水域地震反射波法輔以側(cè)掃聲吶法在長江護岸拋石檢測中的應(yīng)用研究

劉東風(fēng)，李金瑞，高建華

（1.安徽省長江河道管理局，安徽蕪湖，241000；2.水利部長江勘測技術(shù)研究所，湖北武漢，430011）

0 引言

水流長期沖刷，河流土質(zhì)岸坡失穩(wěn)崩塌為常見的自然現(xiàn)象。為維護河勢穩(wěn)定，保障防洪安全，促進沿岸經(jīng)濟發(fā)展，保護人民生命財產(chǎn)安全，多年來國家為治理崩岸實施了大量的護岸工程。因拋石可以就地取材、施工效率高、拋石后可以增強岸坡穩(wěn)定和抗沖刷能力，在護岸工程中被廣泛采用。以長江安徽段為例，據(jù)統(tǒng)計長江安徽段共有崩岸76處，長度418 km[1]，占岸線1 112.7 km的37.6%。安徽省規(guī)?；腊吨卫硎加?955年，特別是1998年后，國家實施了大規(guī)模的護岸工程，以水下拋石為主要防護型式。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年5月，長江安徽段共護岸369 km，完成拋石量約3 198萬m3，對穩(wěn)定河勢、保障防洪安全起到了積極作用。

為及時掌握護岸工程拋石分布狀況、評價水下拋石體的施工質(zhì)量、檢驗拋石防護效果，需要對水下拋石的數(shù)量及拋石后的厚度和賦存形態(tài)等進行檢測與評價[2-3]。拋石體賦存狀態(tài)探測多采用斷面檢測法、鉆探等方法[2，4]。斷面檢測法即在施工前后分別測量固定斷面水底高程，通過高程的增加值計算拋填厚度與均勻性。與陸域鉆探不同，水域鉆探受到水深、水面寬度、鉆探深度、風(fēng)力、流速、季節(jié)和通航條件等因素的限制，由于水上操作平臺搭建費時費力且具一定危險性，一般測點布置較少，難以準(zhǔn)確確定目標(biāo)體的分布范圍。上述方法存在精度差、實施成本高、工作效率低、作業(yè)安全隱患大等問題。近年來，隨著物探技術(shù)的發(fā)展，物探方法具有工效高、經(jīng)費省、安全性好、測點密度大、成果可靠等優(yōu)點，采用物探方法準(zhǔn)確探測水下拋石體賦存狀況越來越受到重視。因此對長江拋石體進行探測技術(shù)研究，對水利工程建設(shè)與管護十分必要，也具有重要意義。

護岸拋石屬水下隱蔽工程，同時具有以下特點：（1）水下埋深較淺，一般不超過50 m；（2）拋石體厚度薄，一般厚度在0.6～3.0 m；（3）塊石尺寸不均勻，一般在0.3 cm～1 m；（4）結(jié)構(gòu)松散、架空、孔隙大，拋石體內(nèi)充滿水和泥沙。水下拋石的上述特征使探測具有較大的難度，目前對應(yīng)用物探方法探測護岸工程拋石的研究較少[2]。筆者對主要的水域物探方法進行了分析比較，結(jié)合物探方法適用條件及長江水域和護岸工程特點，采用水域地震反射波法探測拋石體范圍和拋石體厚度，并輔以側(cè)掃聲吶法直觀檢查水下拋石體出露狀況，綜合分析研判水下拋石體賦存及分布狀況。經(jīng)過長江安徽段護岸拋石檢測實踐，并對探測結(jié)果與實際拋石量進行對比，實踐表明，采用水域地震反射波法輔以側(cè)掃聲吶法探測長江護岸拋石體厚度及分布狀況是可行的。

1 研究背景

最近幾十年快速發(fā)展的水域工程物探技術(shù)主要有高密度電法、探地雷達法、淺地層剖面測量技術(shù)、磁力測量技術(shù)、地震反射波法、側(cè)掃聲吶技術(shù)和多波束技術(shù)等[5-6]，這些技術(shù)是獲取水下目標(biāo)體信息的重要手段。

高密度電法[7-8]可以判斷拋石體的存在及其大致位置，尤其對花崗巖、灰?guī)r等硬巖拋石體效果明顯，但該方法具有體積效應(yīng)，難以保證對厚度的探測精度。

