黃河水下根石探測(cè)的淺地層剖面技術(shù)
1 前言
河道整治工程是黃河防洪工程的重要組成部分，主要包括控導(dǎo)工程和險(xiǎn)工兩部分？貙(dǎo)工程和險(xiǎn)工由丁壩、垛(短丁壩)、護(hù)岸三種建筑物組成。土壩體、護(hù)坡的穩(wěn)定依賴于護(hù)根(根石)的穩(wěn)定。黃河下游現(xiàn)有堤防險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程370余處，壩、垛、護(hù)岸約10 000道，常年靠水的有3 000多道。這些工程常因洪水沖刷造成根石大量走失而導(dǎo)致發(fā)生墩、蟄和壩體坍塌等險(xiǎn)情，嚴(yán)重時(shí)將造成垮壩，直接威脅堤防的安全。為了保證壩垛安全，必須及時(shí)了解根石分布情況，以便做好搶護(hù)準(zhǔn)備，防止垮壩等嚴(yán)重險(xiǎn)情的發(fā)生。因此，根石探測(cè)是防汛搶險(xiǎn)、確保防洪安全的最重要工作之一。
長(zhǎng)期以來(lái)，根石探測(cè)技術(shù)一直是困擾黃河下游防洪安全的重大難題之一，解決根石探測(cè)技術(shù)問(wèn)題，及時(shí)掌握根石的分布情況，對(duì)減少河道整治工程出險(xiǎn)、保證防洪安全和沿黃農(nóng)業(yè)豐收至關(guān)重要。幾十年來(lái)，水下根石狀況靠人工探摸。
人工探摸范圍小、速度慢、難度大，探摸人員水上作業(yè)時(shí)還有一定的危險(xiǎn)性，難以滿足防洪保安全的要求。
近年來(lái)，黃河水利委員會(huì)根石探測(cè)項(xiàng)目組依托水利部“948”項(xiàng)目“壩岸工程水下基礎(chǔ)探測(cè)技術(shù)研究”，引進(jìn)國(guó)個(gè)淺地層剖面儀，經(jīng)過(guò)對(duì)探測(cè)設(shè)備軟硬件的升級(jí)改造及現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)研究，解決了水下根石探測(cè)問(wèn)題，大量的對(duì)比探測(cè)資料表明，儀器探測(cè)精度滿足工程需要，并具有探測(cè)范圍大、速度快、安全性高等特點(diǎn)。該成果的取得，將為黃河下游防洪工程建設(shè)與管理，提供重要的技術(shù)支撐。
2 淺地層剖面技術(shù)
2.1 壩垛工程概況
黃河下游河道整治工程的壩、垛、護(hù)岸的結(jié)構(gòu)型式多為柳石結(jié)構(gòu)，通常采用土壩體外加裹護(hù)防沖材料的型式。一般分為土壩體、護(hù)坡(坦石)和護(hù)根(根石)三部分如圖1。
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土壩體一般用壤土填筑，有條件的再用粘性土修保護(hù)層；護(hù)坡用塊石拋筑，由于塊石鋪放方式不同，可分為散石、扣石和砌石三種；護(hù)根一般用散拋塊石、柳石枕和鉛絲石籠拋筑。根石的完整是丁壩穩(wěn)定最重要的條件，進(jìn)行根石探測(cè)可以及時(shí)了解根石狀態(tài)及變化情況，以便及時(shí)數(shù)搶護(hù)或采取防止出險(xiǎn)措施，防止工程出現(xiàn)破壞，還可節(jié)省大量的搶險(xiǎn)費(fèi)用，對(duì)防洪安全具有重要意義。
2.2 探測(cè)技術(shù)條件
黃河下游根石探測(cè)需要穿透的介質(zhì)主要為：含泥沙的黃河渾水、河水底部的沉積泥沙、硬泥等介質(zhì)。含泥沙的黃河渾水介質(zhì)并不均勻，從水面到底部泥沙顆粒逐漸增大，其相應(yīng)的物性參數(shù)特征值也逐漸變化，但水底與沉積泥沙接觸面存在突變；黃河河床底部沉積泥沙、硬泥從上到下硬度逐漸增加，相應(yīng)的物性參數(shù)也逐漸變化，但與根石接觸的界面存在物性參數(shù)的突變。因此，在對(duì)根石進(jìn)行探測(cè)時(shí)，必須穿透渾水、沉積泥沙或硬泥等介質(zhì)。
黃河河道整治工程根石探測(cè)作業(yè)范圍小、壩垛附近流態(tài)復(fù)雜、布設(shè)測(cè)線困難，根石散亂坡度陡，精度要求高，并須穿透渾水和淤泥層。針對(duì)穿透淤泥層等技術(shù)難題，項(xiàng)目組利用淺地層剖面儀，通過(guò)組合的GPS動(dòng)態(tài)差分儀、綜合集成軟件進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)表明，解決了河道整治工程根石探測(cè)的技術(shù)難題，改變了長(zhǎng)期依靠人工錐探的落后方法。
2.3 探測(cè)原理
