黄河水下根石探测的浅地层剖面技术
1 前言
河道整治工程是黄河防洪工程的重要组成部分，主要包括控导工程和险工两部分。控导工程和险工由丁坝、垛(短丁坝)、护岸三种建筑物组成。土坝体、护坡的稳定依赖于护根(根石)的稳定。黄河下游现有堤防险工、控导工程370余处，坝、垛、护岸约10 000道，常年靠水的有3 000多道。这些工程常因洪水冲刷造成根石大量走失而导致发生墩、蛰和坝体坍塌等险情，严重时将造成垮坝，直接威胁堤防的安全。为了保证坝垛安全，必须及时了解根石分布情况，以便做好抢护准备，防止垮坝等严重险情的发生。因此，根石探测是防汛抢险、确保防洪安全的最重要工作之一。
长期以来，根石探测技术一直是困扰黄河下游防洪安全的重大难题之一，解决根石探测技术问题，及时掌握根石的分布情况，对减少河道整治工程出险、保证防洪安全和沿黄农业丰收至关重要。几十年来，水下根石状况靠人工探摸。
人工探摸范围小、速度慢、难度大，探摸人员水上作业时还有一定的危险性，难以满足防洪保安全的要求。
近年来，黄河水利委员会根石探测项目组依托水利部“948”项目“坝岸工程水下基础探测技术研究”，引进国个浅地层剖面仪，经过对探测设备软硬件的升级改造及现场反复试验研究，解决了水下根石探测问题，大量的对比探测资料表明，仪器探测精度满足工程需要，并具有探测范围大、速度快、安全性高等特点。该成果的取得，将为黄河下游防洪工程建设与管理，提供重要的技术支撑。
2 浅地层剖面技术
2.1 坝垛工程概况
黄河下游河道整治工程的坝、垛、护岸的结构型式多为柳石结构，通常采用土坝体外加裹护防冲材料的型式。一般分为土坝体、护坡(坦石)和护根(根石)三部分如图1。
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土坝体一般用壤土填筑，有条件的再用粘性土修保护层；护坡用块石抛筑，由于块石铺放方式不同，可分为散石、扣石和砌石三种；护根一般用散抛块石、柳石枕和铅丝石笼抛筑。根石的完整是丁坝稳定最重要的条件，进行根石探测可以及时了解根石状态及变化情况，以便及时数抢护或采取防止出险措施，防止工程出现破坏，还可节省大量的抢险费用，对防洪安全具有重要意义。
2.2 探测技术条件
黄河下游根石探测需要穿透的介质主要为：含泥沙的黄河浑水、河水底部的沉积泥沙、硬泥等介质。含泥沙的黄河浑水介质并不均匀，从水面到底部泥沙颗粒逐渐增大，其相应的物性参数特征值也逐渐变化，但水底与沉积泥沙接触面存在突变；黄河河床底部沉积泥沙、硬泥从上到下硬度逐渐增加，相应的物性参数也逐渐变化，但与根石接触的界面存在物性参数的突变。因此，在对根石进行探测时，必须穿透浑水、沉积泥沙或硬泥等介质。
黄河河道整治工程根石探测作业范围小、坝垛附近流态复杂、布设测线困难，根石散乱坡度陡，精度要求高，并须穿透浑水和淤泥层。针对穿透淤泥层等技术难题，项目组利用浅地层剖面仪，通过组合的GPS动态差分仪、综合集成软件进行了大量的现场试验，对比试验和生产试验表明，解决了河道整治工程根石探测的技术难题，改变了长期依靠人工锥探的落后方法。
2.3 探测原理
浅地层剖面仪由船上单元、水下电缆和拖鱼组成（如图2所示），拖鱼与一条电缆连接悬在水中，它装有宽频带发射阵列和接收阵列。探测采用声呐原理，发射阵列发射一定频段范围内的调频脉冲，脉冲信号遇到不同波阻抗界面产生反射脉冲，反射脉冲信号被拖鱼内的接收阵列接收并放大，由电缆送至船上单元的数控放大器放大，再由Ａ/Ｄ转换器采样转换为反射波的数字信号，然后送到DSP板做相关处理，最后把信号送到工作站完成显示和存储处理。经时深转换与数据处理，可得到水面以下浑水介质和地层分布情况。可采用定点观测与断面探测工作方法。
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2.4 现场工作方法
首次将浅地层剖面仪引入到黄河下游河道整治工程根石探测工作中。浅地层剖面仪主要用于海洋调查勘探。在海洋调查勘探工作中，其工作水域一般是以千米计，探测范围大，分辨率要求不高，而黄河根石探测的工作水域，是由坝垛和长期运行后水下根石的分布区域决定的，其作业范围较小、精细化程度较高。经反复试验，我们确立了利用浅地层剖面仪，通过组合GPS定位仪和船载探测系统，并与数据处理软件和黄河河道整治工程根石探测管理系统综合集成，形成了快速高效的探测技术手段，实现小尺度水域的精细化探测，从而取得了良好的探测效果。
