淺地層剖面技術(shù)在黃河下游根石探測(cè)中的應(yīng)用.docx

1、重磁電技術(shù)淺地層剖面技術(shù)在黃河下游根石探測(cè)中的應(yīng)用馬愛(ài)玉"謝向丈郭玉松張曉予(黃河勘測(cè)烷劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院，河南鄭卅450003)摘要馬愛(ài)玉.謝向文，郭玉松.張曉予.淺地層剖面技術(shù)在黃河下游根石探測(cè)中的應(yīng)用.物探裝備.2009,19(6)：391394根據(jù)黃河根石探測(cè)的環(huán)境及特點(diǎn)，采用引進(jìn)的淺地層削面儀，經(jīng)大任的對(duì)比試驗(yàn)及生產(chǎn)試騷，開(kāi)發(fā)了一整套根石探測(cè)的技術(shù).本文通過(guò)對(duì)儀器與人工錢(qián)探的應(yīng)用成果進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明淺地層剖面技術(shù)很好地解決了黃河根石探測(cè)的技術(shù)難題，并巳投入生產(chǎn)應(yīng)用。關(guān)鍵詞河道整治工程根石投測(cè)聲納淺地層剖面儀ABSTRACTMaAiyu,XieXiangwen.G

2、uoYusongandZhangXiaoyu.Theapplicationofthesub-bottomprofiletechnologyonfootstonedetectioninthelowerYellowRiver.EGP,2009,19(6):391394AccordingtotheenvironmentandthecharacteristicsofthefootstoncdetectionintheYellowRiver,asetoftechnologyonfootstonedetectionhasbeendevelopedbyalargenumbero(comparativetri

3、alsandproductionwiththeadoptingofsub-bottomprofiler.ByComparingthesub-bottomprofilerwiththeprobedetectionresults,theanaysisshowedthatthesub-bottomprofiletechnologycaneffectivelysolvethetechnicalproblemsoffootstoncdetectionintheYellowRiver.Nowthistechnologyhavebeenputintoproduction.Keywordschannelreg

4、ulationengineering,footstonedetection,sonar,sub-bottomprofiler-馬愛(ài)玉，女.1967年出生，高級(jí)工程師，主要從事工程物探工作.0引言長(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-，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。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。控導(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(lài)于護(hù)根（根石）的穩(wěn)定，根石是壩、垛、護(hù)岸最重要的組成部分。因此,根石探測(cè)是防汛搶險(xiǎn)、確保防洪安全的最

5、重要工作之一。凡十年來(lái)，水下根石狀況靠人工探摸，其探摸范圍小、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(mǎn)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)了淺地層剖面儀，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，將硬件、數(shù)據(jù)處理軟件、方法技術(shù)等形成了一套根石探測(cè)的淺地層剖面技術(shù)，該項(xiàng)目技術(shù)成果已于2009年1月通過(guò)水利部蛆織的科技鑒定，經(jīng)鑒定，研究成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中在小尺度精細(xì)化根石探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的綜合集成方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果的取得，為黃河下游防洪工程的建設(shè)

6、與管理，提供重要的技術(shù)支撐。1淺地層剖面儀及探測(cè)技術(shù)1.1淺地層剖面儀最初引進(jìn)的是X-Star淺地層剖面儀，升級(jí)后為32OOXS淺地層剖面儀，是美國(guó)EdgeTech公司生產(chǎn)的一種高分辨率、多用途寬帶調(diào)頻（FM）淺地層剖面儀系統(tǒng)。由船上單元、水下電纜和拖魚(yú)組成，拖魚(yú)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。1.2探測(cè)原理探測(cè)采用聲納原理，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(yú)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

7、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，即可得到水面以下地層的分布情況（如圖1所示）。圖1淺地層剖面儀的工作原理圖圖1淺地層剖面儀的工作原理圖甲板單元（主機(jī)）水下單元（拖魚(yú)）1.3黃河根石探測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)與解決辦法根石探測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)在于根石分布范圍小，坡度變化大,水深淺，屬于小尺度水域的精細(xì)化探測(cè)問(wèn)題，并且需要穿透渾水和淤泥層。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。利用淺地層剖面儀探測(cè)黃河防洪中的根石，必須保證足夠的數(shù)據(jù)密度和定位精度才能獲得良好的探測(cè)效果。經(jīng)大量的對(duì)比試驗(yàn)與生產(chǎn)試驗(yàn)，我們確立了利用淺地層剖面儀，通過(guò)組合G

