河道整治工程水下根石探测技术应用研究

连惠萍，曹京京，杨丹丹

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

河道整治工程是黄河防洪工程的重要组成部分，包括险工、控导、护滩、护岸工程等，主要有丁坝、垛（短丁坝）、护岸3 种形式，一般以坝、垛为主。根石是坝、垛、护岸的基础，其深度、坡度的完整是决定坝、垛稳定性的重要条件。 黄河上不乏根石走失造成工程破坏的例子。 根据实测资料分析，当根石深度达到11～15m、坡度达到l∶1.3～l∶l.5 时，坝、垛才能基本稳定。 因此，及时发现根石走失的部位、数量，并采取加固与预防措施，对保持工程完整、防止出现工程破坏，减少抢险投入、确保防洪安全具有重要意义。 为了及时探测和掌握根石分布情况，防止垮坝等严重险情的发生，河道管理部门多年来做了大量工作，积累了不少经验。 但是，由于受河流泥沙及探测技术的制约，水下根石探测技术亟待进一步研究。

1 电子仪器探测根石的研究与开发

黄河水利委员会（以下简称黄委会）从1980 年开始进行黄河河道整治根石探测技术研究。 1993年，通过调研，了解到美国EdgeTech 公司研制的“XSTAR 全谱扫频式数字浅地层剖面仪”(以下简称XSTAR 浅地层剖面仪) 具有良好的水下探测技术性能，是当时世界上最先进的水下剖面探测仪器。 这为解决水下根石探测技术这一关系黄河防洪工程安全的重大难题提供了良好机遇。 1996 年，黄委会申请无偿使用“948”计划经费，用于引进美国的XSTAR 浅地层剖面仪。 该套仪器设备于1997 年7 月初运抵黄委会，随后项目进入全面试验研究阶段。

1.1 X-STAR 水下剖面仪的性能检测及开发

依托黄河设计公司工程物探研究院， 项目组于1997 年7 月～2000 年9 月在黄河河南段先后进行了多次仪器性能检测、现场对比试验和生产性试验。在3 批共8 次野外现场试验中，共探测128 坝次。试验过程中，X-STAR 浅地层剖面仪穿过浑水(最大含沙量为278 kg/m3)和淤泥层，已探测到的最大根石深度(根石台以下)达17.26 m，大于17.26 m 的根石深度在试验过程中尚未遇到。 根据对以往人工探摸资料统计分析发现，绝大部分工程根石深度在15 m 以内。以1998 年汛后人工探摸资料为例，河南、山东两省黄河河务局共探摸16 468 个剖面，其中根石深度大于15 m 的仅有223 个剖面，占整个探摸根石剖面数的1.35%。 根据坝、垛设计资料，传统土石坝工程基础为散抛石，其设计根石深度一般不超过8 m。 因此，从目前已进行的试验成果看，浅地层剖面仪的探测深度能够满足黄河河道整治工程根石探测的需要。 从对34 个定点对比探测资料分析可以看出，绝大部分根石深度的绝对误差不大于0.2 m。 由74 个剖面仪器探测与人工探测的资料对比分析可知，二者探测结果基本吻合。因此，浅地层剖面仪可以满足黄河河道整治工程水下基础探测的需要。

3200-SX 地层剖面仪是在X-STAR 水下剖面仪基础上改造成的，于2006 年底完成了黄河下游河道整治工程水下根石快速探测的应用试验。 试验表明，改造后的设备在水下根石探测方面效果明显。该成果将为黄河下游防洪工程的建设与管理提供重要的技术支撑。

1.2 X-STAR 水下剖面仪的应用效果

1999 年9 月，在河南焦作进行生产性探测试验时，“X-STAR”水下剖面仪用5d 净工作时间，探测54 道坝，平均每天探测10.8 道坝。 如果在相同的水流条件下，用人工探摸，依据多年的实践经验，平均每天可探摸6～7 道坝。 另外，在目前条件下，仪器探测需要5～6 个人，而人工探摸需要8 个人。 所以，仪器探测速度为人工探摸的1.66 倍，探测1 道坝可节省约0.7 个工日[3]。可见，用“X-STAR”水下剖面仪进行根石探测，可大大减轻劳动强度，有效提高探测精度和速度。

2008 年，惠金河务局联合黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院，经过全面勘察其辖区内的工程河势情况，确定了需探测的15+800 标准化堤防、马渡险工35 坝和马渡下延102 坝等坝垛护岸工程。 根据坝体形态及探测要求，使用3200-SX 浅地层剖面仪+GPS 定位仪+小型机动船的组合，开展探测工作。 在探测的同时，还对每处探测工程中具有代表性的图片、视频信息进行了采集，严格落实探测负责制及开工报告制度，相关人员均要在探测原始记录上签字，并对探测成果进行详细、系统的分析，确保根石探测成果的真实可靠。 通过对新设备的运行和与原有根石探测技术的对比，指出了需要修正的误差，应用效果良好。