探地雷達是利用電磁波回波來探測地質(zhì)目標(biāo)體的地球物理方法，在水中電磁波衰減迅速，僅適合在淺水區(qū)（最大水深小于3 m）探測1～2 m厚的拋石層。鄧世坤等[9]用地質(zhì)雷達探測錢塘江護堤拋石，丁凱等[10]應(yīng)用探地雷達實施了水下拋石厚度的探測，尚向陽等[11]利用探地雷達探測了黃河棗樹溝水下地層，結(jié)果表明這種方法在無松散介質(zhì)或松散介質(zhì)較少的淤泥區(qū)探測效果較好。

淺地層剖面測量技術(shù)是一種利用聲波反射原理專門探測水底地形地貌和進行水下地層分層的勘探方法。馬愛玉等[12]采用淺地層剖面法探測黃河根石的頂界面，該方法采用的聲吶頻率較高，對泥質(zhì)沉積穿透能力較強，對松散拋石層的穿透能力很差，無法確定拋石層底界面及厚度。

在水域工程地質(zhì)調(diào)查中，用電磁法了解松散沉積層下地質(zhì)體的地質(zhì)構(gòu)造情況，應(yīng)用不太廣泛，其主要原因：一是電磁波在水中傳播困難，二是電磁法其實測量的還是地層電阻率，雖然測量原理和方法與直流電法存在較大差異，但電磁法測量結(jié)果與直流電法（例如高密度電法）測量結(jié)果是可以類比的。楊農(nóng)合等[13]利用TEM（瞬變電磁法）的小線框、大電流的強磁場發(fā)射方式來實現(xiàn)水下地質(zhì)構(gòu)造探測，具有一定的效果。

水域地震反射波法可對拋石體厚度進行探測[14]，其分辨率與地震波頻率有關(guān)，探測厚度與震源能量有關(guān)，對薄層拋石體需采用頻率較高、能量較大的震源。

側(cè)掃聲吶法[15]是對水底地貌進行掃描探測，可清晰反映水下出露部分拋石體的位置和形態(tài)，該方法可輔助探測拋石區(qū)范圍及淤積情況，適合水下拋石體未被覆蓋情況下對其賦存形態(tài)的快速掃描，但該方法只能成像，無法提供三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[2]。

多波束測深適合于水下目標(biāo)體未被覆蓋情況下對其賦存形態(tài)的快速掃描，可精確測量水下三維地形和坐標(biāo)，適合于施工過程中的質(zhì)量檢查和水下三維建模。朱海等[16]應(yīng)用多波束技術(shù)對福姜沙水道整治工程拋石進行檢測，對拋石情況作出判定，用于指導(dǎo)施工。

對水下拋石體，主要從拋石體的水平分布范圍和厚度兩方面探測。根據(jù)上述研究背景分析，對水平分布范圍的探測可采用側(cè)掃聲吶法、多波束測深法或高密度電法。側(cè)掃聲吶法適用于不同水深，操作簡便，可快速、實時提供結(jié)果；多波束測深法在水深小于5 m時無法工作，工作時對船只、操作人員要求高；高密度電法在覆蓋層與拋石層電性差異較小時探測效果較差[2]。對拋石體厚度的探測可采用探地雷達法或地震反射波法[17]。探地雷達法探測深度較淺，一般小于6 m[17]；地震反射波法探測深度較深，適合于長江水下拋石體厚度探測[2,17]。

綜合上述各種物探方法的適用性，結(jié)合長江水域條件及拋石護岸特點，推薦使用側(cè)掃聲吶法探測水下出露拋石體的水平分布范圍，用地震反射波法探測拋石層的厚度[17]。

2 檢測方法及原理

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，即在工作船航行過程中，水域震源與接收傳感器同步向前移動，地震觀測系統(tǒng)保持不變，如圖1～2所示。

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

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

2.1.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

根據(jù)反射波的時間及波速計算每個層位的深度，進而計算各層的厚度。考慮到拋石體厚度可能存在不均勻，在結(jié)果數(shù)據(jù)整理時每5～10 m分段進行統(tǒng)計，計算每段厚度平均值。拋石體厚度計算公式為：

式中：H為拋石體厚度，m；v為地震波傳播速度，m/s；t為地震波旅行時間，s。

2.2 側(cè)掃聲吶法

2.2.1 工作原理及方法

將聲吶探頭與甲板控制單元連接，同時甲板控制單元與GPS導(dǎo)航定位設(shè)備連接。將聲吶放入水中一定深度（1～2 m），并將連接電纜固定于甲板上。隨著船只向前航行，側(cè)掃聲吶連續(xù)掃描兩側(cè)的水底地貌，并將掃描結(jié)果傳至控制單元顯示并保存。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