8、PS定位儀、船載探測(cè)系統(tǒng)和綜合集成的數(shù)據(jù)處理軟件，形成了快速高效的探測(cè)技術(shù)手段，這里簡(jiǎn)稱(chēng)為淺地層剖面技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了小尺度水域的精細(xì)化探測(cè)，取得了良好的探測(cè)效果。1.3.1探測(cè)技術(shù)（1）測(cè)線(xiàn)布置應(yīng)垂直于水下地形的走向，并宜采用橫河剖面布置，或按任務(wù)提出單位設(shè)計(jì)的斷面和要求布置。（2）GPS定位測(cè)量，一般采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測(cè)鼠。動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)站固定在淺層剖面儀拖魚(yú)發(fā)射接收陣列的中心距處。（3）淺地層剖面儀與GPS設(shè)置成一致的采樣頻率，保證探測(cè)數(shù)據(jù)與空間坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。（4）淺層剖面儀拖魚(yú)要固定在船頭或前側(cè)，減少動(dòng)力和螺旋槳工作時(shí)產(chǎn)生的干擾。1.3.2數(shù)據(jù)處理技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2所示。圖2數(shù)據(jù)處理流程野外原

9、始數(shù)據(jù)文件一般存放在GPS手簿和淺地層剖面儀工作站內(nèi)，根據(jù)所提供的已知坐標(biāo)高程點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算繪制航跡圖，并在航跡圖中繪出測(cè)線(xiàn)，再根據(jù)測(cè)線(xiàn)起始位置截取航跡中的測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)，顯示測(cè)線(xiàn)段的探測(cè)剖面，在剖面圖中追蹤探測(cè)目標(biāo)界面，將追蹤好的目標(biāo)數(shù)據(jù)形成成圖用的目標(biāo)數(shù)據(jù)文件，最后繪制地質(zhì)解釋成果圖件等。2黃河根石探測(cè)中的應(yīng)用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)形式多為柳石結(jié)構(gòu)，通常采用土壩體外加裹護(hù)防沖材料的形式。一般分為土壩體、護(hù)坡（坦石）和護(hù)根（根石）三部分（如圖3）。土壩體一般用沙壤土填筑，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)

10、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)發(fā)現(xiàn)根石變動(dòng)的部位、數(shù)量，采取預(yù)防或及時(shí)搶護(hù)的辦法，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現(xiàn)場(chǎng)工作方法現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行根石探測(cè)時(shí)，壩垛上用GPS定位儀測(cè)圖3壩體結(jié)構(gòu)示意圖量斷面位置后，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)，處理探測(cè)數(shù)據(jù)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(xiàn)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

11、泥沙及根石界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，儀器記錄來(lái)自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。根石探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作方法如圖4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)，也可采用繞壩探測(cè)模式。2.3應(yīng)用與分析已在鄭州惠金局、新鄉(xiāng)長(zhǎng)垣局、焦作孟州局、原陽(yáng)局、封丘局、山東省荷澤局等所管轄的控導(dǎo)和險(xiǎn)工工程中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用。共計(jì)完成根石探測(cè)工作355道壩，855個(gè)剖面。因篇幅有限，為說(shuō)明其應(yīng)用效果，這里重點(diǎn)談?wù)剝x器探測(cè)與人工探摸的應(yīng)用對(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

12、沙和無(wú)石等具有代表性的斷面進(jìn)行對(duì)比探測(cè)。采用兩種對(duì)比方法：定點(diǎn)探測(cè)對(duì)比和斷面探測(cè)對(duì)比。對(duì)比的內(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。2.3.1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0.3mo而黃河下游河道整治工程水下根石探測(cè)最大誤差要求不大于0.5m,滿(mǎn)足了根石探測(cè)工作需求。部分對(duì)比結(jié)果如表1所列。表1儀器探測(cè)與人工錐探成果對(duì)比衰(m)壩號(hào)點(diǎn)號(hào)儀器探測(cè)根石深度人工

13、錐探根石深度差值儀器探測(cè)泥層深度人工銷(xiāo)探泥層深度差值留控工44大寺導(dǎo)程壩11.81.850.0522.62.70.132.92.850.0543.43.250.1555.75.60.1花園口工程10813.23.10.124.44.50.137.27.00.249.08.80.21.11.30.2511.711.50.21.21.10.1花園口工程11011.71.70.025.96.00.13.33.20.136.56.50.03.33.10.246.87.10.33.43.30.157.77.50.22.3.2斷而探測(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)分別沿同一斷面進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)地

