管节沉放对接中环境因素对声呐测距精度的影响

　　管节水下沉放和对接施工中，需要对管节实施精密定位，尤其在管节对接时，定位精度要求非常高[1-3]。声呐是利用水中声波对水下目标进行测距定位的电子设备，因此声呐法测量定位技术在沉管隧道施工中得到了广泛的应用，日本京叶线53F0场隧道和多摩川隧道均采用了声呐定位测量技术[4-5]。声呐法沉管定位设备配置见图1，工作原理见图2。水下声呐定位系统借助声呐测距、后方交会原理，根据已沉管上控制点坐标和实测距离,计算待沉管上控制点与已沉管上控制点间的坐标矢量，进而获得待沉管上各控制点坐标。

　　由图1知，根据实测距离Si,j，可组成12个距离方程，结合已沉管上坐标(Xj,Yj,Zj),解算待沉管上各控制点坐标(Xi,Yi,Zi)，从而指导待沉管沉放和对接作业。由式(1)知，待沉管点位计算精度依赖于测量距离精度S，而S借助声呐测距方式获得，管节沉放海域水文条件复杂，对S的准确确定具有显著的影响。水下声呐定位系统通过测距交会来实现定位，测距精度对最终的定位精度影响显著，需对影响测距精度的各种因素进行分析以得出测距修正模型，进而实现精确测距和定位。

　　1 声速对测距精度的影响

　　海水中，声速随温度、盐度和压力的变化而变化，是压力P(bar)或者深度Z(m)的线性函数，是温度T(℃)及盐度的非线性函数。海水中的声速可以用声速剖面来描述。受声速剖面影响，空间声线是一条曲线，而坐标计算需要待沉管到水下应答器间的直线距离。为此，在测距结果中应加声线弯曲修正。如图3所示，在声速垂直剖面内取直角坐标系，y轴平行于海面，z轴垂直向下。将声线穿透的整个水体，按照声速剖面划分为若干个水层，并假定各层声速垂直变化梯度GC=dC/dZ在层内为常数。

　　由图3可得：

　　考虑分层声速C(Z)，得计算式：

　　式中：，称为声速的相对速度;C0为入射海面层的声速。则有：

　　当海水分层很小时，将式(5)对y进行积分，经整理后可得：

　　这显然是一条以半径为的圆弧。

　　在这种情况下，声线曲率修正可取圆弧长与圆弧两端的弦长之差来确定，即：

　　式中：ε为弦切角。

　　为了检验上述推导模型的正确性，进一步说明声线弯曲对定位计算的影响，开展试验研究，以期得到指导实际施工的措施。设定作业水域水深为50m，给出声速剖面，计算不同入射角下声线弯曲修正量?S。统计结果如表1所示，弯曲修正变化量?S随入射角的变化如图4所示。