根據(jù)GPS測量定位數(shù)據(jù)，結(jié)合側(cè)掃聲吶的系統(tǒng)布置，將聲吶圖像歸位到地形圖上，形成水底聲吶反射圖像。根據(jù)聲吶反射特征，劃分出拋石裸露區(qū)、無拋石區(qū)或泥沙覆蓋區(qū)。

3 應(yīng)用實例

3.1 工程概況

安徽省長江崩岸應(yīng)急治理工程是國家172項重大水利項目之一，工程總投資64 344萬元。2015年9月開工，2019年完工通過竣工驗收，共治理崩岸26處，護岸總長度50.5 km，主要工程措施為水下拋石、混凝土鉸鏈排護腳和水上塊石、混凝土塊護坡，完成水下拋石354萬m3。

3.2 拋石體檢測結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果及長江河道沖淤變化特性，長江護岸工程水下拋石體賦存狀態(tài)主要分為四種類型，見圖3。其中：工程段河勢穩(wěn)定，沖刷及淤積量均很小，拋石體賦存狀態(tài)表現(xiàn)為沖淤平衡型，見圖3（a）；工程河段以沖刷為主，拋石體賦存狀態(tài)以沖刷為主，部分拋石有所流失，一般會流向深泓側(cè)，長期沖刷會造成拋石嚴(yán)重流失，護岸效果逐漸減弱，見圖3（b）；工程河段以淤積為主，拋石上部會覆蓋泥沙，拋石體賦存狀態(tài)以淤積為主，見圖3（c）；工程河段多次拋石，一般為部分拋石流失，后期可能又有部分淤積，形成拋石層和泥沙層交互分布的沖淤反復(fù)型，見圖3（d）。

圖3 水下拋石賦存狀態(tài)示意圖Fig.3 Existence state of underwater ripraps

工程完工后，分批次對安徽省長江崩岸應(yīng)急治理工程26處水下拋石區(qū)進行檢測。水域地震反射波法測線沿拋石區(qū)順?biāo)飨蚱叫邪毒€布置；側(cè)掃聲吶法檢測線沿拋石區(qū)深泓側(cè)外緣布置，掃描帶覆蓋拋石區(qū)范圍。

圖4為成德洲段（部分）物探測線航跡圖，圖5為成德洲段（部分）側(cè)掃聲吶探測結(jié)果，圖6為成德洲段（部分）水域地震反射波法探測結(jié)果，圖7～9為新大圩、大同圩、老洲頭等護岸段拋石探測地震剖面圖。

圖4 成德洲段物探測線航跡圖Fig.4 Distribution of survey lines in Chengdezhou section

為避開船底盲區(qū)，側(cè)掃聲吶檢測線位于拋石區(qū)深泓側(cè)外緣，從圖5中可以清晰觀察到拋石體賦存在河床上，同時可見設(shè)計拋石區(qū)外側(cè)有部分塊石存在。側(cè)掃聲吶法可以清晰地反映裸露拋石體的位置和形態(tài)，適合于水下拋石體未被覆蓋情況下對其賦存形態(tài)的快速掃描，但只能成像，無法提供三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖5 成德洲段側(cè)掃聲吶探測結(jié)果Fig.5 Inspection results from side-scan sonar

從圖6可以看出，部分地段水底凸起部位拋石出露于水底，部分地段水底以下有少量泥沙淤積，泥沙層之下存在一拋石層，層面及層間散射特征明顯。實際采集到的數(shù)據(jù)具有較高的分辨率和信噪比。圖7～9中可清晰地追蹤拋石體頂?shù)捉缑娣瓷洳ㄍ噍S，即反映所探測區(qū)域均有拋石體的存在，同時根據(jù)拋石體頂?shù)捉缑娣瓷洳眯袝r差可進行拋石體厚度的判定。

圖6 成德洲拋石探測地震剖面圖Fig.6 Profile image of Chengdezhou section obtained by seis?mic reflection wave method

圖7 新大圩拋石探測地震剖面圖Fig.7 Profile image of Xindaweisection obtained by seismic re?flection wave method

3.3 歷史拋石數(shù)據(jù)統(tǒng)計

為客觀真實地統(tǒng)計護岸工程區(qū)歷年實施的拋石情況，收集整理了26處護岸段歷史上實施的拋石資料，包括歷史護岸資料、航道整治工程實施資料、長江隱蔽工程實施資料、長江崩岸應(yīng)急治理工程實施資料及地方政府實施的護岸等相關(guān)資料，客觀真實地統(tǒng)計各護岸段歷年水下拋石數(shù)據(jù)。

