黃河下游河道整治工程根石探測技術(shù)分析

袁占軍，李長鵬，劉嘉森

（1．黃河水利委員會供水局，河南 鄭州 450003；2.齊河黃河河務(wù)局，山東 齊河 251100；3.黃委河湖建安中心，河南 鄭州 450003）

河道整治工程是黃河防洪工程的重要組成部分，包括險工、控導(dǎo)、護灘、護岸工程等。根石是壩、垛、護岸的基礎(chǔ)，土壩體、護坡的穩(wěn)定與安全依賴于根石基礎(chǔ)的穩(wěn)定，也是石料用量最多、占用投資最大的部位，只有經(jīng)數(shù)次不利水流條件的沖刷搶護，才能達到相對穩(wěn)定。對根石的探測受河流泥沙及探測技術(shù)手段的制約，黃河水利委員會（以下簡稱黃委）基層河務(wù)單位多數(shù)靠人工探摸，存在誤差大、速度慢、精度差、不安全等問題。1996年開始，黃河設(shè)計公司物探院借助黃委引進的X-Star水下地層剖面儀，經(jīng)過對設(shè)備軟件的升級改造及反復(fù)試驗研究，到2008年水下根石探測取得技術(shù)突破，為黃河河道整治工程根石探測提供了重要技術(shù)支撐。

1 根石探測歷史沿革

長期以來黃河根石探測采用的探測方法，均是靠接觸式并憑借操作者的經(jīng)驗判斷水下工程基礎(chǔ)分布狀況的方法。

1）探水桿探測法。由探測人員在岸邊直接用6~8 m標(biāo)有刻度的竹制長桿探測。

2）鉛魚探測法。在船上放置鉛魚至水下，用系在鉛魚上標(biāo)有尺度的繩索測量根石的深度。

3）人工錐探法（或稱水下錐探法）。在船上用一定長度的鋼錐直接觸及根石，遇到淤泥層錐桿要穿過淤泥層直至根石，并測量深度。

4）移動式電動探測機。該機械是模仿人工錐探根石的下錐、脈沖前進、提升的工作流程設(shè)計，探測機采用雙驅(qū)動的兩個同步旋轉(zhuǎn)滾輪，靠一端能自鎖的偏心套擠壓探桿，兩輪旋滾驅(qū)動探桿向下探測根石。

采用傳統(tǒng)的人工錐探法探測根石，存在幾個突出問題：一是人工探測受船只定位、彎道水流及錐桿摩擦等因素影響，流速不宜大于1 m/s，探測精度極差，難以為根石加固決策提供可靠的技術(shù)支撐；二是勞動強度大、功效低、成本高，1船10人輪換作業(yè)，每天最多完成3道壩、15個斷面；三是探摸深度小，一般只能探摸6～8 m深度；四是探測船只定位難、探摸人員水上作業(yè)安全得不到保證；五是錐探不能用于土工織物沉排等新結(jié)構(gòu)壩垛，容易造成壩體破壞，使用受限。因此，研究并運用現(xiàn)代化根石探測技術(shù)，對快速、準(zhǔn)確地探測工程根石狀況、提高防洪工程管理決策水平、保證工程運用安全具有重要意義。

2 電子儀器探測技術(shù)研究歷程

1980年，黃委水文局利用水下聲納反射原理研制的HS-l型渾水測深儀，解決了穿透不同含沙量情況下的渾水測深問題。但因該儀器不具備穿透淤泥沙層的功能，精度較差，未能推廣應(yīng)用。

1982年，黃委與中科院聲學(xué)所合作，利用聲納技術(shù)進行根石探測試驗研究，經(jīng)過6年試驗，在渾水泥沙、沉積層衰減、散射、根石等效反射系數(shù)及沉積層聲速等方面取得大量研究數(shù)據(jù)，但在電火花聲源、電磁波沖擊導(dǎo)致計算機死機和定位系統(tǒng)等技術(shù)問題未能解決，故無法投入應(yīng)用。

1985年，黃委引進了美國的SIR-8地質(zhì)雷達，對淤泥層下根石分布情況進行多次探測試驗，終因電磁波能量衰減快、散射特性復(fù)雜，目標(biāo)回波與背景混合干擾在一起，目標(biāo)識別難度增大，未能取得有效的探測結(jié)果。