淺地層剖面儀由船上單元、水下電纜和拖魚組成（如圖2所示），拖魚與一條電纜連接懸在水中，它裝有寬頻帶發(fā)射陣列和接收陣列。探測(cè)采用聲吶原理，發(fā)射陣列發(fā)射一定頻段范圍內(nèi)的調(diào)頻脈沖，脈沖信號(hào)遇到不同波阻抗界面產(chǎn)生反射脈沖，反射脈沖信號(hào)被拖魚內(nèi)的接收陣列接收并放大，由電纜送至船上單元的數(shù)控放大器放大，再由Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換為反射波的數(shù)字信號(hào)，然后送到DSP板做相關(guān)處理，最后把信號(hào)送到工作站完成顯示和存儲(chǔ)處理。經(jīng)時(shí)深轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理，可得到水面以下渾水介質(zhì)和地層分布情況？刹捎枚c(diǎn)觀測(cè)與斷面探測(cè)工作方法。
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2.4 現(xiàn)場(chǎng)工作方法
首次將淺地層剖面儀引入到黃河下游河道整治工程根石探測(cè)工作中。淺地層剖面儀主要用于海洋調(diào)查勘探。在海洋調(diào)查勘探工作中，其工作水域一般是以千米計(jì)，探測(cè)范圍大，分辨率要求不高，而黃河根石探測(cè)的工作水域，是由壩垛和長(zhǎng)期運(yùn)行后水下根石的分布區(qū)域決定的，其作業(yè)范圍較小、精細(xì)化程度較高。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，我們確立了利用淺地層剖面儀，通過(guò)組合GPS定位儀和船載探測(cè)系統(tǒng)，并與數(shù)據(jù)處理軟件和黃河河道整治工程根石探測(cè)管理系統(tǒng)綜合集成，形成了快速高效的探測(cè)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)小尺度水域的精細(xì)化探測(cè)，從而取得了良好的探測(cè)效果。
具體的工作方法：壩垛上用GPS定位儀測(cè)量斷面位置后，在岸上固定好斷面，在壩頂斷面樁處豎立兩根測(cè)量花桿控制斷面測(cè)量方向。探測(cè)設(shè)備在水中沿著斷面方向進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后繪制根石斷面圖或在壩垛附近水域隨測(cè)量定位給出壩垛根石等深線圖，按需要截取不同的根石斷面圖。由于河水、沉積泥沙、根石界面之間存在著很大的波阻抗差異，當(dāng)聲波入射到水與沉積泥沙界面及沉積泥沙及根石界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，儀器記錄來(lái)之不同波阻抗界面反射信號(hào)，同時(shí)將GPS定位系統(tǒng)測(cè)量的三維坐標(biāo)記錄到采集的信號(hào)中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、處理得到水下根石的分布信息，把探測(cè)到的根石分布信息輸入到黃河河道整治工程根石探測(cè)管理系統(tǒng)中，對(duì)根石進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理。根石探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作方法，如圖3所示。在河水高流速的情況下，如果行船航跡不能沿設(shè)定斷面探測(cè)時(shí)，也可采用繞壩探測(cè)模式。
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2.5 探測(cè)成果資料解釋
探測(cè)的原始記錄用灰度圖實(shí)時(shí)地顯示在儀器顯示屏上，如圖4所示。通過(guò)原始記錄即可大體看出水下淤泥與拋石分布情況，左側(cè)為淤泥層反射界面，界面比較光滑；右側(cè)為拋石的反映，能量很強(qiáng)，但有發(fā)散情況。
