河道水下根石非接触式水下探测方法
【专利摘要】本发明涉及河道水下根石非接触式水下探测方法，可有效解决水下根石快速、准确、安全的探测问题，方法是，由以下步骤实现：首先进行地面测量及断面定位：包括基站架设和测量断面控制点；根据河道的环境条件确定探测方式，包括沿根石探测断面探测的方式，或采用绕坝探测方式；安装探测仪器设备：包括探测仪与GPS的连接与导航仪与GPS的连接；采用GPS导航指示下进行水下根石探测；数据资料处理与分析：包括计算缺石面积、缺石量；输出成果：包括输出根石探测成果图及探测成果表，本发明方法简单，易操作，快速、准确、安全有效地探测水下根石，工作效率高，劳动强度小，有效解决了河道根石探测上的技术难题。
【专利说明】河道水下根石非接触式水下探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及探测技术，特别是主要用于防洪工程、港口工程中的水下基础探测工作，也可用于水下地质勘察的一种河道水下根石非接触式水下探测方法。
【背景技术】
[0002]河道整治工程特别是黄河防洪工程的重要组成部分，包括险工和控导工程均由坝、垛、护岸三种建筑物构成，工程安全依赖于坝岸根石基础的稳定，因此，根石探测是确保工程安全及防洪安全的重要技术基础工作。
[0003]黄河河道整治工程根石探测一直沿用传统人工锥探法，一种接触式探测方法。沿探测断面，工作人员或直接在水中用锥杆探测，锥杆接触到根石为止，或在探测断面上固定船只，沿船侧工作人员用锥杆向水下进行探测，锥杆接触到根石为止。每两米探测记录I个根石深度数据，勾绘出根石探测断面图。人工探测根石，每组需10人(6人握杆作业，2人辅助测距，I人记录，I人提水灌眼，除专人记录外，其余各工种也可轮换)，人工劳动强度大，一天工作8 h,只能探测2道坝(8个断面，50个测点)，探测最大深度小于6 m,该方法比较依赖于探测操作人员经验，容易受到探测时大河水流流速、水深、天气、风力等因素影响，探测数据误差较大，同时存在探摸劳动强度大、工作效率低水上作业具有很大的危险性等问题，难以满足防洪保安全的要求，无法准确的了解水下根石分布状况，对根石加固决策与防守十分不利。
[0004]还有一种近几研制出的电动根石探测机，属于机械锥探，仍然是一种接触式探测方法，它是模仿人工探测根石时提杆、下冲动作的原理而设计的。探测根石时，还是在船上，人工锥探时人工提拉锥杆，改为机械提拉锥杆，换汤不换药，没有从根本上改变根石的技术方法，一般需4人作业(2人操作机具，I人测距、记录，I人操作电机)，一天工作8 h,探测5道坝。效率较低，操作性差，不能满足防洪保安全的要求。
[0005]人工探测根石的方式存在诸多弊端:一是安全性较差，这方面在八十年代曾经有人员伤亡的惨痛教训；二是探测结果不准确，误差较大；三是工作效率较低，劳动强度大。
[0006]根石探测状况是河道整治工程防洪安全的决定性因素，长期未能解决穿透淤泥层探测根石的技术难题，主要原因在于:
(I)根石探测需穿过含沙量高的浑水、淤泥层或土层。
[0007]黄河水流含沙量大，信号需穿过浑水、淤泥或土层，才能到达根石界面，能量衰减快，难以提取有效信号，以前采用过的电法、电磁法、地质雷达、地震法均未能试验成功。常用的水下探测设备，如SP-1II浅剖仪等，不具备穿透浑水和淤泥层探测的能力。
[0008](2)根石探测范围一般仅在坝头外30?40米的范围内，工作场地狭窄，探测难度大。常规地球物理方法，无法布置合理的观测系统。
[0009](3)坝前流态紊乱，流速变化大，工况复杂，信噪比差，操作困难。
[0010](4)根石散乱，表面不规则，坡度陡，界面信号难以识别。
[0011]如何解决根石探测问题，多年来一直是黄河防洪工作中的重大研究课题之一，许多科研单位和技术管理部门为此曾做过大量的工作，如:1982年黄委与中科院声学所合作，利用声呐技术进行了六年的根石探测试验研究。1985年黄委引进美国SIR-8地质雷达进行根石探测试验。作为国家“八五”科技攻关研究的重点内容，黄委设计院联合中国地质大学、长春地质学院等单位，分别采用直流电阻率法、地质雷达探测法、瞬变电磁法、浅层反射法及声呐探测法进行根石探测试验研究。如郭玉松，胡一三，马爱玉.黄河水下根石探测的浅地层剖面技术，《水利水电技术》2009年第12期；周莉，郭玉松，崔炎锋.黄河河道整治工程根石探测新技术研究，《人民黄河》2011年07期；刘广柱，电动根石探测机的研制及应用，《人民黄河》2007年02期。但均未能解决根石探测技术难题。解决根石探测的技术难题，一直是业内所关心的问题。
