劉瑞銀，劉 璐

（山東黃河河務(wù)局東平湖管理局，山東 泰安 271000）

黃河特有的工程整治形式有壩、垛、護(hù)岸三種，壩垛有壩體（土胎）、坦石坡、護(hù)根石三部分組成，主要是控制主溜、穩(wěn)定河勢(shì)，確保黃河工程安全。近幾年，隨著管理養(yǎng)護(hù)水平的不斷提高，河道整治工程面貌發(fā)生了很大變化，抗洪能力得到了進(jìn)一步提高，工程效益得到了較好的發(fā)揮。由于黃河下游河床沙粒組成較細(xì)，抗御水流的沖刷能力很弱，因此壩前易形成很深的沖刷坑，造成根石走失，為了保護(hù)壩垛的安全，必須及時(shí)用塊石、柳石（淤）枕、鉛絲籠等進(jìn)行拋?zhàn)o(hù)。為了解河道整治工程根石分布狀況，每年汛前、汛后必須進(jìn)行工程根石探測(cè)。由于傳統(tǒng)的根石探測(cè)是人工采用探桿探測(cè)，既費(fèi)工、費(fèi)力，又受水流的影響較大，探測(cè)成果不盡準(zhǔn)確，難以掌握根石實(shí)際情況，給加固的決策造成一定的難度。2011年5月引進(jìn)美國(guó)非接觸式儀器進(jìn)行根石探測(cè)，應(yīng)用效果明顯。

1 探測(cè)原理

1.1 探測(cè)方法

水下根石探測(cè)采用美國(guó)EdgeTech公司的3200-XS淺地層剖面儀，斷面定位測(cè)量采用廣州中海達(dá)公司生產(chǎn)的雙機(jī)RTK移動(dòng)測(cè)量GPS定位儀。探測(cè)方法采用非接觸式儀器探測(cè)，并采用黃河河道整治工程根石探測(cè)技術(shù)研究成果進(jìn)行根石探測(cè)。

1）陸上斷面定位測(cè)量及斷面設(shè)置。在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇較為明顯的標(biāo)志物作為基點(diǎn)架設(shè)GPS固定站，測(cè)區(qū)內(nèi)所有探測(cè)斷面均在GPS固定站電臺(tái)通訊覆蓋范圍內(nèi)。用GPS移動(dòng)站測(cè)量各斷面的控制點(diǎn)。壩頂斷面樁缺失時(shí)，按照以下原則補(bǔ)設(shè)斷面樁并同時(shí)做明顯標(biāo)記。迎水?dāng)嗝鎻墓o(hù)起始處（上壩根）沿壩邊向前測(cè)量30m，垂直壩沿設(shè)置；若壩較長(zhǎng)，可從第一迎水?dāng)嗝嫦蚯皽y(cè)量30m設(shè)置第二迎水?dāng)嗝?，向后依此類推；上跨斷面：壩頭圓弧與迎水面連接處，垂直壩沿設(shè)置；前頭斷面：沿壩軸線設(shè)置；下跨斷面：壩頭圓弧與背水面連接處，垂直壩沿設(shè)置。

2）水下根石探測(cè)。將GPS移動(dòng)站與船上3200-SX淺地層剖面儀相連，自動(dòng)記錄水下探測(cè)斷面測(cè)線。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。設(shè)備進(jìn)入探測(cè)狀態(tài)后，由岸上一人指揮探測(cè)船沿壩頂測(cè)量花桿指示的方向控制拖魚(yú)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，船上儀器操作員記錄數(shù)據(jù)。

1.2 探測(cè)技術(shù)原理

淺地層剖面儀一般由甲板單元和水下單元 （拖魚(yú)）兩部分組成（詳見(jiàn)圖1）。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。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)送到工作站完成顯示和存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理。

圖1 淺地層剖面儀工作原理圖

水下根石探測(cè)原理：測(cè)線放好后，在陸地上插上花桿，探測(cè)設(shè)備在水中沿著斷面方向進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理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圖，按需要截取不同的根石斷面圖。由于河水、沉積泥砂、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砂界面及沉積泥砂及根石界面時(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，把探測(cè)到的根石分布信息輸入到黃河河道整治工程根石探測(cè)管理系統(tǒng)中，對(duì)根石進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理。

1.3 質(zhì)量控制

壩頂斷面樁定位測(cè)量嚴(yán)格按照《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026—1993）執(zhí)行）水下根石探測(cè)質(zhì)量控制采用重復(fù)探測(cè)檢查方式進(jìn)行，每個(gè)測(cè)區(qū)重復(fù)檢測(cè)工作量不少于該測(cè)區(qū)工作量的5%。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)的圖像顯示與處理、軌跡圖的顯示、界面的追蹤、缺石面積及缺石量數(shù)據(jù)的計(jì)算與成圖等。