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為適應(yīng)在淺地層剖面儀軟、硬件環(huán)境及新的工作模式下，準(zhǔn)確、快捷地處理解釋數(shù)據(jù)資料，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了一套數(shù)據(jù)處理軟件，提取探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理與解釋。首先調(diào)用原始數(shù)據(jù)，顯示原始數(shù)據(jù)影像，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換成波形圖，提取出GPS數(shù)據(jù)繪制航跡圖，根據(jù)軌跡圖追蹤波形反射界面，自動(dòng)存儲(chǔ)探測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算缺石面積和缺石量等，繪制斷面圖(圖5所示)，并可導(dǎo)出成果統(tǒng)計(jì)分析表。
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3 儀器與人工錐探對(duì)比
在項(xiàng)目研究過(guò)程中，對(duì)儀器探測(cè)與人工探摸工作進(jìn)行了對(duì)比，為保證探測(cè)結(jié)果的可靠性和代表性，選擇了動(dòng)水、靜水、有石無(wú)沙、有石有沙和無(wú)石等具有代表性的斷面進(jìn)行對(duì)比探測(cè)。內(nèi)容包括探測(cè)能力、探測(cè)精度、水上定位精度、探測(cè)效率等。
3.1 定點(diǎn)探測(cè)成果對(duì)比
定點(diǎn)對(duì)比探測(cè)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，探測(cè)船固定，首先用儀器進(jìn)行定點(diǎn)探測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)解釋探測(cè)成果，然后在相同位置進(jìn)行人工錐探。工作在大留寺控導(dǎo)工程及花園口險(xiǎn)工進(jìn)行，從對(duì)比結(jié)果可以看出，兩者基本一致。淤泥厚度最大誤差不大于0.2m，根石深度最大誤差為不大于0.3m。見(jiàn)下表。
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3.2 斷面探測(cè)成果對(duì)比
斷面探測(cè)對(duì)比時(shí)，人工錐探和儀器探測(cè)分別沿同一斷面上進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)地點(diǎn)選擇在水流較緩水域。探測(cè)時(shí)，儀器在探測(cè)載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下沿著測(cè)量定位線連續(xù)移動(dòng)探測(cè)；人工錐探仍采用靠船邊沿著同一條測(cè)量定位線每間隔兩米進(jìn)行探測(cè)。在長(zhǎng)垣周營(yíng)控導(dǎo)工程28壩、29壩沿固定斷面進(jìn)行了儀器探測(cè)，并與同測(cè)線下的人工錐探作了對(duì)比。人工與儀器探測(cè)剖面的對(duì)比見(jiàn)圖6和圖7，探測(cè)資料對(duì)比顯示，探測(cè)深度、根石比降基本一致。由于人工探測(cè)數(shù)據(jù)量少，其探測(cè)斷面線呈直線狀；而儀器探測(cè)數(shù)據(jù)量大，清晰完整地反映了水下根石的真實(shí)狀態(tài)。兩圖探測(cè)斷面形態(tài)吻合良好，深度最大誤差小于0.3m。
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4 結(jié)語(yǔ)
黃河下游河道整治工程根石探測(cè)是確保防洪工程安全的一項(xiàng)重要工作。工程實(shí)踐表明，將海洋調(diào)查專用的大功率非接觸式淺地層剖面儀應(yīng)用于多沙河流根石探測(cè)，將淺地層剖面儀、RTK移動(dòng)測(cè)量GPS定位系統(tǒng)、綜合集成軟件、自主開(kāi)發(fā)的船載探測(cè)系統(tǒng)有機(jī)配合，在實(shí)時(shí)同步情況下，采集的脈沖信號(hào)與定位數(shù)據(jù)相匹配，提高了采樣密度和精度，實(shí)現(xiàn)了小尺度水域的精細(xì)化探測(cè)。解決了河道整治工程根石探測(cè)中穿透淤泥層等技術(shù)難題，改變了長(zhǎng)期依靠人工錐探的落后方法。該技術(shù)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益顯著，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
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