【发明内容】
[0012]针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种河道水下根石非接触式水下探测方法，可有效解决水下根石快速、准确、安全的探测问题。
[0013]本发明解决的技术方案是，由于河水、沉积泥砂、根石界面之间存在着很大的波阻抗差异，当声波入射到水与沉积泥砂界面以及沉积泥砂与根石界面时，会发生反射，仪器记录来自不同波阻抗界面反射信号，同时将GPS定位系统测量的三维坐标记录到采集的信号中，对信号进行识别、处理得到水下根石的分布信息，把探测到的根石分布信息输入到黄河河道整治工程根石探测管理系统中，对根石进行网络动态实时管理，利用水声数据处理软件处理分析探测数据，最终经过成图软件绘制出根石探测成果断面图。据此，本发明由以下步骤实现:
(I)、首先进行地面测量及断面定位:包括基站架设和测量断面控制点；(2)、确定探测方式:根据河道的环境条件确定探测方式，包括沿根石探测断面探测的方式，或采用绕坝探测方式；(3)、安装探测仪器设备:包括探测仪与GPS的连接与导航仪与GPS的连接；(4)、水下根石探测:采用GPS导航指示下进行水下根石探测；(5)、数据资料处理与分析:包括计算缺石面积、缺石量；(6)、输出成果:包括输出根石探测成果图及探测成果表。
[0014]本发明方法简单，易操作，快速、准确、安全有效地探测水下根石，工作效率高，劳动强度小，有效解决了河道根石探测上的技术难题，经济和社会效益巨大。
【具体实施方式】
[0015]以下结合具体情况对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0016]本发明在具体实施中，由以下步骤实现:
一、首先进行地面测量及断面定位，包括:
(1)基站架设:在测区内，选择标志物作为基点，架设GPS固定站，测区内所有探测断面的控制点都在GPS固定站电台通讯覆盖IOkm距离范围内；
(2)测量断面控制点:用GPS移动站测量各断面的控制点，获得各控制点的坐标和高程、坝顶部边缘点、根石台内侧点和外侧点，以及水面与根石的交点；
二、确定探测方式，根据河道的环境条件确定探测方式，包括沿根石探测断面探测的方式，或采用绕坝探测方式:
(I)沿根石探测断面探测模式:沿根石探测断面探测模式是最常用的一种探测模式，沿根石探测断面探测模式是最常用的一种探测模式，其特点是:
a.探测数据是连续有效的，探测效率大大提高；
b.大量连续的有效探测数据可以较为精细地反映水下根石的真实状态；
c.可以准确判定水下根石的外边界，也就能够准确探测根石的最大深度；
当水流平衡的坝垛采用沿根石探测断面探测模式，因探测断面与计划探测断面并不一定完全一致，应保证两者最大距离不超过Im ；
(2)绕坝探测方式:当水流的流态复杂、流速快的坝垛，沿根石探测断面探测行船有困难时，采用绕坝探测模式，其特点是:
a.可以对多道坝同时进行次探测，但会产生大量的无效探测数据；
b.对载体(探测船)动力及操控性能要求较高，近岸处探测困难且易发生安全事故；
c.在河水流速较快的情况下，船不易调头，而且容易和靠近岸边的航迹相交，造成要探测的数据重复测量；
其探测过程:探测船在预定探测水域内连续移动，浅地层剖面仪同步记录测深点和GPS平面坐标，可对多道坝同时探测；陆地上连续测量多道坝的探测断面控制点；
三、安装探测仪器设备:将浅地层剖面仪安装在探测船上，与GPS连接采用专用的数据连接线，数据线有两个输出接头，一个连接浅地层剖面仪，另一个连接导航仪(导航设备)，首先按照GPS测量设定好GPS参数，输出gpgga格式，然后将数据连接线与浅地层剖面仪的COMl 口连接，连接成功后，浅地层剖面仪采集界面显示经纬度坐标，探测船体移动时，坐标数据应实时变化，界面显示轨迹位置；
