浅地层剖面技术在黄河下游根石探测中的应用.docx

1、重磁电技术浅地层剖面技术在黄河下游根石探测中的应用马爱玉"谢向丈郭玉松张晓予(黄河勘测烷划设计有限公司工程物探研究院，河南郑卅450003)摘要马爱玉.谢向文，郭玉松.张晓予.浅地层剖面技术在黄河下游根石探测中的应用.物探装备.2009,19(6)：391394根据黄河根石探测的环境及特点，采用引进的浅地层削面仪，经大任的对比试验及生产试骚，开发了一整套根石探测的技术.本文通过对仪器与人工钱探的应用成果进行对比分析，说明浅地层剖面技术很好地解决了黄河根石探测的技术难题，并巳投入生产应用。关键词河道整治工程根石投测声纳浅地层剖面仪ABSTRACTMaAiyu,XieXiangwen.G

2、uoYusongandZhangXiaoyu.Theapplicationofthesub-bottomprofiletechnologyonfootstonedetectioninthelowerYellowRiver.EGP,2009,19(6):391394AccordingtotheenvironmentandthecharacteristicsofthefootstoncdetectionintheYellowRiver,asetoftechnologyonfootstonedetectionhasbeendevelopedbyalargenumbero(comparativetri

3、alsandproductionwiththeadoptingofsub-bottomprofiler.ByComparingthesub-bottomprofilerwiththeprobedetectionresults,theanaysisshowedthatthesub-bottomprofiletechnologycaneffectivelysolvethetechnicalproblemsoffootstoncdetectionintheYellowRiver.Nowthistechnologyhavebeenputintoproduction.Keywordschannelreg

4、ulationengineering,footstonedetection,sonar,sub-bottomprofiler-马爱玉，女.1967年出生，高级工程师，主要从事工程物探工作.0引言长期以来，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-，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。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，根石是坝、垛、护岸最重要的组成部分。因此,根石探测是防汛抢险、确保防洪安全的最

5、重要工作之一。凡十年来，水下根石状况靠人工探摸，其探摸范围小、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”，引进了浅地层剖面仪，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，将硬件、数据处理软件、方法技术等形成了一套根石探测的浅地层剖面技术，该项目技术成果已于2009年1月通过水利部蛆织的科技鉴定，经鉴定，研究成果总体达到国际先进水平，其中在小尺度精细化根石探测等关键技术的综合集成方面达到国际领先水平。该成果的取得，为黄河下游防洪工程的建设

6、与管理，提供重要的技术支撑。1浅地层剖面仪及探测技术1.1浅地层剖面仪最初引进的是X-Star浅地层剖面仪，升级后为32OOXS浅地层剖面仪，是美国EdgeTech公司生产的一种高分辨率、多用途宽带调频（FM）浅地层剖面仪系统。由船上单元、水下电缆和拖鱼组成，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。1.2探测原理探测采用声纳原理，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

7、完成显示和存储处理。经时深转换与数据处理，即可得到水面以下地层的分布情况（如图1所示）。图1浅地层剖面仪的工作原理图图1浅地层剖面仪的工作原理图甲板单元（主机）水下单元（拖鱼）1.3黄河根石探测的技术难点与解决办法根石探测的技术难点在于根石分布范围小，坡度变化大,水深浅，属于小尺度水域的精细化探测问题，并且需要穿透浑水和淤泥层。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。利用浅地层剖面仪探测黄河防洪中的根石，必须保证足够的数据密度和定位精度才能获得良好的探测效果。经大量的对比试验与生产试验，我们确立了利用浅地层剖面仪，通过组合G

8、PS定位仪、船载探测系统和综合集成的数据处理软件，形成了快速高效的探测技术手段，这里简称为浅地层剖面技术，从而实现了小尺度水域的精细化探测，取得了良好的探测效果。1.3.1探测技术（1）测线布置应垂直于水下地形的走向，并宜采用横河剖面布置，或按任务提出单位设计的断面和要求布置。（2）GPS定位测量，一般采用实时动态差分测鼠。动态观测站固定在浅层剖面仪拖鱼发射接收阵列的中心距处。（3）浅地层剖面仪与GPS设置成一致的采样频率，保证探测数据与空间坐标相对应。（4）浅层剖面仪拖鱼要固定在船头或前侧，减少动力和螺旋桨工作时产生的干扰。1.3.2数据处理技术数据处理流程见图2所示。图2数据处理流程野外原

9、始数据文件一般存放在GPS手簿和浅地层剖面仪工作站内，根据所提供的已知坐标高程点进行计算绘制航迹图，并在航迹图中绘出测线，再根据测线起始位置截取航迹中的测线数据，显示测线段的探测剖面，在剖面图中追踪探测目标界面，将追踪好的目标数据形成成图用的目标数据文件，最后绘制地质解释成果图件等。2黄河根石探测中的应用2.1坝垛工程概况黄河下游河道整治工程的坝、垛、护岸的结构形式多为柳石结构，通常采用土坝体外加裹护防冲材料的形式。一般分为土坝体、护坡（坦石）和护根（根石）三部分（如图3）。土坝体一般用沙壤土填筑，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

