基于淺剖儀的河道構(gòu)筑物物性特征識(shí)別及其應(yīng)用

李曉磊，裴少英

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州，450003 ）

隨著國民經(jīng)濟(jì)及水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，處于庫區(qū)和河道水流之中的水下工程也越來越多，在經(jīng)歷了一定的使用年限或遭遇突發(fā)事件后，對其狀態(tài)的評(píng)價(jià)是必不可少的，而水下構(gòu)筑物檢測技術(shù)發(fā)展卻較為緩慢，一直都是以水下攝像機(jī)拍攝照相或人工探摸為主要手段，這些方法在小范圍區(qū)域如閘門及門槽、混凝土面板探查裂縫等方面相對實(shí)用，探頭位置容易控制所需時(shí)間也較短，但較大面積的普查則顯得捉襟見肘，還有如黃河中泥沙含量較高，即便是針對渾水的水下攝像機(jī)視野也受到非常大的限制。淺剖儀是基于聲吶技術(shù)的一種應(yīng)用設(shè)備，由于其發(fā)射聲波頻率范圍較寬，低頻能低至500Hz，對于如淤泥、雜物等上覆層有一定的穿透性，特別適合于水下構(gòu)筑物的精準(zhǔn)檢測，其檢測結(jié)果是工程管理人員決策的重要依據(jù)。

1 水下構(gòu)筑物的物性特征分析

水下構(gòu)筑物種類較多，比較容易出現(xiàn)老化或損壞的有：水下混凝土面板產(chǎn)生裂縫、大壩護(hù)坦受高水流沖刷破損，河道壩、垛的拋筑物受水流沖刷走失等問題。一般水下的混凝土面板可以通過水下攝像定位觀察，然后有針對性地修補(bǔ)，而護(hù)坦、拋筑物等使用水下攝像則效率不高，且因淤泥等影響難以奏效。

一般來講，這些部位從上到下的地層有淤積層、碎石（拋石）層、混凝土層、基巖層等，其構(gòu)成介質(zhì)具有不同的波阻抗，因此，各層相互接觸的界面必然存在波阻抗差異。物性識(shí)別的關(guān)鍵在于區(qū)分界面的波形特征，經(jīng)過多年的實(shí)踐研究，可以得到聲波在界面反射時(shí)特征，以此推測各種層面的分界線，這便是聲波數(shù)據(jù)資料解釋的關(guān)鍵所在。如圖1 和2。

圖1 不同界面的原始反射灰度圖1

（1）淤泥層特征：因其結(jié)構(gòu)均勻的特性，在聲波反射界面主要表現(xiàn)為較為光滑，主要為因其泥沙成分較為均勻。

（2）石層特征：顆粒狀較大，石塊也不多為不平整結(jié)構(gòu)，石縫中間充填水或泥沙，因此表現(xiàn)為不光滑界面。

（3）混凝土特征：作為人工建筑其形態(tài)大多可知曉，一般形態(tài)規(guī)則表面平整，因此也表現(xiàn)為連續(xù)的光滑界面，但光滑度一般低于泥沙等淤積層。

（4）基巖特征：基巖密度較為致密，表面多不平整，因此反射波表現(xiàn)不光滑的強(qiáng)反射界面，反射強(qiáng)度要強(qiáng)于混凝土。

由以上不同性質(zhì)的界面反射特征作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，即可通過波的時(shí)間距離換算關(guān)系得到各特征面到船體的距離，配合以GPS 提供的實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)信息即可進(jìn)行準(zhǔn)確求解特征面的高程和位置信息，再根據(jù)多個(gè)三維數(shù)據(jù)面便可以擬合出一片區(qū)域的水下信息，并進(jìn)一步成圖。

圖2 不同界面的原始反射灰度圖2

2 淺剖儀介紹

淺剖儀在國外石油勘察方面早已開始大規(guī)模應(yīng)用，一般是基于超寬頻海底剖面儀衍生而來，結(jié)合地質(zhì)解釋，對海洋底部等進(jìn)行剖面化顯示。我方引進(jìn)了EdgeTech公司的3200-XS 淺地層剖面儀，其顯著特征是聲吶有一定的穿透力度，根據(jù)不同介質(zhì)可穿透幾米不等；在地層分辨率方面也有顯著優(yōu)勢，其發(fā)射信號(hào)頻率可從幾千到幾十萬赫茲不等，現(xiàn)場根據(jù)場景不同可調(diào)整射頻參數(shù)。

2.1 工作原理

淺地層剖面儀主要由兩部分組成，甲板數(shù)據(jù)處理單元和水下信號(hào)發(fā)射與接收單元兩部分組成。其甲板數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和水下信號(hào)發(fā)射接收系統(tǒng)的工作原理見圖3。