四、水下根石探测:在水深大于0.5m的水域进行探测，探测船沿根石探测导航仪断面线控制浅地层剖面仪的探头(拖鱼)运动，同时记录数据；当探测航迹偏离测线2m以上，要重复探测，直到满足要求；探测采用以下两种方式进行:陆地指挥下的水下根石探测，或采用GPS导航指示下的水下根石探测:
A陆地指挥下的水下根石探测
1)将GPS移动站与船上3200-XS浅地层剖面仪相连，自动探测水下地层数据；
2)在坝顶两断面桩的连线上竖立两根测量花杆，根据两根测量花杆所成的直线，来指挥探测船的接近探测断面进行探测；
3)设备进入探测状态后，由岸上指挥探测船沿坝顶两测量花杆形成的直线进行运动，同时记录数据；
B、GPS导航指示下的水下根石探测
1)将GPS移动站的数据线与船上3200-XS浅地层剖面仪相连，自动记录水下探测断面测线:
2)将GPS移动站的导航线与船上根石探测导航仪相连，导航线是从GPS移动站接出的一分二的一根线，一个用作导航，一个用作数据记录，实时显示船的位置与船航行的轨迹:
3)探测船沿根石探测用导航仪断面线控制探头(拖鱼)运动，同时记录数据；
五、数据资料处理与分析，由计算机采用公知的水上根石探测处理软件对数据进行处理的分析:
A.数据处理方法:野外原始数据文件存放在GPS手簿和浅地层剖面仪内，将这些文件拷贝到计算机上，在数据处理软件中打开根石探测的原始数据文件，以波形图或影像显示探测界面图，根据所提供的已知坐标高程点进行计算绘制航迹图，并在航迹图中绘出测线，再根据测线起始位置截取航迹中的测线数据，显示测线段的探测剖面，在剖面图中追踪探测目标界面，并计算出断面的缺石面积，将追踪好的目标数据形成成果标数据文件，当一个工程所有的断面都处理完毕后，统计输出根石探测情况统计表，包括断面缺石面积、坝垛及整个工程的缺石量，通过成图软件绘制出根石探测成果断面图；
B、判定反射界面，方法是:
根据行波理论，只有当声波遇到强波阻抗差异界面时，才会发生反射。河水中的含沙量是从表层到底层渐变，因此，声波在河水中传播时不会有明显的反射界面出现，当遇到水与泥沙界面、水与根石界面、泥沙与根石界面时就会发生反射；
1)水与泥沙界面一般比较光滑，介质比较均匀，泥沙中一般无其它介质，所以为强反射界面，在波形图上表现为，反射波起跳后延续时间短，初至形成连续光滑的界面；
2)水与根石界面或泥沙与根石界面中根石一般为块状，所以其界面不平整，根石中的缝隙还填充着水或泥沙，声波可以有一部分透过，在波形图上的表现为反射波起跳后延续时间长，初至形成的界面不光滑；
C、原始资料评价:
探测的原始数据反射界面，即水底与根石界面，或水底与泥沙界面，或泥沙与根石界面清晰可见，每个测区重复检测的误差小于10cm，说明探测数据质量良好；
D、根据轨迹图追踪界面，轨迹图由导航软件生成；
E、缺石面积及缺石量的计算，缺石面积及缺石量均由数据处理软件计算:
缺石面积的计算:采用数学积分方法来实现，因为数据点是已经离散的数据，所以积分时不需要再作离散，追踪到的根石数据每两点与固定坡度围成一个梯形小面积，按照几何图形面积的计算方法计算出每个梯形小面积，然后再将所有的小面积相加即可得到需要的缺石面积；
缺石量计算:对于给定的坝、垛或护岸，其断面缺石面积之和与断面个数加2后的商，再乘以该坝、垛或护岸的裹护长度得到的值即为缺石量；
F、深度及高程校正:
深度校正:探测前通过试验选取适当的浑水层波速和淤泥层波速，经过时深转换可以进行深度校正；
高程校正:GPS与探头(拖鱼)的距离、基准点高程与GPS测量高程差，进行高程校正；
六、输出包括输出根石探测成果图及探测成果表
(1)输出根石探测成果断面图，追踪各个目标层位的反射走时，选取适当的层速度，进行时深转换，通过高程校正和偏移校正，按比例绘制根石探测断面图，该图件用于研究河道根石变化和沉积情况，分析水下覆盖层厚度变化和根石深度与分层情况；
(2)输出根石探测结果统计分析表，一个工程的数据处理完后，可以统计分析出该工程某个最大根石深度区间中断面个数和占总断面的百分数，或某个坡比区间的断面个数和占总断面的百分数；
