水域地震反射波法辅以侧扫声呐法在长江护岸抛石检测中的应用研究

刘东风，李金瑞，高建华

（1.安徽省长江河道管理局，安徽芜湖，241000；2.水利部长江勘测技术研究所，湖北武汉，430011）

0 引言

水流长期冲刷，河流土质岸坡失稳崩塌为常见的自然现象。为维护河势稳定，保障防洪安全，促进沿岸经济发展，保护人民生命财产安全，多年来国家为治理崩岸实施了大量的护岸工程。因抛石可以就地取材、施工效率高、抛石后可以增强岸坡稳定和抗冲刷能力，在护岸工程中被广泛采用。以长江安徽段为例，据统计长江安徽段共有崩岸76处，长度418 km[1]，占岸线1 112.7 km的37.6%。安徽省规模化崩岸治理始于1955年，特别是1998年后，国家实施了大规模的护岸工程，以水下抛石为主要防护型式。据统计，截至2019年5月，长江安徽段共护岸369 km，完成抛石量约3 198万m3，对稳定河势、保障防洪安全起到了积极作用。

为及时掌握护岸工程抛石分布状况、评价水下抛石体的施工质量、检验抛石防护效果，需要对水下抛石的数量及抛石后的厚度和赋存形态等进行检测与评价[2-3]。抛石体赋存状态探测多采用断面检测法、钻探等方法[2，4]。断面检测法即在施工前后分别测量固定断面水底高程，通过高程的增加值计算抛填厚度与均匀性。与陆域钻探不同，水域钻探受到水深、水面宽度、钻探深度、风力、流速、季节和通航条件等因素的限制，由于水上操作平台搭建费时费力且具一定危险性，一般测点布置较少，难以准确确定目标体的分布范围。上述方法存在精度差、实施成本高、工作效率低、作业安全隐患大等问题。近年来，随着物探技术的发展，物探方法具有工效高、经费省、安全性好、测点密度大、成果可靠等优点，采用物探方法准确探测水下抛石体赋存状况越来越受到重视。因此对长江抛石体进行探测技术研究，对水利工程建设与管护十分必要，也具有重要意义。

护岸抛石属水下隐蔽工程，同时具有以下特点：（1）水下埋深较浅，一般不超过50 m；（2）抛石体厚度薄，一般厚度在0.6～3.0 m；（3）块石尺寸不均匀，一般在0.3 cm～1 m；（4）结构松散、架空、孔隙大，抛石体内充满水和泥沙。水下抛石的上述特征使探测具有较大的难度，目前对应用物探方法探测护岸工程抛石的研究较少[2]。笔者对主要的水域物探方法进行了分析比较，结合物探方法适用条件及长江水域和护岸工程特点，采用水域地震反射波法探测抛石体范围和抛石体厚度，并辅以侧扫声呐法直观检查水下抛石体出露状况，综合分析研判水下抛石体赋存及分布状况。经过长江安徽段护岸抛石检测实践，并对探测结果与实际抛石量进行对比，实践表明，采用水域地震反射波法辅以侧扫声呐法探测长江护岸抛石体厚度及分布状况是可行的。

1 研究背景

最近几十年快速发展的水域工程物探技术主要有高密度电法、探地雷达法、浅地层剖面测量技术、磁力测量技术、地震反射波法、侧扫声呐技术和多波束技术等[5-6]，这些技术是获取水下目标体信息的重要手段。

高密度电法[7-8]可以判断抛石体的存在及其大致位置，尤其对花岗岩、灰岩等硬岩抛石体效果明显，但该方法具有体积效应，难以保证对厚度的探测精度。

探地雷达是利用电磁波回波来探测地质目标体的地球物理方法，在水中电磁波衰减迅速，仅适合在浅水区（最大水深小于3 m）探测1～2 m厚的抛石层。邓世坤等[9]用地质雷达探测钱塘江护堤抛石，丁凯等[10]应用探地雷达实施了水下抛石厚度的探测，尚向阳等[11]利用探地雷达探测了黄河枣树沟水下地层，结果表明这种方法在无松散介质或松散介质较少的淤泥区探测效果较好。

浅地层剖面测量技术是一种利用声波反射原理专门探测水底地形地貌和进行水下地层分层的勘探方法。马爱玉等[12]采用浅地层剖面法探测黄河根石的顶界面，该方法采用的声呐频率较高，对泥质沉积穿透能力较强，对松散抛石层的穿透能力很差，无法确定抛石层底界面及厚度。

在水域工程地质调查中，用电磁法了解松散沉积层下地质体的地质构造情况，应用不太广泛，其主要原因：一是电磁波在水中传播困难，二是电磁法其实测量的还是地层电阻率，虽然测量原理和方法与直流电法存在较大差异，但电磁法测量结果与直流电法（例如高密度电法）测量结果是可以类比的。杨农合等[13]利用TEM（瞬变电磁法）的小线框、大电流的强磁场发射方式来实现水下地质构造探测，具有一定的效果。

