連惠萍，曹京京，楊丹丹

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

河道整治工程是黃河防洪工程的重要組成部分，包括險(xiǎn)工、控導(dǎo)、護(hù)灘、護(hù)岸工程等，主要有丁壩、垛（短丁壩）、護(hù)岸3 種形式，一般以壩、垛為主。根石是壩、垛、護(hù)岸的基礎(chǔ)，其深度、坡度的完整是決定壩、垛穩(wěn)定性的重要條件。 黃河上不乏根石走失造成工程破壞的例子。 根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，當(dāng)根石深度達(dá)到11～15m、坡度達(dá)到l∶1.3～l∶l.5 時(shí)，壩、垛才能基本穩(wěn)定。 因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)根石走失的部位、數(shù)量，并采取加固與預(yù)防措施，對(duì)保持工程完整、防止出現(xiàn)工程破壞，減少搶險(xiǎn)投入、確保防洪安全具有重要意義。 為了及時(shí)探測(cè)和掌握根石分布情況，防止垮壩等嚴(yán)重險(xiǎn)情的發(fā)生，河道管理部門(mén)多年來(lái)做了大量工作，積累了不少經(jīng)驗(yàn)。 但是，由于受河流泥沙及探測(cè)技術(shù)的制約，水下根石探測(cè)技術(shù)亟待進(jìn)一步研究。

1 電子儀器探測(cè)根石的研究與開(kāi)發(fā)

黃河水利委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)黃委會(huì)）從1980 年開(kāi)始進(jìn)行黃河河道整治根石探測(cè)技術(shù)研究。 1993年，通過(guò)調(diào)研，了解到美國(guó)EdgeTech 公司研制的“XSTAR 全譜掃頻式數(shù)字淺地層剖面儀”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)XSTAR 淺地層剖面儀) 具有良好的水下探測(cè)技術(shù)性能，是當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的水下剖面探測(cè)儀器。 這為解決水下根石探測(cè)技術(shù)這一關(guān)系黃河防洪工程安全的重大難題提供了良好機(jī)遇。 1996 年，黃委會(huì)申請(qǐng)無(wú)償使用“948”計(jì)劃經(jīng)費(fèi)，用于引進(jìn)美國(guó)的XSTAR 淺地層剖面儀。 該套儀器設(shè)備于1997 年7 月初運(yùn)抵黃委會(huì)，隨后項(xiàng)目進(jìn)入全面試驗(yàn)研究階段。

1.1 X-STAR 水下剖面儀的性能檢測(cè)及開(kāi)發(fā)

依托黃河設(shè)計(jì)公司工程物探研究院， 項(xiàng)目組于1997 年7 月～2000 年9 月在黃河河南段先后進(jìn)行了多次儀器性能檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)和生產(chǎn)性試驗(yàn)。在3 批共8 次野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，共探測(cè)128 壩次。試驗(yàn)過(guò)程中，X-STAR 淺地層剖面儀穿過(guò)渾水(最大含沙量為278 kg/m3)和淤泥層，已探測(cè)到的最大根石深度(根石臺(tái)以下)達(dá)17.26 m，大于17.26 m 的根石深度在試驗(yàn)過(guò)程中尚未遇到。 根據(jù)對(duì)以往人工探摸資料統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，絕大部分工程根石深度在15 m 以?xún)?nèi)。以1998 年汛后人工探摸資料為例，河南、山東兩省黃河河務(wù)局共探摸16 468 個(gè)剖面，其中根石深度大于15 m 的僅有223 個(gè)剖面，占整個(gè)探摸根石剖面數(shù)的1.35%。 根據(jù)壩、垛設(shè)計(jì)資料，傳統(tǒng)土石壩工程基礎(chǔ)為散拋石，其設(shè)計(jì)根石深度一般不超過(guò)8 m。 因此，從目前已進(jìn)行的試驗(yàn)成果看，淺地層剖面儀的探測(cè)深度能夠滿足黃河河道整治工程根石探測(cè)的需要。 從對(duì)34 個(gè)定點(diǎn)對(duì)比探測(cè)資料分析可以看出，絕大部分根石深度的絕對(duì)誤差不大于0.2 m。 由74 個(gè)剖面儀器探測(cè)與人工探測(cè)的資料對(duì)比分析可知，二者探測(cè)結(jié)果基本吻合。因此，淺地層剖面儀可以滿足黃河河道整治工程水下基礎(chǔ)探測(cè)的需要。

