探测风电场周边海底冲刷变形情况,可以为风电场运营管理提供重要参考。为此,采用多波束水深探测和侧扫声呐探测技术,对运营海上风电场的风机机位及升压站基础和海缆路由周边进行综合探测,获取风机机位及升压站周边三维地貌,测算海底冲刷变形情况,探测海缆路由线路出露情况,研究内容可为海上风电场运维监测提供技术参考。

基于多元协同测深技术的复杂水域水下地形测量

为提高复杂水域水下地形地貌测量精度,提出基于多元协同测深技术的复杂水域水下地形测量方法。该方法首先利用多波束大面积普查获得高精度点云,对点云进行高程赋色并发现异常区,然后利用侧扫声呐对异常区进行重点排查并构建二维影像,最后结合多波束点云,构建水下构筑物的精细化纹理模型。以武汉市天兴洲大桥下游试验区域为例利用该方法展开了实例分析。结果表明:协同运用多波束精密测深与侧扫声呐高清摄像的方法可清晰观察水下构筑物的形态特征,获取水下地形的丰富信息。

基于声呐信号处理技术的水深监测系统

港口航道泥沙淤积会对航行安全、航运效益等方面产生直接影响。因此,开展港口航道水深监测项目,对实现港口航道水深的实时监测有积极作用。水深数据监测系统建设过程中,需要对水深数据进行处理。系统分析基于声呐信号处理的水深监测技术,介绍具体的技术实现原理和相关应用情况,对于提高水深监测技术水平具有一定的价值。

无人机与声呐图像重建在河湖地区环境治理中的应用

为提高河湖地区的水环境治理效果,本文应用无人机(UAV)与声呐图像重建技术。以某地区的H湖泊为研究对象,利用无人机巡视湖泊周围的河流分布情况。设置10个水质监测点,以声呐GPS坐标为中心,根据声呐运行时接收信号时间与发送信号时间的差值,估算监测点与声呐源的位置,通过重建声呐图像校正监测点与声呐源的位置,得到与声呐源同步的监测点,从而获取各个监测点治理前后的COD(chemical oxygen demand)、TN(total nitrogen)和DO(dissolved oxygen)等指标的变化情况。结果表明,经过水环境治理之后,H湖泊的COD指标可以达到4级以上水质标准,TN指标达到3级水质标准。在2021.10、2021.11和2021.12采样周期对应的第1、2、3、4、5监测点中,DO指标得到优化,由5级水质标准提高到3级水质标准,其他监测点由5级水质标准提高到2级水质标准。在H湖泊的水环境治理工作中,4项指标的治理效果较好,能够满足河湖地区的水环境指标标准。

侧扫声呐在水下排污口调查中的应用与研究

传统的观察访问法、水质调查法等排污口调查方法对水下排污口、暗管排查能力有限,而近年兴起的无人机技术不适用于间歇性排放的水下排口或是信号干扰大的区域。对侧扫声呐(SSS)应用范围、成像原理、声波反射规律进行研究,并结合水下排污口特点,阐明水下排污口在侧扫声呐图像上的成像特点。提出可以将侧扫声呐应用在水下排污口调查中,以获取排污口尺寸、位置和暗管长度等信息,并结合实例说明该方法的有效性。

多波束声纳水柱影像探测中底层水域目标的研究进展

介绍了利用多波束声纳水柱影像探测中底层水域目标的研究现状,以实例说明了多波束声纳水柱影像的典型应用,展望了其应用前景。多波束水柱影像携带了波束从换能器到海底的完整信息,可用于探测从海面至海底的声照射目标,包括探测航道障碍物、水雷和海底突起物等海底民用军事目标,检视水下工程,也可探测鱼群、海洋内波、羽状气流等中底层水域固体或非固体目标。通过改变波束照射方式,多波束声纳可兼作扇扫声纳,还可进行动态目标的探测与跟踪。多波束声纳水柱影像在水下目标探测中应用广泛,多波束声纳技术也发展迅速,典型特征是波束数增多、波束角减小、覆盖角度扩大、信号带宽增加、硬件体积缩小。高精度、高分辨率、三维立体测深成像将是未来多波束声纳的发展方向。未来多波束声纳技术将集成侧扫声纳、合成孔径声纳、扇扫声纳等多种水下声学成像工具于一体,其应用领域也将进一步拓展。

北极典型冰下声信道建模及特性

将Burke-Twersky(BT)散射模型与射线理论相结合研究北极典型冰下的水声信道特性。BT模型将极地冰水界面的冰脊视为随机分布在自由表面的半椭圆柱。首先根据BT模型分别对高频和低频情况下的冰面反射系数取近似,计算不同频率的冰面反射系数。然后结合射线理论计算冰下声场并分析冰下信道特性,并与相同条件下绝对软界面的水声信道进行对比研究。结果显示,由于冰界面的存在,冰水界面与绝对软界面相比,冰面反射系数较小,使得部分声线不会传播很远,且随频率的增加衰减越发严重,因此不利于声信号远距离传播;此外在信道结构上,由于冰层反射系数较小,冰下信道多径相较于无冰的水-空气界面其多途现象不明显。研究结果对认知极地冰下水声信道特性以及开展极地水声系统性能预报具有一定意义。