圖3 淺地層剖面儀工作原理

2.2 設(shè)備性能

探測儀器采用美國EdgeTech 公司生產(chǎn)的3200-XS淺地層剖面儀。見圖4。

圖4 3200-XS 淺地層剖面儀

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

脈沖類型：調(diào)頻，脈沖幅度加權(quán)和相位加權(quán)；

頻率范圍：500Hz～12kHz；

穿透深度：灰質(zhì)膠結(jié)巖30m/泥沙層200m；

發(fā)射陣列：4 組；

接收陣列：4 組；

脈沖輸出功率：2kw；

尺寸(cm)：210×134×46(長×寬×高)；

拖魚重量(不含配重)：114kg；

拖魚電纜：3 付屏蔽式絞合二股電纜(5 根為一股)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

黃河下游山東段東阿河務(wù)局的康口險(xiǎn)工工程所處河段是典型的“寬、淺、亂”游蕩性河段，即使在中小洪水情況下，也時(shí)常發(fā)生險(xiǎn)情，這類險(xiǎn)情的特點(diǎn)是出險(xiǎn)急、發(fā)展快、坍塌猛、歷時(shí)長、難于搶護(hù)。為準(zhǔn)確掌握汛前河道工程根石狀況，確保工程安全，給今后的防汛工作提供決策依據(jù)，故對康口險(xiǎn)工的靠水壩進(jìn)行水下根石探測并計(jì)算缺石量。

3.2 工作布置

現(xiàn)場探測過程如下：陸上斷面定位測量——斷面標(biāo)志設(shè)置——水下根石探測。

（1）陸上斷面定位測量及斷面設(shè)置：①尋找測量基準(zhǔn)點(diǎn)，作為GPS 固定基站，基站需要能夠覆蓋測區(qū)范圍所有斷面。②利用GPS 確定各斷面基準(zhǔn)點(diǎn)，并做明確標(biāo)志，確保在較長時(shí)間內(nèi)不損壞?，F(xiàn)場測量見圖4.5。

（2）GPS 導(dǎo)航控制水下根石探測：①利用GPS 實(shí)時(shí)定位功能，3200-XS 淺地層剖面儀可自動(dòng)記錄水下探測斷面測線。②在電腦中繪制GPS 導(dǎo)航線，存儲(chǔ)于淺地層剖面儀中，其數(shù)據(jù)與GPS 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共同組成了導(dǎo)航圖，見圖5。根據(jù)導(dǎo)航圖，便可駕駛船只進(jìn)行測量。③開啟聲吶設(shè)備，探測船只根據(jù)導(dǎo)航圖控制信號(hào)發(fā)射采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測得數(shù)據(jù)圖像并在電腦顯示，操作員對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步合格性判斷。

圖5 水下根石探測GPS 導(dǎo)航圖

3.3 成果分析

得到測量數(shù)據(jù)后，可利用黃河設(shè)計(jì)院編制的專用數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)成圖。其斷面灰度圖在軟件中顯示后，便可根據(jù)各界面的反射波特征識(shí)別出界面劃分情況，如拋石質(zhì)的根石界面和泥沙層形成的淤積層界面。圖6 右側(cè)聲波反射灰度圖中，用紅色線段勾勒出的便是根石層界面，藍(lán)色線段勾勒出的是泥沙淤積層界面，左側(cè)圖為斷面之間以基站為基點(diǎn)的相對位置圖，可用于后期圍合根石面積，計(jì)算根石方量。利用CAD 軟件，如圖7，在其中對斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，可自動(dòng)化計(jì)算圍合梯形面積，得到每個(gè)斷面的根石面積，進(jìn)而得到整個(gè)垛壩的根石體積。

圖6 基于GPS 記錄坐標(biāo)的根石反射灰度追蹤圖

圖7 在CAD 中重構(gòu)的根石探測斷面圖

4 結(jié)語

（1）淺剖儀作為聲吶技術(shù)的一種應(yīng)用設(shè)備，以其縱向分辨率高，且具有一定的穿透性，在大壩水下構(gòu)筑物完整性（缺陷、裂縫、沖刷狀態(tài)等）檢測、江河堤防隱蔽工程（護(hù)岸拋石、鉸鏈沉排、模袋砼、岸坡沖刷等）檢測等方面有良好的運(yùn)用前景，其檢測效率和效果均好于水下攝像及人工探摸。

（2）水下構(gòu)筑物有因其獨(dú)特的形態(tài)或環(huán)境，在使用淺剖儀檢測的準(zhǔn)確程度與合理的布置測線及靈活地運(yùn)行GPS 定位有密切的關(guān)系，但GPS 數(shù)據(jù)量龐大，甚至專門為此進(jìn)行軟件編程控制，這可能成為今后一個(gè)需要更加深入研究方向。

（3）在工程生產(chǎn)應(yīng)用中，各種水下構(gòu)筑物的物性形態(tài)與淺剖儀的原始反射灰度（或波形）圖的對應(yīng)特征是判定的關(guān)鍵，是拓寬淺剖儀在水利水電行業(yè)中應(yīng)用的基礎(chǔ)。