3200-SX 地層剖面儀是在X-STAR 水下剖面儀基礎(chǔ)上改造成的，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(cè)的應(yīng)用試驗(yàn)。 試驗(yàn)表明，改造后的設(shè)備在水下根石探測(cè)方面效果明顯。該成果將為黃河下游防洪工程的建設(shè)與管理提供重要的技術(shù)支撐。

1.2 X-STAR 水下剖面儀的應(yīng)用效果

1999 年9 月，在河南焦作進(jìn)行生產(chǎn)性探測(cè)試驗(yàn)時(shí)，“X-STAR”水下剖面儀用5d 凈工作時(shí)間，探測(cè)54 道壩，平均每天探測(cè)10.8 道壩。 如果在相同的水流條件下，用人工探摸，依據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，平均每天可探摸6～7 道壩。 另外，在目前條件下，儀器探測(cè)需要5～6 個(gè)人，而人工探摸需要8 個(gè)人。 所以，儀器探測(cè)速度為人工探摸的1.66 倍，探測(cè)1 道壩可節(jié)省約0.7 個(gè)工日[3]?？梢?jiàn)，用“X-STAR”水下剖面儀進(jìn)行根石探測(cè)，可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高探測(cè)精度和速度。

2008 年，惠金河務(wù)局聯(lián)合黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院，經(jīng)過(guò)全面勘察其轄區(qū)內(nèi)的工程河勢(shì)情況，確定了需探測(cè)的15+800 標(biāo)準(zhǔn)化堤防、馬渡險(xiǎn)工35 壩和馬渡下延102 壩等壩垛護(hù)岸工程。 根據(jù)壩體形態(tài)及探測(cè)要求，使用3200-SX 淺地層剖面儀+GPS 定位儀+小型機(jī)動(dòng)船的組合，開(kāi)展探測(cè)工作。 在探測(cè)的同時(shí)，還對(duì)每處探測(cè)工程中具有代表性的圖片、視頻信息進(jìn)行了采集，嚴(yán)格落實(shí)探測(cè)負(fù)責(zé)制及開(kāi)工報(bào)告制度，相關(guān)人員均要在探測(cè)原始記錄上簽字，并對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行詳細(xì)、系統(tǒng)的分析，確保根石探測(cè)成果的真實(shí)可靠。 通過(guò)對(duì)新設(shè)備的運(yùn)行和與原有根石探測(cè)技術(shù)的對(duì)比，指出了需要修正的誤差，應(yīng)用效果良好。

2009 年4～6 月，按照黃委會(huì)的工作部署，在河南原陽(yáng)、封丘河務(wù)局，山東東明、牡丹、鄄城、鄆城河務(wù)局利用該儀器進(jìn)行了汛前水下根石探測(cè)，并進(jìn)行了儀器探測(cè)與人工探測(cè)的對(duì)比分析，進(jìn)一步確認(rèn)了儀器探測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性。 根據(jù)推廣試驗(yàn)探測(cè)數(shù)量統(tǒng)計(jì)，該探測(cè)儀器平均每天可探測(cè)20 道壩、垛。

實(shí)踐證明，該探測(cè)儀器滿足黃河河道整治根石探測(cè)精度要求，并具有探測(cè)范圍大、速度快、精度高、安全性好等特點(diǎn)。 該技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)防洪安全意義重大，應(yīng)用前景廣闊，全面推廣的條件已經(jīng)成熟。

2 水下探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及研究方向

根石探測(cè)是適時(shí)了解河道整治工程根石基礎(chǔ)狀況，作好除險(xiǎn)加固、保證整治工程安全的重要基礎(chǔ)工作，每年需要進(jìn)行兩次根石探測(cè)。 黃河中下游共有河道整治工程582 處， 壩垛護(hù)岸12 000 多座，工程長(zhǎng)度1 187 km，另有滾河防護(hù)工程87 處，壩垛417 座，突破根石深測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的要求十分迫切。但是，由于黃河水沙的特殊性、河勢(shì)的多變性，根石探測(cè)的難度很大，因此，取得突破可能需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)段。一方面要對(duì)傳統(tǒng)的錐探方法進(jìn)行改進(jìn)，以減輕探測(cè)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高探測(cè)效率， 另一方面， 要開(kāi)發(fā)引進(jìn)研制具有大能量、 高效率的專(zhuān)用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、方便的探測(cè)。