(3)工程根石探测成果表，一个工程的数据处理完后，统计分析出该工程所有探测坝垛的断面编号，最大根石深度，探测断面进度范围，计算出坡度比在1:1.0，1: 1.3，1: 1.5时缺石面积和缺石量，得出每坡度比较下工程的总缺石量。[0017]本发明使用的仪器浅地层剖面仪，包括主机、探头(拖鱼)、电缆线；GPS导航定位仪采用中海达的RTK移动测量GPS定位系统。
[0018]由上述可以看出，本发明是将RTK移动测量GPS定位系统、浅地层剖面仪、船载探测系统有机配合，保证在实时同步情况下，采集的脉冲信号与定位数据相匹配，提高采样密度和精度，实现小尺度水域的精细化探测。
[0019]与现有技术相比，其创新之处在于:
(1)将海洋调查的大功率非接触式浅地层剖面仪用于多沙河流根石探测，利用计算机，采用现有的水声数据处理软件，探测资料数据经过处理解释，确定浑水与淤泥界面、浑水与根石界面、淤泥与根石界面，解决根石探测中的穿透淤泥层技术难题；
(2)将RTK移动测量GPS定位系统、浅地层剖面仪、船载探测系统有机配合，保证在实时同步情况下，采集的脉冲信号与定位数据相匹配，提高采样密度和精度，实现小尺度水域的精细化探测；
(3)采用计算机数据处理软件实现探测影像和波形绘制、航迹测线合成、反射界面追踪、成果综合分析，利用河道整治工程根石探测管理系统，提高河道整治工程安全状况的动态管理水平，为防汛抢险和根石加固提供技术支持。
[0020]本发明方法于2010年至2013年连续四年在河南、山东十个市局的黄河河道整治工程中试用，共探测4000余道坝，平均每天可以探测30道坝，效果非常好，易操作，安全可靠，工作效率高，快速、准确，保证了施工质量，效率提高5倍以上，误差小于10cm，确保了探测工作快速、准确的完成。该方法技术应用效果良好，消除以往人工探测的弊端，具有明显优势，探测成果被应用于防洪预案中，受到了本领域技术人员的青睐，具有很强的实际应用价值，经济和社会效益巨大。
【权利要求】
1.一种河道水下根石非接触式水下探测方法，其特征在于，首先进行地面测量及断面定位，包括基站架设和测量断面控制点；确定探测方式，根据河道的环境条件确定探测方式，选择沿根石探测断面探测或是采用绕坝探测方式；安装探测仪器设备，包括探测仪与GPS的连接与导航仪与GPS的连接；水下根石探测，采用GPS导航指示下进行水下根石探测；数据资料处理与分析，计算缺石面积、缺石量；输出根石探测成果图及探测成果表。
2.根据权利要求1所述的河道水下根石非接触式水下探测方法，其特征在于，由以下步骤实现: 一、首先进行地面测量及断面定位: (1)基站架设:在测区内，选择标志物作为基点，架设GPS固定站，测区内所有探测断面的控制点都在GPS固定站电台通讯覆盖IOkm距离范围内； (2)测量断面控制点:用GPS移动站测量各断面的控制点，获得各控制点的坐标和高程、坝顶部边缘点、根石台内侧点和外侧点，以及水面与根石的交点； 二、根据河道的环境条件确定探测方式: 当水流平衡的坝垛采用沿根石探测断面探测模式，由于探测断面与计划探测断面并不一定完全一致，应保证两者最大距离不超过Im ； 当水流的流态复杂、流速快的坝垛，沿根石探测断面探测行船有困难时，采用绕坝探测模式； 探测中，探测船在预定探测水域内连续移动，浅地层剖面仪同步记录测深点和GPS平面坐标，对多道坝同时探测，陆地上连续测量多道坝的探测断面控制点； 三、将浅地层剖面仪安装在探测船上，与GPS连接采用专用的数据连接线，数据线有两个输出接头，一个连接浅地层剖面仪，另一个连接导航仪，先按GPS测量设定好GPS参数，输出gpgga格式，然后再将数据连接线与浅地层剖面仪的COMl 口连接，浅地层剖面仪采集界面显示经纬度坐标，探测船体移动时，坐标数据实时变化，界面显示轨迹位置； 四、水下根石探测:在水深大于0.5m的水域进行探测，探测船沿根石探测导航仪断面线控制浅地层剖面仪的探头运动，同时记录数据；当探测航迹偏离测线2m以上，要重复探测，直到满足要求；探测采用陆地指挥下的水下根石探测，或采用GPS导航指示下的水下根石探测； 五、数据资料处理与分析，由计算机采用水上根石探测处理软件对数据进行处理分析: A.