1991年，黃委水科院采用雙偶極直流電阻率法在花園口險工段壩進行了根石探測，試驗對比結(jié)果表明：此法可測到根石位置和厚度，因精度較差且只能在灘地上進行而未能推廣應(yīng)用。

1992年開始，“丁壩根石探測技術(shù)研究”被列入國家“八五”重點科技攻關(guān)，黃委設(shè)計公司物探院承擔(dān)研究任務(wù)，選擇了多種物探方法進行了試驗研究，如直流電阻率法、聲納探測試驗、地質(zhì)雷達探測試驗、瞬變電磁法、淺層反射法等，已進行試驗的幾種物探方法及儀器探測效果都不理想。

1996年開始，黃委將“黃河河道整治工程水下基礎(chǔ)探測試驗研究”列入國家“948”計劃項目，從美國引進X-Star水下剖面儀，其最大特點之一就是能夠穿透淤泥層，同時進行水下根石探測，不受惡劣的水流條件限制。在黃委指導(dǎo)與協(xié)調(diào)下，黃河設(shè)計公司物探院利用X-Star全譜掃頻式數(shù)字淺地層剖面儀進行升級，通過設(shè)備改裝、探測模式改進、主機升級、數(shù)據(jù)處理軟件優(yōu)化等步驟，開發(fā)研制出3200-SX淺地層剖面儀，于2006年底完成了黃河下游河道整治工程水下根石快速探測的應(yīng)用試驗，與人工定點探測和剖面對比探測，取得了良好的探測效果，實現(xiàn)了根石探測工作從探測作業(yè)、數(shù)據(jù)存儲、計算機信息管理形成了一套完整的系統(tǒng)。該探測系統(tǒng)由淺地層剖面儀、GPS動態(tài)差分儀、船載探測系統(tǒng)及相關(guān)軟件集成，其中淺地層剖面儀包括主機、拖魚和傳輸線組成。

3200-SX淺地層剖面儀由船上單元、電纜和拖魚組成。拖魚裝有寬頻帶發(fā)射陣列和接收陣列，發(fā)射陣列發(fā)射調(diào)頻脈沖，脈沖信號遇到不同波阻抗界面產(chǎn)生反射脈沖，反射脈沖信號由接收陣列接收并由數(shù)控放大器逐級放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換為反射波的數(shù)字信號，然后送到DSP板做相關(guān)處理，最后把信號送到工作站完成顯示和存儲處理。經(jīng)時深轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理，可得到水面以下地層分布情況。

3200-XS淺地層剖面儀：一是利用GPS動態(tài)差分功能測定并存儲探測斷面，長期固定探測斷面與行船軌跡，便于與設(shè)計斷面比較，減少因探測斷面變化帶來的探測誤差，從而提高探測的準(zhǔn)確性；二是開發(fā)了適應(yīng)于黃河等高含沙河流的水下探測儀器、分析軟件，能夠有效區(qū)分河道淤泥層與根石頂面，提高了探測精度；三是實現(xiàn)了探測主機、傳輸、數(shù)據(jù)存儲運算的一體作業(yè)，提高了探測與成果分析計算功效；同時，隨著探測手段的改善，開發(fā)完善了與斷面探測、區(qū)域探測相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)版分析軟件，以適應(yīng)大數(shù)據(jù)分析、快速傳遞與查詢服務(wù)；四是操作簡便，進行根石探測僅需要2人作業(yè)，可以快速、準(zhǔn)確地探測根石，為根石加固提供決策支持。

3 根石探測新技術(shù)工作流程

根石探測要求沿固定斷面進行，探測斷面布設(shè)的原則是上、下跨角各設(shè)一個，壩垛的圓弧段設(shè)1~2個，迎水面根據(jù)實際情況設(shè)1~3個斷面。

斷面編號自上壩根（迎水面后尾）經(jīng)壩頭至下壩根（背水面后尾）依次排序，壩垛斷面編號附后；表示形式為YS+XXX、QT+XXX、……，其中“+”前字母表示斷面所在部位，“+”后數(shù)字表示斷面至上壩根的距離。