2.1 繼續(xù)研發(fā)與引進(jìn)探測(cè)儀器設(shè)備

“X-STAR 水下剖面儀具有能夠穿透淤泥層，探測(cè)速度快、精度高、結(jié)果完整直觀等優(yōu)點(diǎn)，并且可以節(jié)省大量的人力和物力資源，是目前多泥沙河流河道整治工程根石探測(cè)方面最有效的方法和手段。 它基本上適應(yīng)黃河河道整治工程水下根石探測(cè)的需要，探測(cè)成果滿足要求，但由于探測(cè)壩岸數(shù)量少，在探測(cè)精度、水上定位、探測(cè)效率等方面還需要繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用研究。

經(jīng)過(guò)沖刷和淤積，根石分布在水底或淤泥下面，在此探測(cè)條件下，由于物理特性的局限，電阻率方法和電磁方法不能充分發(fā)揮作用， 期望在機(jī)械波探測(cè)方面實(shí)現(xiàn)突破。需要研發(fā)一定頻段、大功率的聲吶設(shè)備，使其穿透淤泥層到達(dá)根石界面，而且反射信號(hào)能夠被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，聲吶探測(cè)技術(shù)不斷改進(jìn)， 一些高性能的聲吶探測(cè)設(shè)備逐漸被人們研制出來(lái)。

對(duì)于聲吶反射信號(hào)，人們往往注重于信號(hào)是否明顯，而忽略了反射信號(hào)的性質(zhì)，應(yīng)開(kāi)展水下根石接收信號(hào)的特性研究。根石界面不均勻，某些情況下呈散亂分布，但反射信號(hào)的幅度較大。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析淤泥層反射信號(hào)和根石層反射信號(hào)的特性，對(duì)判別水下根石具有重要意義。

2.2 研制適合水上作業(yè)的機(jī)械探測(cè)設(shè)備

在船上進(jìn)行人工錐探根石，不能保證現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全，而且探測(cè)效率低。在分析解剖人工錐桿探測(cè)的船體定位、工作環(huán)節(jié)、操作方式等工藝的基礎(chǔ)上，依據(jù)水下根石距壩岸較近，水上探測(cè)工作通常為淺水作業(yè)的情況，應(yīng)開(kāi)發(fā)適合淺水作業(yè)的船只，同時(shí)開(kāi)發(fā)船上作業(yè)的根石探測(cè)機(jī)械。 這樣不僅可以節(jié)省人力，而且可以提高探測(cè)效率。

2.3 完善探測(cè)資料分析軟件

黃委會(huì)開(kāi)發(fā)了用于探測(cè)資料分析的單機(jī)版“根石管理系統(tǒng)”軟件，內(nèi)業(yè)資料整理從手工點(diǎn)繪制圖發(fā)展到計(jì)算機(jī)自動(dòng)成圖。隨著探測(cè)手段的改善，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與斷面探測(cè)、 區(qū)域探測(cè)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)版分析軟件，以適應(yīng)大量探測(cè)數(shù)據(jù)分析、快速傳遞與核查等。

3 結(jié)語(yǔ)

據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，每年工程出險(xiǎn)數(shù)百壩次，甚至千壩次以上， 根石走失是工程出險(xiǎn)重要原因之一。每年汛期，機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)和民工在原地待命，給社會(huì)帶來(lái)巨大壓力。 用“X-STAR”水下剖面儀探測(cè)河道整治工程水下基礎(chǔ)分布狀況， 可及時(shí)掌握根石走失情況，有針對(duì)性地進(jìn)行根石加固，使工程險(xiǎn)情大大降低。實(shí)踐證明，根石探測(cè)新技術(shù)的推廣應(yīng)用是改變長(zhǎng)期以來(lái)黃河根石探測(cè)落后方法的重要技術(shù)手段，是推進(jìn)根石探測(cè)工作快速、準(zhǔn)確、現(xiàn)代化的必要選擇， 它將為防洪工程的完整提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

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