水域地震反射波法可对抛石体厚度进行探测[14]，其分辨率与地震波频率有关，探测厚度与震源能量有关，对薄层抛石体需采用频率较高、能量较大的震源。

侧扫声呐法[15]是对水底地貌进行扫描探测，可清晰反映水下出露部分抛石体的位置和形态，该方法可辅助探测抛石区范围及淤积情况，适合水下抛石体未被覆盖情况下对其赋存形态的快速扫描，但该方法只能成像，无法提供三维坐标数据[2]。

多波束测深适合于水下目标体未被覆盖情况下对其赋存形态的快速扫描，可精确测量水下三维地形和坐标，适合于施工过程中的质量检查和水下三维建模。朱海等[16]应用多波束技术对福姜沙水道整治工程抛石进行检测，对抛石情况作出判定，用于指导施工。

对水下抛石体，主要从抛石体的水平分布范围和厚度两方面探测。根据上述研究背景分析，对水平分布范围的探测可采用侧扫声呐法、多波束测深法或高密度电法。侧扫声呐法适用于不同水深，操作简便，可快速、实时提供结果；多波束测深法在水深小于5 m时无法工作，工作时对船只、操作人员要求高；高密度电法在覆盖层与抛石层电性差异较小时探测效果较差[2]。对抛石体厚度的探测可采用探地雷达法或地震反射波法[17]。探地雷达法探测深度较浅，一般小于6 m[17]；地震反射波法探测深度较深，适合于长江水下抛石体厚度探测[2,17]。

综合上述各种物探方法的适用性，结合长江水域条件及抛石护岸特点，推荐使用侧扫声呐法探测水下出露抛石体的水平分布范围，用地震反射波法探测抛石层的厚度[17]。

2 检测方法及原理

2.1 地震反射波法

2.1.1 工作原理及方法

采用水域走航式地震反射波法，即在工作船航行过程中，水域震源与接收传感器同步向前移动，地震观测系统保持不变，如图1～2所示。

图1 地震反射波法勘探原理图Fig.1 Principles of the seismic reflection wave method

图2 走航式地震反射波法工作示意图Fig.2 Schematic diagram of the navigational seismic reflection wave method

2.1.2 数据处理及解释

根据反射波的时间及波速计算每个层位的深度，进而计算各层的厚度。考虑到抛石体厚度可能存在不均匀，在结果数据整理时每5～10 m分段进行统计，计算每段厚度平均值。抛石体厚度计算公式为：

式中：H为抛石体厚度，m；v为地震波传播速度，m/s；t为地震波旅行时间，s。

2.2 侧扫声呐法

2.2.1 工作原理及方法

将声呐探头与甲板控制单元连接，同时甲板控制单元与GPS导航定位设备连接。将声呐放入水中一定深度（1～2 m），并将连接电缆固定于甲板上。随着船只向前航行，侧扫声呐连续扫描两侧的水底地貌，并将扫描结果传至控制单元显示并保存。

2.2.2 数据处理及解释

根据GPS测量定位数据，结合侧扫声呐的系统布置，将声呐图像归位到地形图上，形成水底声呐反射图像。根据声呐反射特征，划分出抛石裸露区、无抛石区或泥沙覆盖区。

3 应用实例

3.1 工程概况

安徽省长江崩岸应急治理工程是国家172项重大水利项目之一，工程总投资64 344万元。2015年9月开工，2019年完工通过竣工验收，共治理崩岸26处，护岸总长度50.5 km，主要工程措施为水下抛石、混凝土铰链排护脚和水上块石、混凝土块护坡，完成水下抛石354万m3。

3.2 抛石体检测结果

根据检测结果及长江河道冲淤变化特性，长江护岸工程水下抛石体赋存状态主要分为四种类型，见图3。其中：工程段河势稳定，冲刷及淤积量均很小，抛石体赋存状态表现为冲淤平衡型，见图3（a）；工程河段以冲刷为主，抛石体赋存状态以冲刷为主，部分抛石有所流失，一般会流向深泓侧，长期冲刷会造成抛石严重流失，护岸效果逐渐减弱，见图3（b）；工程河段以淤积为主，抛石上部会覆盖泥沙，抛石体赋存状态以淤积为主，见图3（c）；工程河段多次抛石，一般为部分抛石流失，后期可能又有部分淤积，形成抛石层和泥沙层交互分布的冲淤反复型，见图3（d）。

图3 水下抛石赋存状态示意图Fig.3 Existence state of underwater ripraps

工程完工后，分批次对安徽省长江崩岸应急治理工程26处水下抛石区进行检测。水域地震反射波法测线沿抛石区顺水流向平行岸线布置；侧扫声呐法检测线沿抛石区深泓侧外缘布置，扫描带覆盖抛石区范围。

图4为成德洲段（部分）物探测线航迹图，图5为成德洲段（部分）侧扫声呐探测结果，图6为成德洲段（部分）水域地震反射波法探测结果，图7～9为新大圩、大同圩、老洲头等护岸段抛石探测地震剖面图。

