黃河水下根石探測的淺地層剖面技術
1 前言
河道整治工程是黃河防洪工程的重要組成部分，主要包括控導工程和險工兩部分。控導工程和險工由丁壩、垛(短丁壩)、護岸三種建筑物組成。土壩體、護坡的穩定依賴于護根(根石)的穩定。黃河下游現有堤防險工、控導工程370余處，壩、垛、護岸約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致發生墩、蟄和壩體坍塌等險情，嚴重時將造成垮壩，直接威脅堤防的安全。為了保證壩垛安全，必須及時了解根石分布情況，以便做好搶護準備，防止垮壩等嚴重險情的發生。因此，根石探測是防汛搶險、確保防洪安全的最重要工作之一。
長期以來，根石探測技術一直是困擾黃河下游防洪安全的重大難題之一，解決根石探測技術問題，及時掌握根石的分布情況，對減少河道整治工程出險、保證防洪安全和沿黃農業豐收至關重要。幾十年來，水下根石狀況靠人工探摸。
人工探摸范圍小、速度慢、難度大，探摸人員水上作業時還有一定的危險性，難以滿足防洪保安全的要求。
近年來，黃河水利委員會根石探測項目組依托水利部“948”項目“壩岸工程水下基礎探測技術研究”，引進國個淺地層剖面儀，經過對探測設備軟硬件的升級改造及現場反復試驗研究，解決了水下根石探測問題，大量的對比探測資料表明，儀器探測精度滿足工程需要，并具有探測范圍大、速度快、安全性高等特點。該成果的取得，將為黃河下游防洪工程建設與管理，提供重要的技術支撐。
2 淺地層剖面技術
2.1 壩垛工程概況
黃河下游河道整治工程的壩、垛、護岸的結構型式多為柳石結構，通常采用土壩體外加裹護防沖材料的型式。一般分為土壩體、護坡(坦石)和護根(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層；護坡用塊石拋筑，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定最重要的條件，進行根石探測可以及時了解根石狀態及變化情況，以便及時數搶護或采取防止出險措施，防止工程出現破壞，還可節省大量的搶險費用，對防洪安全具有重要意義。
2.2 探測技術條件
黃河下游根石探測需要穿透的介質主要為：含泥沙的黃河渾水、河水底部的沉積泥沙、硬泥等介質。含泥沙的黃河渾水介質并不均勻，從水面到底部泥沙顆粒逐漸增大，其相應的物性參數特征值也逐漸變化，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，相應的物性參數也逐漸變化，但與根石接觸的界面存在物性參數的突變。因此，在對根石進行探測時，必須穿透渾水、沉積泥沙或硬泥等介質。
黃河河道整治工程根石探測作業范圍小、壩垛附近流態復雜、布設測線困難，根石散亂坡度陡，精度要求高，并須穿透渾水和淤泥層。針對穿透淤泥層等技術難題，項目組利用淺地層剖面儀，通過組合的GPS動態差分儀、綜合集成軟件進行了大量的現場試驗，對比試驗和生產試驗表明，解決了河道整治工程根石探測的技術難題，改變了長期依靠人工錐探的落后方法。
2.3 探測原理
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，它裝有寬頻帶發射陣列和接收陣列。探測采用聲吶原理，發射陣列發射一定頻段范圍內的調頻脈沖，脈沖信號遇到不同波阻抗界面產生反射脈沖，反射脈沖信號被拖魚內的接收陣列接收并放大，由電纜送至船上單元的數控放大器放大，再由Ａ/Ｄ轉換器采樣轉換為反射波的數字信號，然后送到DSP板做相關處理，最后把信號送到工作站完成顯示和存儲處理。經時深轉換與數據處理，可得到水面以下渾水介質和地層分布情況。可采用定點觀測與斷面探測工作方法。
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2.4 現場工作方法
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工作中。淺地層剖面儀主要用于海洋調查勘探。在海洋調查勘探工作中，其工作水域一般是以千米計，探測范圍大，分辨率要求不高，而黃河根石探測的工作水域，是由壩垛和長期運行后水下根石的分布區域決定的，其作業范圍較小、精細化程度較高。經反復試驗，我們確立了利用淺地層剖面儀，通過組合GPS定位儀和船載探測系統，并與數據處理軟件和黃河河道整治工程根石探測管理系統綜合集成，形成了快速高效的探測技術手段，實現小尺度水域的精細化探測，從而取得了良好的探測效果。