声纳斜入射水深实时监测中最短路径时延估计

以射线声学理论为基础,提出了一种以声纳斜入射方式实现港口航道水深实时监测的新方法。针对该方法中水声信道的多径传播结构,通过求解直达路径声信号和海底反射最短路径声信号的相对时延来估算港口航道的即时水深。将用于阵列信号方位估计的MODEX算法和带惩罚函数的非线性最小二乘算法结合起来,给出了一种解决单频水声信号高分辨率多径时延估计的混合算法,其中MODEX算法用于计算多径信号时延和幅度估计的初始值,然后将此初始值赋予带惩罚函数的频域非线性最小二乘算法确定时延和幅度估计的真实值。海上实测数据分析显示该混合算法具有很强的处理重叠多径信号以及抗噪声干扰的能力,时延估计精度达到μs量级。海上实验结果进一步说明声纳斜入射水深监测方法的可行性,该方法简单实用、实时性好,尤其对狭窄航道水深的实时监测具有广泛的应用前景。

基于Radon变换的浅海宽带脉冲声源定位

为了提高声纳在浅海的工作性能,在分析实验数据的基础上提出了新的多路径定位方法.将已知信号与每个通道的接收信号进行相关,获得相关系数矩阵,对由相关系数矩阵构成的图像进行Radon变换,以时间分辨力补偿空间分辨力,提取声场的多路径参数,估计声线到达角和到达时延差,结合声线反传技术,实现宽带脉冲声源定位.在修正阵型估计误差后,进一步提高算法的定位精度.实验结果表明,该方法能有效地对浅海脉冲声源进行定位,不受空间采样率或路径数必须小于阵元数的限制,具有较好的宽容性.算法计算量小,易于工程实现.

主动声纳检测技术的回顾与展望

由于低噪声隐身型潜艇的出现,声纳技术面临着激烈的挑战,低频主动声纳及其信号检测技术成为水声领域的研究热点之一。但是浅海的工作环境对主动探测相当不利,如何利用信道和背景干扰的特点,改进检测性能是研究的重点。模基处理、广义匹配滤波、混响消除、组合信号和波形融合处理、DLCT一体化处理等等技术在不同的方面能发挥一定的改进作用。对这些主动声纳检测技术的回顾与梳理,将为开展该领域研究工作提供一些有益的参考。随着人们对海洋环境理解的深入以及更准确、稳健性更好的水声模型建立,各种模基检测算法将被逐步应用到工程中。在此之前,诸如RCI/SRC这类介于模基和非模基之间的检测方法,由于其具有良好的稳健性、可移植性以及优于常规检测方法等优点,有望率先在工程中获得应用。同时,这些方法的组合应用,比如组合信号与波形融合、SRC/RCI相结合等,也就有较强的现实可操作性。

堤坝检测水下机器人GDROV方案研究

介绍用于查找江、河、湖、海各种堤坝的裂缝、破损和隐患质量等问题的堤坝检测水下机器人的系统组成、基本功能和工作原理,并给出了机械本体、机器人定位系统、堤坝检测系统和控制系统设计方案。

基于双基地声纳的港口航道水深实时监测系统

针对部分港口航道航程较长、宽度狭窄、水深受限、淤积严重等特点,研制了一套基于双基地声纳实现港口航道水深实时监测的实用化系统。该系统采用1对收发分置的高频、小波束开角换能器实现声信号的发射与接收,利用GPS同步技术实现声纳发射单元和接收单元的同步工作,采用单片机与FPGA相结合的电路设计方案实现对水声信号的延时采集与处理。声纳发射单元和声接收单元分别安装在航道的两侧,不影响航道船舶的正常航行。海上定深监测和变深监测实验结果表明该系统稳定可靠,实时性好,尤其对狭窄航道的水深实时监测具有很高的应用价值。

负梯度浅海混响条件下吊放声纳主动探测深度研究

负梯度浅海条件下,吊放声纳主动工作时混响呈现"峰"现象,且随吊放声纳深度变化。为此,建立浅海混响模型,采用Bellhop模型计算吊放声纳与海底散射元之间的传播,并依据Jackson模型推导海底反向散射强度的计算方法。结合海底散射面积的估算与吊放声纳主动工作满足小掠射角的特点,对浅海混响进行了仿真和分析。

多波束成像声纳系统及水下机器人在水工建筑物水下结构检测中的应用

介绍了多波束成像声纳系统及水下机器人的组成部分、工作原理及其在水闸及水库大坝水下结构检测中的应用。应用结果表明,其具有适用性广、效率高、成像清晰直观的技术优势,可以减小潜水员水下探摸的安全风险及避免人工描述隐患的不直观、可信度较低等问题,为水下结构隐患识别提供了一种可行、便利的途径和方法。