14、點(diǎn)選擇在水流較緩的水域。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(xiàn)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)信定位線(xiàn)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(xiàn)下的人工錐探作了對(duì)比。人工與儀器探測(cè)剖面的對(duì)比圖(見(jiàn)圖5),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(xiàn)呈直線(xiàn)狀j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。2.3.3誤差分析人工錐探受人力、水流、淤泥層等因素影響，最圖529壩迎水面根石探測(cè)剖面對(duì)比圖大探測(cè)深度一般不超過(guò)12rn(4根探

15、桿相接，每根3m)。人T.錐探的劣勢(shì)：定位通常采用皮尺測(cè)量，這給平距和高程帶來(lái)不可避免的誤差；船偏離測(cè)線(xiàn)因素。人工錐探是將探測(cè)船固定在水中，沿測(cè)線(xiàn)方向2m一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行錐探，探測(cè)船在流水中很難固定，探測(cè)點(diǎn)也就很難完全分布在測(cè)線(xiàn)上；水流影響。在黃河中，河水流速很快，其誤差會(huì)超過(guò)半米，另外，在河水流速較快的地方，錐桿在水流作用下，易彎曲，測(cè)點(diǎn)易偏離測(cè)線(xiàn)等；淤泥層較厚時(shí)，人工錐探很難穿透。人工探測(cè)與儀器探測(cè)僅在靜水、緩流環(huán)境下的定點(diǎn)探測(cè)時(shí)，具有較強(qiáng)的可比性。而斷面探測(cè)對(duì)比時(shí)，儀器探測(cè)采用高精度GPS定位.精度達(dá)到厘米級(jí)，采樣間隔小，能夠清晰地反映出根石的真實(shí)狀況，基本不受環(huán)境條件的限制。而人工探測(cè)采用

16、皮尺丈量.精度較低、受環(huán)境條件的制約等，二者可比性較差，從剖面對(duì)比圖中可以看出，它們?cè)谇€(xiàn)形態(tài)上有一定的相似性。采用在不影響穿透能力的情況下，盡量提高發(fā)射頻率；實(shí)測(cè)河水、淤泥的聲波速度等方法，從而減小探測(cè)誤差、提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。3結(jié)束語(yǔ)水下根石探測(cè)技術(shù)采用淺地層剖面儀，其渾水穿透能力和淤泥穿透能力強(qiáng)，具有探測(cè)數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)功能，探測(cè)采用針對(duì)黃河特殊情況研發(fā)的小尺度水域精細(xì)化探測(cè)技術(shù)，可以較好地適應(yīng)各類(lèi)黃河防洪.工程的探測(cè)環(huán)境，滿(mǎn)足各類(lèi)黃河防洪工程的探測(cè)技術(shù)要求，改變了長(zhǎng)期依靠人工錐探的落后方法。經(jīng)過(guò)2008年和2009年汛前在黃河上根石探測(cè)的生產(chǎn)應(yīng)用，得到了應(yīng)用單位的好評(píng)，其探測(cè)成果應(yīng)

17、用于所屬局的年度黃河防汛搶險(xiǎn)預(yù)案制訂工作，產(chǎn)生了良好的防洪效益和生態(tài)效益。并成功應(yīng)用于某港口工程覆蓋層厚度探測(cè)及某水庫(kù)探測(cè)區(qū)水下基地覆蓋層厚度及基巖強(qiáng)風(fēng)化界面，故也可以用于水下地質(zhì)勘察、水下隱蔽物探測(cè)等多種水下作業(yè)，具有廣泛地推廣應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1陳國(guó)祥，賈學(xué)天，陳哲.工程物探方法在淺海域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用.江蘇地質(zhì),2004,(3L1451482王潤(rùn)田.海底聲學(xué)探測(cè)與底質(zhì)識(shí)別技術(shù)的新進(jìn)展.聲學(xué)技術(shù),2002,(1)：96983吳自銀，鄭玉龍等.海底淺表層信息聲探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展.地球科學(xué)進(jìn)展,2005,(11):1210-12174劉保華，丁繼勝等.海洋地球物理探測(cè)技術(shù)及其在近海工程中的應(yīng)用.海洋科學(xué)進(jìn)展，2005,(3)：374384收稿日期:2009-08-19(上接第390