具體的工作方法：壩垛上用GPS定位儀測量斷面位置后，在岸上固定好斷面，在壩頂斷面樁處豎立兩根測量花桿控制斷面測量方向。探測設備在水中沿著斷面方向進行探測，探測數據經處理后繪制根石斷面圖或在壩垛附近水域隨測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，當聲波入射到水與沉積泥沙界面及沉積泥沙及根石界面時，會發生反射，儀器記錄來之不同波阻抗界面反射信號，同時將GPS定位系統測量的三維坐標記錄到采集的信號中，對信號進行識別、處理得到水下根石的分布信息，把探測到的根石分布信息輸入到黃河河道整治工程根石探測管理系統中，對根石進行網絡動態實時管理。根石探測現場工作方法，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定斷面探測時，也可采用繞壩探測模式。
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2.5 探測成果資料解釋
探測的原始記錄用灰度圖實時地顯示在儀器顯示屏上，如圖4所示。通過原始記錄即可大體看出水下淤泥與拋石分布情況，左側為淤泥層反射界面，界面比較光滑；右側為拋石的反映，能量很強，但有發散情況。
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為適應在淺地層剖面儀軟、硬件環境及新的工作模式下，準確、快捷地處理解釋數據資料，項目組開發了一套數據處理軟件，提取探測數據，對數據進行快速處理與解釋。首先調用原始數據，顯示原始數據影像，經處理轉換成波形圖，提取出GPS數據繪制航跡圖，根據軌跡圖追蹤波形反射界面，自動存儲探測數據，計算缺石面積和缺石量等，繪制斷面圖(圖5所示)，并可導出成果統計分析表。
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3 儀器與人工錐探對比
在項目研究過程中，對儀器探測與人工探摸工作進行了對比，為保證探測結果的可靠性和代表性，選擇了動水、靜水、有石無沙、有石有沙和無石等具有代表性的斷面進行對比探測。內容包括探測能力、探測精度、水上定位精度、探測效率等。
3.1 定點探測成果對比
定點對比探測試驗，現場工作時，探測船固定，首先用儀器進行定點探測，現場解釋探測成果，然后在相同位置進行人工錐探。工作在大留寺控導工程及花園口險工進行，從對比結果可以看出，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。見下表。
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3.2 斷面探測成果對比
斷面探測對比時，人工錐探和儀器探測分別沿同一斷面上進行探測。探測地點選擇在水流較緩水域。探測時，儀器在探測載體運動狀態下沿著測量定位線連續移動探測；人工錐探仍采用靠船邊沿著同一條測量定位線每間隔兩米進行探測。在長垣周營控導工程28壩、29壩沿固定斷面進行了儀器探測，并與同測線下的人工錐探作了對比。人工與儀器探測剖面的對比見圖6和圖7，探測資料對比顯示，探測深度、根石比降基本一致。由于人工探測數據量少，其探測斷面線呈直線狀；而儀器探測數據量大，清晰完整地反映了水下根石的真實狀態。兩圖探測斷面形態吻合良好，深度最大誤差小于0.3m。
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4 結語
黃河下游河道整治工程根石探測是確保防洪工程安全的一項重要工作。工程實踐表明，將海洋調查專用的大功率非接觸式淺地層剖面儀應用于多沙河流根石探測，將淺地層剖面儀、RTK移動測量GPS定位系統、綜合集成軟件、自主開發的船載探測系統有機配合，在實時同步情況下，采集的脈沖信號與定位數據相匹配，提高了采樣密度和精度，實現了小尺度水域的精細化探測。解決了河道整治工程根石探測中穿透淤泥層等技術難題，改變了長期依靠人工錐探的落后方法。該技術經濟、社會、環境效益顯著，具有廣泛的推廣應用前景。
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