黃河水下根石探測(cè)的淺地層剖面技術(shù)（郭玉松 等）

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1、黃河水下根石探測(cè)的淺地層剖面技術(shù)（郭玉松等）　　作者：郭玉松胡一三馬愛(ài)玉［摘要］簡(jiǎn)要介紹了黃河下游根石探測(cè)的重要性及目前探測(cè)現(xiàn)狀，從工程結(jié)構(gòu)、探測(cè)條件等方面分析根石探測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了適應(yīng)復(fù)雜工況的淺地層剖面技術(shù)，并對(duì)探測(cè)成果與人工錐探進(jìn)行對(duì)比分析。工程實(shí)踐證明，淺地層剖面技術(shù)能夠很好的解決根石探測(cè)難題，應(yīng)用前景廣闊。 　　［關(guān)鍵詞］河道整治工程根石探測(cè)聲吶淺地層剖面儀 1前言 　　河道整治工程是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?？貙?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)定依賴于護(hù)根(根石)的穩(wěn)定。黃河下游現(xiàn)有堤防險(xiǎn)工

2、、控導(dǎo)工程370余處，壩、垛、護(hù)岸約10000道，常年靠水的有3000多道。這些工程常因洪水沖刷造成根石大量走失而導(dǎo)致發(fā)生墩、蟄和壩體坍塌等險(xiǎn)情，嚴(yán)重時(shí)將造成垮壩，直接威脅堤防的安全。為了保證壩垛安全，必須及時(shí)了解根石分布情況，以便做好搶護(hù)準(zhǔn)備，防止垮壩等嚴(yán)重險(xiǎn)情的發(fā)生。因此，根石探測(cè)是防汛搶險(xiǎn)、確保防洪安全的最重要工作之一。 　　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一，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。幾十年來(lái)，水下根石狀況靠人工探摸。 　　人工探摸范圍小、速度慢、難度大，探摸人員

3、水上作業(yè)時(shí)還有一定的危險(xiǎn)性，難以滿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)國(guó)個(gè)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，大量的對(duì)比探測(cè)資料表明，儀器探測(cè)精度滿足工程需要，并具有探測(cè)范圍大、速度快、安全性高等特點(diǎn)。該成果的取得，將為黃河下游防洪工程建設(shè)與管理，提供重要的技術(shù)支撐。 2淺地層剖面技術(shù) 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)型式多為柳石結(jié)構(gòu)，通常采用土壩體外加裹護(hù)防沖材料的型式。一般分為土壩體、護(hù)坡(坦石)和護(hù)根(

4、根石)三部分如圖1。 　　土壩體一般用壤土填筑，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)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)了解根石狀態(tài)及變化情況，以便及時(shí)數(shù)搶護(hù)或采取防止出險(xiǎn)措施，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探測(cè)技術(shù)條件 　　黃河下游根石探測(cè)需要穿透的介質(zhì)主要為：含泥沙的黃河渾水、河水底部的沉積泥沙、硬泥等介質(zhì)。含泥沙的黃河渾水介質(zhì)并不均勻，從水面到底部泥沙顆粒逐漸增大，其相應(yīng)的物性參數(shù)特征值也逐漸變化，但水底與沉積

5、泥沙接觸面存在突變；黃河河床底部沉積泥沙、硬泥從上到下硬度逐漸增加，相應(yīng)的物性參數(shù)也逐漸變化，但與根石接觸的界面存在物性參數(shù)的突變。因此，在對(duì)根石進(jìn)行探測(cè)時(shí)，必須穿透渾水、沉積泥沙或硬泥等介質(zhì)。 　　黃河河道整治工程根石探測(cè)作業(yè)范圍小、壩垛附近流態(tài)復(fù)雜、布設(shè)測(cè)線困難，根石散亂坡度陡，精度要求高，并須穿透渾水和淤泥層。針對(duì)穿透淤泥層等技術(shù)難題，項(xiàng)目組利用淺地層剖面儀，通過(guò)組合的GPS動(dòng)態(tài)差分儀、綜合集成軟件進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)表明，解決了河道整治工程根石探測(cè)的技術(shù)難題，改變了長(zhǎng)期依靠人工錐探的落后方法。 2.3探測(cè)原理 　　淺地層剖面儀由船上單元、水下電纜和拖

6、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。探測(cè)采用聲吶原理，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，可得到水面以下渾水介質(zhì)和地層分布情況?？刹捎枚c(diǎn)觀測(cè)與斷面探測(cè)工作方法。 2.4現(xiàn)場(chǎng)工作方法 　　首次將淺地層剖面儀引入到黃河下游河道整治工程根石探測(cè)工作中。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

7、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，而黃河根石探測(cè)的工作水域，是由壩垛和長(zhǎng)期運(yùn)行后水下根石的分布區(qū)域決定的，其作業(yè)范圍較小、精細(xì)化程度較高。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，我們確立了利用淺地層剖面儀，通過(guò)組合GPS定位儀和船載探測(cè)系統(tǒng)，并與數(shù)據(jù)處理軟件和黃河河道整治工程根石探測(cè)管理系統(tǒng)綜合集成，形成了快速高效的探測(cè)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)小尺度水域的精細(xì)化探測(cè)，從而取得了良好的探測(cè)效果。 　　具體的工作方法：壩垛上用GPS定位儀測(cè)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