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(xiǎn)工、控導(dǎo)、護(hù)灘、護(hù)岸工程等。根石是壩、垛、護(hù)岸的基礎(chǔ)，土壩體、護(hù)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(hù)，才能達(dá)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(jì)公司物探院借助黃委引進(jìn)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(yàn)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(yàn)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(jī)。該機(jī)械是模仿人工錐探根石的下錐、脈沖前進(jìn)、提升的工作流程設(shè)計(jì)，探測機(jī)采用雙驅(qū)動的兩個(gè)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(gè)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(qiáng)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(gè)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(yùn)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(yùn)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(jìn)行根石探測試驗(yàn)研究，經(jīng)過6年試驗(yàn)，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(jì)算機(jī)死機(jī)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(jìn)了美國的SIR-8地質(zhì)雷達(dá)，對淤泥層下根石分布情況進(jìn)行多次探測試驗(yàn)，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(xiǎn)工段壩進(jìn)行了根石探測，試驗(yàn)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(jìn)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(diǎn)科技攻關(guān)，黃委設(shè)計(jì)公司物探院承擔(dān)研究任務(wù)，選擇了多種物探方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，如直流電阻率法、聲納探測試驗(yàn)、地質(zhì)雷達(dá)探測試驗(yàn)、瞬變電磁法、淺層反射法等，已進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)研究”列入國家“948”計(jì)劃項(xiàng)目，從美國引進(jìn)X-Star水下剖面儀，其最大特點(diǎn)之一就是能夠穿透淤泥層，同時(shí)進(jìn)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(jì)公司物探院利用X-Star全譜掃頻式數(shù)字淺地層剖面儀進(jìn)行升級，通過設(shè)備改裝、探測模式改進(jìn)、主機(jī)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(yàn)，與人工定點(diǎn)探測和剖面對比探測，取得了良好的探測效果，實(shí)現(xiàn)了根石探測工作從探測作業(yè)、數(shù)據(jù)存儲、計(jì)算機(jī)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(jī)、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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)了探測主機(jī)、傳輸、數(shù)據(jù)存儲運(yùn)算的一體作業(yè)，提高了探測與成果分析計(jì)算功效；同時(shí)，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(jìn)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(jìn)行，探測斷面布設(shè)的原則是上、下跨角各設(shè)一個(gè)，壩垛的圓弧段設(shè)1~2個(gè)，迎水面根據(jù)實(shí)際情況設(shè)1~3個(gè)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(shí)，要測出壩頂高程、根石臺高程、水面高程、測點(diǎn)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(jì)算機(jī)。

根石探測斷面圖由計(jì)算機(jī)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(shí)的水位或?yàn)┟娓叱獭?/p>

缺石量計(jì)算為缺石平均斷面面積乘以兩斷面間的裹護(hù)周長。

缺石斷面面積繪制出的實(shí)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(jì)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(jìn)行比較，計(jì)算缺石斷面面積。斷面面積采用兩個(gè)相臨實(shí)測斷面缺石面積算術(shù)平均值。

斷面之間裹護(hù)長度，險(xiǎn)工壩垛及有根石臺的控導(dǎo)護(hù)灘工程其直線段采用根石臺外緣長度，控導(dǎo)護(hù)灘工程無根石臺的直線段采用壩頂外緣長度；險(xiǎn)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(jì)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(jì)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(jìn)水平，其中在小尺度精細(xì)化根石探測等關(guān)鍵技術(shù)的綜合集成方面達(dá)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(gè)河務(wù)局開展了生產(chǎn)推廣試驗(yàn)，進(jìn)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(jìn)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(dá)到每天20道壩垛。2010年該項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大推廣范圍，完成了山東、河南兩省黃河河務(wù)局所屬13個(gè)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(xiàng)探測業(yè)務(wù)，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，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(hù)工程水下護(hù)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(diǎn)，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(yùn)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(jì)、制度、行政等措施，加快推廣應(yīng)用步伐，達(dá)到促進(jìn)工程管理良性運(yùn)行，充分發(fā)揮工程效益之目的。