圖1 壩垛部位圖

圖中：SG為上壩（垛）根；SK為上跨部位；SD為拐頭上跨部位；QT為壩（垛）前頭部位；XK為下跨部位；XD為拐頭下跨部位；XG為下壩（垛）根；YS為迎水面；BS為背水面；GY為拐頭迎水面。

探測時，要測出壩頂高程、根石臺高程、水面高程、測點根石深度，高程系統(tǒng)應(yīng)與所在工程的標(biāo)高系統(tǒng)一致；根石探測各斷面數(shù)據(jù)自動錄入計算機。

根石探測斷面圖由計算機繪制，縱橫比例一致，一般取1∶100或1∶200；圖上須標(biāo)明壩號、斷面編號、壩頂高程、根石臺高程、根石底部高程、測量時的水位或灘面高程。

缺石量計算為缺石平均斷面面積乘以兩斷面間的裹護周長。

缺石斷面面積繪制出的實測根石斷面分別與坡度1∶1.0、1∶1.3、1∶1.5的標(biāo)準(zhǔn)斷面（按設(shè)計要求考慮標(biāo)準(zhǔn)斷面的根石臺頂寬，但最寬不得超過2 m）進行比較，計算缺石斷面面積。斷面面積采用兩個相臨實測斷面缺石面積算術(shù)平均值。

斷面之間裹護長度，險工壩垛及有根石臺的控導(dǎo)護灘工程其直線段采用根石臺外緣長度，控導(dǎo)護灘工程無根石臺的直線段采用壩頂外緣長度；險工、控導(dǎo)工程圓弧段的周長采用根石臺或壩頂外緣長度乘以系數(shù)2確定。

計算成果應(yīng)匯總成表，分別按1∶1.0、1∶1.3、1∶1.5的標(biāo)準(zhǔn)斷面測算每處工程的壩垛數(shù)和缺石量，以縣（市、區(qū)）河務(wù)局為單位測算缺石總量。上述計算成果，須經(jīng)有關(guān)業(yè)務(wù)主管領(lǐng)導(dǎo)審查簽字。

4 根石探測新技術(shù)推廣應(yīng)用

2009年1月，3200-XS淺地層剖面儀研究成果通過水利部國科司組織的鑒定，專家認(rèn)為研究成果總體到國際先進水平，其中在小尺度精細化根石探測等關(guān)鍵技術(shù)的綜合集成方面達到國際領(lǐng)先水平。

2009年汛前先后在鄭州、新鄉(xiāng)，菏澤等3個河務(wù)局開展了生產(chǎn)推廣試驗，進行了儀器與人工探測的對比，通過探測對比和現(xiàn)場條件分析，進一步確認(rèn)了儀器探測的有效性和準(zhǔn)確性，其探測速度達到每天20道壩垛。2010年該項技術(shù)擴大推廣范圍，完成了山東、河南兩省黃河河務(wù)局所屬13個縣局的汛前根石探測業(yè)務(wù)；2011年開始已經(jīng)在黃委所屬單位全面推廣，在黃河上游及其它河流該儀器已完成航道、水下地形等多項探測業(yè)務(wù)，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。

5 發(fā)展展望

“X-Star水下淺地層剖面儀，具有能夠穿透淤泥層、探測速度快、結(jié)果完整直觀、精度高等優(yōu)點，并且可以節(jié)省大量的人力和物力資源，不僅適應(yīng)黃河河道整治工程水下根石探測，也是目前多泥沙河流堤岸防護工程水下護根探測及航道測量的有效方法，應(yīng)用前景是樂觀的。

為滿足水利現(xiàn)代化發(fā)展要求，以根石探測技術(shù)應(yīng)用為切入點，不斷創(chuàng)新思想理念和管理手段，加快工程管理科技創(chuàng)新及新技術(shù)的推廣運用。根石探測新技術(shù)是“數(shù)字工管”系統(tǒng)建設(shè)的重要成果和組成部分，應(yīng)采取經(jīng)濟、制度、行政等措施，加快推廣應(yīng)用步伐，達到促進工程管理良性運行，充分發(fā)揮工程效益之目的。