根石缺石面積計(jì)算，采用數(shù)學(xué)積分方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)是已經(jīng)離散的數(shù)據(jù)，所以積分時(shí)不需要再作離散，每個(gè)斷面面積的計(jì)算由追蹤到的根石數(shù)據(jù)相鄰兩點(diǎn)與固定坡度圍成數(shù)個(gè)梯形，按照幾何圖形面積的計(jì)算方法計(jì)算出每個(gè)梯形面積，該斷面所有梯形面積之和即為本斷面的缺石面積。壩垛缺石量的計(jì)算，對(duì)于給定的壩、垛或護(hù)岸，其相鄰斷面缺石面積的平均斷面積與相應(yīng)斷面間的裹護(hù)長(zhǎng)度的乘積即為缺石量。

3 根石探測(cè)實(shí)例

3.1 蔡樓控導(dǎo)探測(cè)成果統(tǒng)計(jì)與分析

該工程探測(cè)31道壩，共115個(gè)斷面，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，其中坡度小于1∶1.0的斷面共0個(gè)，與坡度1∶1.0相比，缺石量為 63.17m3；坡度在 1∶1.0～1∶1.3 之間的斷面共26個(gè)，占總斷面22.61%，與坡度1∶1.3相比，缺石量為 1378.54m3；坡度在 1∶1.3～1∶1.5 之間的斷面共65個(gè)，占總斷面56.52%，與坡度1∶1.5相比，缺石量為10329.33m3；坡度大于1∶1.5的斷面共24個(gè)，占總斷面20.87%。

3.2 朱丁莊控導(dǎo)探測(cè)成果統(tǒng)計(jì)與分析

該工程探測(cè)20道壩，共66個(gè)斷面，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，其中坡度小于1∶1.0的斷面共0個(gè)，與坡度1∶1.0相比，缺石量為 490.33m3；坡度在 1∶1.0～1∶1.3 之間的斷面共5個(gè)，占總斷面7.58%，與坡度1∶1.3相比，缺石量為 567.56m3； 坡度在 1∶1.3～1∶1.5 之間的斷面共28個(gè)，占總斷面42.42%，與坡度1∶1.5相比，缺石量為3290.94m3；坡度大于1∶1.5的斷面共 33個(gè)，占總斷面50.00%。

3.3 路那里險(xiǎn)工探測(cè)成果統(tǒng)計(jì)與分析

該工程探測(cè)6道壩，共28個(gè)斷面，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，其中坡度小于1∶1.0的斷面共0個(gè)，占總斷面0.00%，與坡度 1∶1.0 相比，缺石量為 25.56m3；坡度在 1∶1.0～1∶1.3之間的斷面共2個(gè)，占總斷面7.14%，與坡度1∶1.3 相比，缺石量為 533.34m3；坡度在 1∶1.3～1∶1.5 之間的斷面共7個(gè)，占總斷面25.00%，與坡度1∶1.5相比，缺石量為2050.49m3；坡度大于1∶1.5的斷面共19個(gè)，占總斷面67.86%。

2011年汛前共探測(cè)4個(gè)測(cè)區(qū)63道壩，234個(gè)斷面，與坡度 1∶1.0相比，總?cè)笔繛?581.62m3；與坡度1∶1.3 相比，總?cè)笔繛?2508.85m3；與坡度 1:1.5 相比，總?cè)笔繛?6987.33m3。

4 結(jié)語(yǔ)

采用非接觸式儀器（3200-XS淺地層剖面儀、雙機(jī)RTK移動(dòng)測(cè)量GPS定位儀）進(jìn)行根石探測(cè)，經(jīng)過(guò)近年來(lái)的實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)的人工采用探桿探測(cè)相比具有顯著的優(yōu)越性。傳統(tǒng)的人工探測(cè)一般需要13～15人，多數(shù)人員在船上作業(yè)，危險(xiǎn)性較大，探測(cè)一個(gè)斷面約需15～20min，而采用該技術(shù)探測(cè)需要6～8人，多數(shù)人員在岸上作業(yè)，提高了作業(yè)的安全性，探測(cè)一個(gè)斷面約需10min?？傊?，該項(xiàng)技術(shù)受水流、水位、人為等客觀因素影響較小，不僅省時(shí)、省力、安全，而且探測(cè)成果準(zhǔn)確。淺地層剖面儀探測(cè)根石新技術(shù)，在探測(cè)精度、安全性能和生產(chǎn)效率方面均有較大的提高，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。