具体的工作方法：坝垛上用GPS定位仪测量断面位置后，在岸上固定好断面，在坝顶断面桩处竖立两根测量花杆控制断面测量方向。探测设备在水中沿着断面方向进行探测，探测数据经处理后绘制根石断面图或在坝垛附近水域随测量定位给出坝垛根石等深线图，按需要截取不同的根石断面图。由于河水、沉积泥沙、根石界面之间存在着很大的波阻抗差异，当声波入射到水与沉积泥沙界面及沉积泥沙及根石界面时，会发生反射，仪器记录来之不同波阻抗界面反射信号，同时将GPS定位系统测量的三维坐标记录到采集的信号中，对信号进行识别、处理得到水下根石的分布信息，把探测到的根石分布信息输入到黄河河道整治工程根石探测管理系统中，对根石进行网络动态实时管理。根石探测现场工作方法，如图3所示。在河水高流速的情况下，如果行船航迹不能沿设定断面探测时，也可采用绕坝探测模式。
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2.5 探测成果资料解释
探测的原始记录用灰度图实时地显示在仪器显示屏上，如图4所示。通过原始记录即可大体看出水下淤泥与抛石分布情况，左侧为淤泥层反射界面，界面比较光滑；右侧为抛石的反映，能量很强，但有发散情况。
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为适应在浅地层剖面仪软、硬件环境及新的工作模式下，准确、快捷地处理解释数据资料，项目组开发了一套数据处理软件，提取探测数据，对数据进行快速处理与解释。首先调用原始数据，显示原始数据影像，经处理转换成波形图，提取出GPS数据绘制航迹图，根据轨迹图追踪波形反射界面，自动存储探测数据，计算缺石面积和缺石量等，绘制断面图(图5所示)，并可导出成果统计分析表。
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3 仪器与人工锥探对比
在项目研究过程中，对仪器探测与人工探摸工作进行了对比，为保证探测结果的可靠性和代表性，选择了动水、静水、有石无沙、有石有沙和无石等具有代表性的断面进行对比探测。内容包括探测能力、探测精度、水上定位精度、探测效率等。
3.1 定点探测成果对比
定点对比探测试验，现场工作时，探测船固定，首先用仪器进行定点探测，现场解释探测成果，然后在相同位置进行人工锥探。工作在大留寺控导工程及花园口险工进行，从对比结果可以看出，两者基本一致。淤泥厚度最大误差不大于0.2m，根石深度最大误差为不大于0.3m。见下表。
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3.2 断面探测成果对比
断面探测对比时，人工锥探和仪器探测分别沿同一断面上进行探测。探测地点选择在水流较缓水域。探测时，仪器在探测载体运动状态下沿着测量定位线连续移动探测；人工锥探仍采用靠船边沿着同一条测量定位线每间隔两米进行探测。在长垣周营控导工程28坝、29坝沿固定断面进行了仪器探测，并与同测线下的人工锥探作了对比。人工与仪器探测剖面的对比见图6和图7，探测资料对比显示，探测深度、根石比降基本一致。由于人工探测数据量少，其探测断面线呈直线状；而仪器探测数据量大，清晰完整地反映了水下根石的真实状态。两图探测断面形态吻合良好，深度最大误差小于0.3m。
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4 结语
黄河下游河道整治工程根石探测是确保防洪工程安全的一项重要工作。工程实践表明，将海洋调查专用的大功率非接触式浅地层剖面仪应用于多沙河流根石探测，将浅地层剖面仪、RTK移动测量GPS定位系统、综合集成软件、自主开发的船载探测系统有机配合，在实时同步情况下，采集的脉冲信号与定位数据相匹配，提高了采样密度和精度，实现了小尺度水域的精细化探测。解决了河道整治工程根石探测中穿透淤泥层等技术难题，改变了长期依靠人工锥探的落后方法。该技术经济、社会、环境效益显著，具有广泛的推广应用前景。
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