利用基樁動(dòng)測(cè)儀測(cè)量水底地形

胡勝波 田永杰 劉雪念

（河北中核巖土工程有限責(zé)任公司 河北石家莊市 050021）

0 引言

勘察單位偶爾會(huì)遇到測(cè)量水域地形，又沒有專門水深測(cè)量?jī)x器的問題。常用的水深測(cè)量?jī)x工作時(shí)使用換能器發(fā)射超聲波，超聲波在水中傳播，遇到波阻抗界面（如水底）產(chǎn)生反射被儀器接收，利用超聲波在水中的傳播時(shí)間和傳播速度，計(jì)算水底深度，繪制水底地形。

一般的勘察單位都有波速測(cè)試儀、基樁動(dòng)測(cè)儀或地震儀等動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器，在水域地形測(cè)量時(shí)，人工激發(fā)聲波，動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器接收，同樣可以測(cè)得波在水面與水底間的傳播時(shí)間，從而計(jì)算水底深度。當(dāng)工作量不大，購(gòu)置專業(yè)水深測(cè)量?jī)x成本太高時(shí)，可以使用已有的動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器替代水深儀，進(jìn)行水底地形測(cè)量工作。

本文以湖南某地水域測(cè)量為例，就如何利用基樁動(dòng)測(cè)儀等比較常見的儀器設(shè)備準(zhǔn)確測(cè)量水深進(jìn)而完成水底地形測(cè)量進(jìn)行探討。

1 基本原理

用該方法測(cè)量水深時(shí)，在水面人工激發(fā)脈沖應(yīng)力波，同時(shí)觸發(fā)動(dòng)測(cè)儀，應(yīng)力波在水體中向下傳播，遇到水底界面因波阻抗發(fā)生變化而產(chǎn)生反射，利用傳感器在水面接收反射波，并用動(dòng)測(cè)儀記錄下來。應(yīng)力波在水中的傳播速度均勻且可測(cè)，傳播時(shí)間可以由動(dòng)測(cè)儀測(cè)量讀出，利用速度、時(shí)間與距離的關(guān)系可計(jì)算出水底深度，如圖1所示。

圖1 測(cè)量原理

水深按式（1）～式（3）計(jì)算：

式中：h——實(shí)測(cè)水深，m；

h1——換能器距水面深度（可以由鋼尺測(cè)得，本次測(cè)量為0.20m），m；

h2——換能器距水底深度，m；

X1——偏移距（本次測(cè)量為1m），m；

X2——應(yīng)力波在水中旅行距離的一半，m；

V——水中應(yīng)力波傳播速度（該值由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到，本次測(cè)量結(jié)果為 1480m/s），m/s；

t——應(yīng)力波在水中的旅行時(shí)間（可由動(dòng)測(cè)儀所記錄的波形讀出，如圖2所示），s。

2 儀器設(shè)備

湖南某地水域測(cè)量工作所用儀器設(shè)備為：

（1）接收儀器，RS-1616k（s）型基樁動(dòng)測(cè)儀；

（2）接收傳感器，壓電陶瓷聲波換能器（以下簡(jiǎn)稱換能器）；

（3）震源，直徑60mm、長(zhǎng)度100cm和直徑100mm、長(zhǎng)度50cm的尼龍棒各一根以及圓頭鐵錘；

（4）水深比對(duì)設(shè)備，鋼尺+重物。

3 儀器特點(diǎn)及參數(shù)設(shè)置

RS-1616k（s）型基樁動(dòng)測(cè)儀（以下簡(jiǎn)稱動(dòng)測(cè)儀）是一種常見的動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器，可用于基樁高、低應(yīng)變法檢測(cè)，也可用于地基土波速測(cè)試，攜帶方便，性能穩(wěn)定，可同時(shí)配接加速度計(jì)和速度計(jì)。