图4 成德洲段物探测线航迹图Fig.4 Distribution of survey lines in Chengdezhou section

为避开船底盲区，侧扫声呐检测线位于抛石区深泓侧外缘，从图5中可以清晰观察到抛石体赋存在河床上，同时可见设计抛石区外侧有部分块石存在。侧扫声呐法可以清晰地反映裸露抛石体的位置和形态，适合于水下抛石体未被覆盖情况下对其赋存形态的快速扫描，但只能成像，无法提供三维坐标数据。

图5 成德洲段侧扫声呐探测结果Fig.5 Inspection results from side-scan sonar

从图6可以看出，部分地段水底凸起部位抛石出露于水底，部分地段水底以下有少量泥沙淤积，泥沙层之下存在一抛石层，层面及层间散射特征明显。实际采集到的数据具有较高的分辨率和信噪比。图7～9中可清晰地追踪抛石体顶底界面反射波同相轴，即反映所探测区域均有抛石体的存在，同时根据抛石体顶底界面反射波旅行时差可进行抛石体厚度的判定。

图6 成德洲抛石探测地震剖面图Fig.6 Profile image of Chengdezhou section obtained by seis⁃mic reflection wave method

图7 新大圩抛石探测地震剖面图Fig.7 Profile image of Xindaweisection obtained by seismic re⁃flection wave method

3.3 历史抛石数据统计

为客观真实地统计护岸工程区历年实施的抛石情况，收集整理了26处护岸段历史上实施的抛石资料，包括历史护岸资料、航道整治工程实施资料、长江隐蔽工程实施资料、长江崩岸应急治理工程实施资料及地方政府实施的护岸等相关资料，客观真实地统计各护岸段历年水下抛石数据。

图8 大同圩抛石探测地震剖面图Fig.8 Profile image of Datongwei section obtained by seismic reflection wave method

图9 老洲头抛石探测地震剖面图Fig.9 Profile image of Laozhoutou section obtained by seismic reflection wave method

按照各护岸工程区历次累计抛石量，结合各工程区河床冲淤变化情况，分析研判对应崩岸应急治理工程各段范围内抛石量，除以崩岸应急治理工程抛石面积，计算各段崩岸治理工程范围抛石厚度。

3.4 检测结果与历史抛石数据对比

对比分析检测结果与历年抛石数据，得到如下结论：

（1）侧扫声呐法检测结果表明，水流冲刷地段泥沙落淤较少，从投影成果图看，抛石影像连续，抛石边界明显，抛石体裸露较多；近岸缓流区泥沙淤积明显，部分区域抛石被泥沙覆盖；部分地段设计抛石范围外深泓侧仍有抛石赋存，通过水域地震反射波法检测发现，王家洲、幸福洲、长沙洲、成德洲等护岸段设计抛石区外深泓侧抛石赋存厚度为0.93～1.03 m，说明部分抛石滚落至设计抛石范围外侧。

（2）水域地震反射波法检测结果表明，抛石护岸段设计抛石范围内存在明显的抛石层，说明护岸区均有抛石赋存。依据每段抛石厚度检测结果，乘以检测区面积，计算出相应检测区赋存的抛石量（见表1）。根据检测结果与历年抛石数据对比，抛石护岸段设计抛石范围内块石赋存量占历年累计抛石量的72.22%～89.91%。

表1 代表护岸段抛石检测结果与历年抛石数据对比Table 1 Comparison between the results of riprap inspection and the data of dumped riprap over the years

4 结论与建议

（1）水域地震反射波法辅以侧扫声呐法检测抛石体分布范围及厚度是有效可行的。其中侧扫声呐法可直观显示水底地貌，划分裸露于水底的抛石分布区域及泥沙沉积区，水域地震反射波法可结合侧扫声呐结果，根据反射波特征有效区分泥沙覆盖层及抛石层，并根据抛石层顶底界面计算其厚度。

（2）水域地震反射波法检测线布置疏密程度应根据水下抛石区宽度、水流流态及检测精度等因素综合确定，测线布置应尽可能顺直。长江抛石护岸区一般宽度30～100 m，顺水流向平行岸线布置3～4条检测线较合适。侧扫声呐法因船舶底部存在盲区，测线应避开抛石区，沿抛石区深泓侧外缘布置，扫描带应覆盖抛石区宽度范围，相邻测线的扫描带应至少有20%重叠。

（3）通过安徽省长江崩岸应急治理工程水下抛石体的检测，较好地验证了水域地震反射波法辅以侧扫声呐法检测抛石体分布范围及厚度的可行性。通过检测结果与历年抛石数据对比，基本摸清了护岸区抛石分布状况，为分析评价护岸效果提供了客观详实的证据。

（4）长江水深、流速快，部分地段存在水下环流，很难精准控制抛石定位，部分抛石漂落至设计抛石区之外属正常现象。检测发现大部分护岸段设计抛石区范围外深泓侧均有抛石赋存。因此，检测结果可用来检验抛石赋存状况和分析抛石护岸效果，不能作为抛石计量的唯一依据。