2009 年4～6 月，按照黄委会的工作部署，在河南原阳、封丘河务局，山东东明、牡丹、鄄城、郓城河务局利用该仪器进行了汛前水下根石探测，并进行了仪器探测与人工探测的对比分析，进一步确认了仪器探测的有效性和准确性。 根据推广试验探测数量统计，该探测仪器平均每天可探测20 道坝、垛。

实践证明，该探测仪器满足黄河河道整治根石探测精度要求，并具有探测范围大、速度快、精度高、安全性好等特点。 该技术的应用，对防洪安全意义重大，应用前景广阔，全面推广的条件已经成熟。

2 水下探测技术发展趋势及研究方向

根石探测是适时了解河道整治工程根石基础状况，作好除险加固、保证整治工程安全的重要基础工作，每年需要进行两次根石探测。 黄河中下游共有河道整治工程582 处， 坝垛护岸12 000 多座，工程长度1 187 km，另有滚河防护工程87 处，坝垛417 座，突破根石深测关键技术的要求十分迫切。但是，由于黄河水沙的特殊性、河势的多变性，根石探测的难度很大，因此，取得突破可能需要一个相当长的时段。一方面要对传统的锥探方法进行改进，以减轻探测工作的劳动强度， 提高探测效率， 另一方面， 要开发引进研制具有大能量、 高效率的专用设备，实现快速、准确、方便的探测。

2.1 继续研发与引进探测仪器设备

“X-STAR 水下剖面仪具有能够穿透淤泥层，探测速度快、精度高、结果完整直观等优点，并且可以节省大量的人力和物力资源，是目前多泥沙河流河道整治工程根石探测方面最有效的方法和手段。 它基本上适应黄河河道整治工程水下根石探测的需要，探测成果满足要求，但由于探测坝岸数量少，在探测精度、水上定位、探测效率等方面还需要继续进行生产应用研究。

经过冲刷和淤积，根石分布在水底或淤泥下面，在此探测条件下，由于物理特性的局限，电阻率方法和电磁方法不能充分发挥作用， 期望在机械波探测方面实现突破。需要研发一定频段、大功率的声呐设备，使其穿透淤泥层到达根石界面，而且反射信号能够被数据采集系统接收。随着材料科学的进步，声呐探测技术不断改进， 一些高性能的声呐探测设备逐渐被人们研制出来。

对于声呐反射信号，人们往往注重于信号是否明显，而忽略了反射信号的性质，应开展水下根石接收信号的特性研究。根石界面不均匀，某些情况下呈散乱分布，但反射信号的幅度较大。 通过现场试验，分析淤泥层反射信号和根石层反射信号的特性，对判别水下根石具有重要意义。

2.2 研制适合水上作业的机械探测设备

在船上进行人工锥探根石，不能保证现场工作人员的安全，而且探测效率低。在分析解剖人工锥杆探测的船体定位、工作环节、操作方式等工艺的基础上，依据水下根石距坝岸较近，水上探测工作通常为浅水作业的情况，应开发适合浅水作业的船只，同时开发船上作业的根石探测机械。 这样不仅可以节省人力，而且可以提高探测效率。

2.3 完善探测资料分析软件

黄委会开发了用于探测资料分析的单机版“根石管理系统”软件，内业资料整理从手工点绘制图发展到计算机自动成图。随着探测手段的改善，应进一步开发与断面探测、 区域探测相适应的网络版分析软件，以适应大量探测数据分析、快速传递与核查等。

3 结语

据历史资料统计，每年工程出险数百坝次，甚至千坝次以上， 根石走失是工程出险重要原因之一。每年汛期，机动抢险队和民工在原地待命，给社会带来巨大压力。 用“X-STAR”水下剖面仪探测河道整治工程水下基础分布状况， 可及时掌握根石走失情况，有针对性地进行根石加固，使工程险情大大降低。实践证明，根石探测新技术的推广应用是改变长期以来黄河根石探测落后方法的重要技术手段，是推进根石探测工作快速、准确、现代化的必要选择， 它将为防洪工程的完整提供坚实的技术基础和数据支撑。

[1] 罗庆君. 防汛抢险技术[M]. 黄河水利出版社,2000.

[2] 张宝森，齐洪海，李国力，等. 利用声发射技术预报堤防工程险情[C] //段祥宝. 水工渗流研究与应用进展--第五届全国水利工程渗流学术研讨会论文集. 南京：2006:85～87.

[3] 张建中，刘建明，刘晶，等. 坝岸工程水下基础探测技术试验研究及其应用[J]. 水利水电技术，2002（6）:66-68.