如果儀器采樣長(zhǎng)度為1024點(diǎn)（默認(rèn)值），則水深測(cè)量時(shí)最大測(cè)量深度為（1024×采樣間隔（μs）×1480m/s×10-6）/2m。比如采樣間隔為 12μs時(shí)，最大測(cè)量深度為9.09m；采樣間隔為30μs時(shí)，最大測(cè)試量度為22.73m。為提高測(cè)量精度，應(yīng)根據(jù)預(yù)估的測(cè)量深度，采用盡量小的采樣間隔。

4 工作方法與數(shù)據(jù)采集

湖南某地水域測(cè)量工區(qū)位于桃江縣境內(nèi)資江某段，面積約0.15km2。江寬約300m，水面比較平靜，水流較慢，測(cè)量工作在一艘小船上進(jìn)行，測(cè)量之前先將換能器橫置于水中，入水20cm，用鐵絲將其固定到船舷上。采用錘擊尼龍棒作為震源，1m偏移距，確定合適的采樣間隔進(jìn)行測(cè)量。裝置示意圖見圖1。使用靜態(tài)GPS手持部，其下端豎立于激發(fā)點(diǎn)與接受點(diǎn)中點(diǎn)處，在錘擊尼龍棒的瞬間存儲(chǔ)該點(diǎn)坐標(biāo)及高程。

實(shí)際測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)水底地形起伏比較劇烈，最淺處可見礁石出露，而最深處水深20m左右，在水比較深的位置，由于波的旅行時(shí)間比較長(zhǎng)，能量損耗比較大，使用直徑60mm的尼龍棒激震時(shí)，無法接受到清晰的反射波信號(hào)，此時(shí)換用直徑100mm的尼龍棒進(jìn)行激震加大激震能量，從而接收到清晰的反射波信號(hào)。

沿垂直于河流流向方向布置32條測(cè)線，測(cè)線間距15m，沿河流流向方向布置20條測(cè)線，測(cè)線間距15m。

5 數(shù)據(jù)處理

圖2為一實(shí)測(cè)波形圖，圖中1ms附近波形明顯起跳位置為直達(dá)波初至，5.28ms附近波形明顯起跳位置為反射波初至。由相應(yīng)公式計(jì)算可得水深為4.13m。測(cè)深板實(shí)測(cè)水深為4.18m，誤差為0.05m，滿足生產(chǎn)要求。

按照上述方法采集完所有數(shù)據(jù)后，分析判讀波形信號(hào)，計(jì)算得出最終深度成果表，再用相應(yīng)測(cè)繪軟件生成水底地形等值線圖，經(jīng)一定數(shù)量較驗(yàn)點(diǎn)的驗(yàn)證后，即可完成水深測(cè)量工作。

圖3為一條垂直于河道的測(cè)量剖面，圖中直達(dá)波平直、連續(xù)，水底反射波初至清晰、波形連續(xù)、信噪比高，水底地形清晰可見。

6 結(jié)論

利用勘察單位常有的動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器配合坐標(biāo)及高程測(cè)量?jī)x器，測(cè)量水底地形，理論可行，操作簡(jiǎn)便，精度也能滿足要求。

圖2 實(shí)測(cè)波形

圖3 水底地形測(cè)量波形剖面

7 存在問題

（1）因動(dòng)測(cè)儀所記錄的水深信號(hào)和靜態(tài)GPS存儲(chǔ)的該點(diǎn)坐標(biāo)是不同儀器記錄的，故要采取措施確保每一個(gè)信號(hào)與每一個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)能夠嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，否則可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)深信號(hào)與坐標(biāo)對(duì)應(yīng)混亂，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

（2）當(dāng)水底地形變化比較劇烈的時(shí)候，如圖4所示，反射波初至是波從激發(fā)點(diǎn)到最近的水底（即B點(diǎn)）的反射時(shí)間，而非深度記錄點(diǎn)（即A點(diǎn)）處的垂向水深。此時(shí)測(cè)量水深要略小于實(shí)際水深。

圖4 陡峭水底聲波傳播路徑