圖8 大同圩拋石探測地震剖面圖Fig.8 Profile image of Datongwei section obtained by seismic reflection wave method

圖9 老洲頭拋石探測地震剖面圖Fig.9 Profile image of Laozhoutou section obtained by seismic reflection wave method

按照各護岸工程區(qū)歷次累計拋石量，結(jié)合各工程區(qū)河床沖淤變化情況，分析研判對應(yīng)崩岸應(yīng)急治理工程各段范圍內(nèi)拋石量，除以崩岸應(yīng)急治理工程拋石面積，計算各段崩岸治理工程范圍拋石厚度。

3.4 檢測結(jié)果與歷史拋石數(shù)據(jù)對比

對比分析檢測結(jié)果與歷年拋石數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：

（1）側(cè)掃聲吶法檢測結(jié)果表明，水流沖刷地段泥沙落淤較少，從投影成果圖看，拋石影像連續(xù)，拋石邊界明顯，拋石體裸露較多；近岸緩流區(qū)泥沙淤積明顯，部分區(qū)域拋石被泥沙覆蓋；部分地段設(shè)計拋石范圍外深泓側(cè)仍有拋石賦存，通過水域地震反射波法檢測發(fā)現(xiàn)，王家洲、幸福洲、長沙洲、成德洲等護岸段設(shè)計拋石區(qū)外深泓側(cè)拋石賦存厚度為0.93～1.03 m，說明部分拋石滾落至設(shè)計拋石范圍外側(cè)。

（2）水域地震反射波法檢測結(jié)果表明，拋石護岸段設(shè)計拋石范圍內(nèi)存在明顯的拋石層，說明護岸區(qū)均有拋石賦存。依據(jù)每段拋石厚度檢測結(jié)果，乘以檢測區(qū)面積，計算出相應(yīng)檢測區(qū)賦存的拋石量（見表1）。根據(jù)檢測結(jié)果與歷年拋石數(shù)據(jù)對比，拋石護岸段設(shè)計拋石范圍內(nèi)塊石賦存量占歷年累計拋石量的72.22%～89.91%。

表1 代表護岸段拋石檢測結(jié)果與歷年拋石數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison between the results of riprap inspection and the data of dumped riprap over the years

4 結(jié)論與建議

（1）水域地震反射波法輔以側(cè)掃聲吶法檢測拋石體分布范圍及厚度是有效可行的。其中側(cè)掃聲吶法可直觀顯示水底地貌，劃分裸露于水底的拋石分布區(qū)域及泥沙沉積區(qū)，水域地震反射波法可結(jié)合側(cè)掃聲吶結(jié)果，根據(jù)反射波特征有效區(qū)分泥沙覆蓋層及拋石層，并根據(jù)拋石層頂?shù)捉缑嬗嬎闫浜穸取?/p>

（2）水域地震反射波法檢測線布置疏密程度應(yīng)根據(jù)水下拋石區(qū)寬度、水流流態(tài)及檢測精度等因素綜合確定，測線布置應(yīng)盡可能順直。長江拋石護岸區(qū)一般寬度30～100 m，順?biāo)飨蚱叫邪毒€布置3～4條檢測線較合適。側(cè)掃聲吶法因船舶底部存在盲區(qū)，測線應(yīng)避開拋石區(qū)，沿拋石區(qū)深泓側(cè)外緣布置，掃描帶應(yīng)覆蓋拋石區(qū)寬度范圍，相鄰測線的掃描帶應(yīng)至少有20%重疊。

（3）通過安徽省長江崩岸應(yīng)急治理工程水下拋石體的檢測，較好地驗證了水域地震反射波法輔以側(cè)掃聲吶法檢測拋石體分布范圍及厚度的可行性。通過檢測結(jié)果與歷年拋石數(shù)據(jù)對比，基本摸清了護岸區(qū)拋石分布狀況，為分析評價護岸效果提供了客觀詳實的證據(jù)。

（4）長江水深、流速快，部分地段存在水下環(huán)流，很難精準(zhǔn)控制拋石定位，部分拋石漂落至設(shè)計拋石區(qū)之外屬正?，F(xiàn)象。檢測發(fā)現(xiàn)大部分護岸段設(shè)計拋石區(qū)范圍外深泓側(cè)均有拋石賦存。因此，檢測結(jié)果可用來檢驗拋石賦存狀況和分析拋石護岸效果，不能作為拋石計量的唯一依據(jù)。