10、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发现根石变动的部位、数量，采取预防或及时抢护的办法，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现场工作方法现场进行根石探测时，坝垛上用GPS定位仪测图3坝体结构示意图量断面位置后，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，处理探测数据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

11、泥沙及根石界面时，会发生反射，仪器记录来自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。根石探测现场工作方法如图4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，也可采用绕坝探测模式。2.3应用与分析已在郑州惠金局、新乡长垣局、焦作孟州局、原阳局、封丘局、山东省荷泽局等所管辖的控导和险工工程中进行对比试验、生产试验和生产应用。共计完成根石探测工作355道坝，855个剖面。因篇幅有限，为说明其应用效果，这里重点谈谈仪器探测与人工探摸的应用对比。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

12、沙和无石等具有代表性的断面进行对比探测。采用两种对比方法：定点探测对比和断面探测对比。对比的内容包括：探测能力、探测精度、水上定位精度、探测效率等。2.3.1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0.3mo而黄河下游河道整治工程水下根石探测最大误差要求不大于0.5m,满足了根石探测工作需求。部分对比结果如表1所列。表1仪器探测与人工锥探成果对比衰(m)坝号点号仪器探测根石深度人工

13、锥探根石深度差值仪器探测泥层深度人工销探泥层深度差值留控工44大寺导程坝11.81.850.0522.62.70.132.92.850.0543.43.250.1555.75.60.1花园口工程10813.23.10.124.44.50.137.27.00.249.08.80.21.11.30.2511.711.50.21.21.10.1花园口工程11011.71.70.025.96.00.13.33.20.136.56.50.03.33.10.246.87.10.33.43.30.157.77.50.22.3.2断而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进行探测。探测地

14、点选择在水流较缓的水域。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信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图(见图5),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j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。2.3.3误差分析人工锥探受人力、水流、淤泥层等因素影响，最图529坝迎水面根石探测剖面对比图大探测深度一般不超过12rn(4根探

15、杆相接，每根3m)。人T.锥探的劣势：定位通常采用皮尺测量，这给平距和高程带来不可避免的误差；船偏离测线因素。人工锥探是将探测船固定在水中，沿测线方向2m一个点，进行锥探，探测船在流水中很难固定，探测点也就很难完全分布在测线上；水流影响。在黄河中，河水流速很快，其误差会超过半米，另外，在河水流速较快的地方，锥杆在水流作用下，易弯曲，测点易偏离测线等；淤泥层较厚时，人工锥探很难穿透。人工探测与仪器探测仅在静水、缓流环境下的定点探测时，具有较强的可比性。而断面探测对比时，仪器探测采用高精度GPS定位.精度达到厘米级，采样间隔小，能够清晰地反映出根石的真实状况，基本不受环境条件的限制。而人工探测采用

16、皮尺丈量.精度较低、受环境条件的制约等，二者可比性较差，从剖面对比图中可以看出，它们在曲线形态上有一定的相似性。采用在不影响穿透能力的情况下，尽量提高发射频率；实测河水、淤泥的声波速度等方法，从而减小探测误差、提高数据的准确度。3结束语水下根石探测技术采用浅地层剖面仪，其浑水穿透能力和淤泥穿透能力强，具有探测数据与定位数据同步存储功能，探测采用针对黄河特殊情况研发的小尺度水域精细化探测技术，可以较好地适应各类黄河防洪.工程的探测环境，满足各类黄河防洪工程的探测技术要求，改变了长期依靠人工锥探的落后方法。经过2008年和2009年汛前在黄河上根石探测的生产应用，得到了应用单位的好评，其探测成果应

17、用于所属局的年度黄河防汛抢险预案制订工作，产生了良好的防洪效益和生态效益。并成功应用于某港口工程覆盖层厚度探测及某水库探测区水下基地覆盖层厚度及基岩强风化界面，故也可以用于水下地质勘察、水下隐蔽物探测等多种水下作业，具有广泛地推广应用前景。参考文献1陈国祥，贾学天，陈哲.工程物探方法在浅海域地质调查中的应用.江苏地质,2004,(3L1451482王润田.海底声学探测与底质识别技术的新进展.声学技术,2002,(1)：96983吴自银，郑玉龙等.海底浅表层信息声探测技术研究现状及发展.地球科学进展,2005,(11):1210-12174刘保华，丁继胜等.海洋地球物理探测技术及其在近海工程中的应用.海洋科学进展，2005,(3)：374384收稿日期:2009-08-19(上接第390