数据处理方法:野外原始数据文件存放在GPS手簿和浅地层剖面仪内，将这些文件拷贝到计算机上，在数据处理软件中打开根石探测的原始数据文件，以波形图或影像显示探测界面图，根据所提供的已知坐标高程点进行计算绘制航迹图，并在航迹图中绘出测线，再根据测线起始位置截取航迹中的测线数据，显示测线段的探测剖面，在剖面图中追踪探测目标界面，并计算 出断面的缺石面积，将追踪好的目标数据形成成果标数据文件，当一个工程所有的断面都处理完毕后，统计输出根石探测情况统计表，包括断面缺石面积、坝垛及整个工程的缺石量，通过成图软件绘制出根石探测成果断面图； B、判定反射界面，方法是: 根据行波理论，只有当声波遇到强波阻抗差异界面时，才会发生反射，河水中的含沙量是从表层到底层渐变，因此，声波在河水中传播时不会有明显的反射界面出现，当遇到水与泥沙界面、水与根石界面、泥沙与根石界面时就会发生反射: 1)水与泥沙界面比较光滑，介质比较均匀，泥沙中一般无其它介质，所以为强反射界面，在波形图上表现为，反射波起跳后延续时间短，初至形成连续光滑的界面； 2)水与根石界面或泥沙与根石界面中根石为块状，其界面不平整，根石中的缝隙还填充着水或泥沙，声波有一部分透过，在波形图上的表现为反射波起跳后延续时间长，初至形成的界面不光滑； C、原始资料评价: 探测的原始数据反射界面，即水底与根石界面，或水底与泥沙界面，或泥沙与根石界面清晰可见，每个测区重复检测的误差小于IOcm ； D、根据轨迹图追踪界面，轨迹图由导航软件生成； E、缺石面积及缺石量的计算，缺石面积及缺石量均由数据处理软件计算: 缺石面积的计算:采用数学积分方法来实现，因为数据点是已经离散的数据，所以积分时不需要再作离散，追踪到的根石数据每两点与固定坡度围成一个梯形小面积，按照几何图形面积的计算方法计算出每个梯形小面积，然后再将所有的小面积相加即可得到需要的缺石面积； 缺石量计算:对于给定的坝、垛或护岸，其断面缺石面积之和与断面个数加2后的商，再乘以该坝、垛或护岸的裹护长度得到的值即为缺石量； F、深度及高程校正: 深度校正:探测前通过试验选取适当的浑水层波速和淤泥层波速，经过时深转换进行深度校正；` 高程校正:GPS与探头的距离、基准点高程与GPS测量高程差，进行高程校正； 六、输出包括输出根石探测成果图及探测成果表: (1)输出根石探测成果断面图，追踪各个目标层位的反射走时，选取适当的层速度，进行时深转换，通过高程校正和偏移校正，按比例绘制根石探测断面图，该图件用于河道根石变化和沉积情况，分析水下覆盖层厚度变化和根石深度与分层情况； (2)输出根石探测结果统计分析表，一个工程的数据处理完后，可以统计分析出该工程某个最大根石深度区间中断面个数和占总断面的百分数，或某个坡比区间的断面个数和占总断面的百分数； (3)工程根石探测成果表，一个工程的数据处理完后，统计分析出该工程所有探测坝垛的断面编号，最大根石深度，探测断面进度范围，计算出坡度比在1: 1.0，1: 1.3，1: 1.5时缺石面积和缺石量，得出每坡度比较下工程的总缺石量。
3.根据权利要求2所述的河道水下根石非接触式水下探测方法，其特征在于，所述的步骤(四)中陆地指挥下的水下根石探测是: 1)将GPS移动站与船上3200-XS浅地层剖面仪相连，自动探测水下地层数据； 2)在坝顶两断面桩的连线上竖立两根测量花杆，根据两根测量花杆所成的直线，来指挥探测船的接近探测断面进行探测； 3)设备进入探测状态后，由岸上指挥探测船沿坝顶两测量花杆形成的直线进行运动，同时记录数据。
4.根据权利要求2所述的河道水下根石非接触式水下探测方法，其特征在于，所述的步骤(四)中GPS导航指示下的水下根石探测是: 1)将GPS移动站的数据线与船上3200-XS浅地层剖面仪相连，自动记录水下探测断面测线: 2)将GPS移动站的导航线与船上根石探测导航仪相连，导航线是从GPS移动站接出的一分二的一根线，一 个用作导航，一个用作数据记录，实时显示船的位置与船航行的轨迹: 3)探测船沿根石探测用导航仪断面线控制探头运动，同时记录数据。
【文档编号】G01V1/38GK103744117SQ201410051703
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】郭玉松, 谢向文, 张晓予, 张宪君, 马爱玉, 王志勇 申请人:黄河勘测规划设计有限公司