河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法，可有效解決水下根石快速、準(zhǔn)確、安全的探測(cè)問(wèn)題，方法是，由以下步驟實(shí)現(xiàn)：首先進(jìn)行地面測(cè)量及斷面定位：包括基站架設(shè)和測(cè)量斷面控制點(diǎn)；根據(jù)河道的環(huán)境條件確定探測(cè)方式，包括沿根石探測(cè)斷面探測(cè)的方式，或采用繞壩探測(cè)方式；安裝探測(cè)儀器設(shè)備：包括探測(cè)儀與GPS的連接與導(dǎo)航儀與GPS的連接；采用GPS導(dǎo)航指示下進(jìn)行水下根石探測(cè)；數(shù)據(jù)資料處理與分析：包括計(jì)算缺石面積、缺石量；輸出成果：包括輸出根石探測(cè)成果圖及探測(cè)成果表，本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，易操作，快速、準(zhǔn)確、安全有效地探測(cè)水下根石，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，有效解決了河道根石探測(cè)上的技術(shù)難題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及探測(cè)技術(shù)，特別是主要用于防洪工程、港口工程中的水下基礎(chǔ)探測(cè)工作，也可用于水下地質(zhì)勘察的一種河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]河道整治工程特別是黃河防洪工程的重要組成部分，包括險(xiǎn)工和控導(dǎo)工程均由壩、垛、護(hù)岸三種建筑物構(gòu)成，工程安全依賴(lài)于壩岸根石基礎(chǔ)的穩(wěn)定，因此，根石探測(cè)是確保工程安全及防洪安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)工作。
[0003]黃河河道整治工程根石探測(cè)一直沿用傳統(tǒng)人工錐探法，一種接觸式探測(cè)方法。沿探測(cè)斷面，工作人員或直接在水中用錐桿探測(cè)，錐桿接觸到根石為止，或在探測(cè)斷面上固定船只，沿船側(cè)工作人員用錐桿向水下進(jìn)行探測(cè)，錐桿接觸到根石為止。每?jī)擅滋綔y(cè)記錄I個(gè)根石深度數(shù)據(jù)，勾繪出根石探測(cè)斷面圖。人工探測(cè)根石，每組需10人(6人握桿作業(yè)，2人輔助測(cè)距，I人記錄，I人提水灌眼，除專(zhuān)人記錄外，其余各工種也可輪換)，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，一天工作8 h,只能探測(cè)2道壩(8個(gè)斷面，50個(gè)測(cè)點(diǎn))，探測(cè)最大深度小于6 m,該方法比較依賴(lài)于探測(cè)操作人員經(jīng)驗(yàn)，容易受到探測(cè)時(shí)大河水流流速、水深、天氣、風(fēng)力等因素影響，探測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大，同時(shí)存在探摸勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低水上作業(yè)具有很大的危險(xiǎn)性等問(wèn)題，難以滿足防洪保安全的要求，無(wú)法準(zhǔn)確的了解水下根石分布狀況，對(duì)根石加固決策與防守十分不利。
[0004]還有一種近幾研制出的電動(dòng)根石探測(cè)機(jī)，屬于機(jī)械錐探，仍然是一種接觸式探測(cè)方法，它是模仿人工探測(cè)根石時(shí)提桿、下沖動(dòng)作的原理而設(shè)計(jì)的。探測(cè)根石時(shí)，還是在船上，人工錐探時(shí)人工提拉錐桿，改為機(jī)械提拉錐桿，換湯不換藥，沒(méi)有從根本上改變根石的技術(shù)方法，一般需4人作業(yè)(2人操作機(jī)具，I人測(cè)距、記錄，I人操作電機(jī))，一天工作8 h,探測(cè)5道壩。效率較低，操作性差，不能滿足防洪保安全的要求。
[0005]人工探測(cè)根石的方式存在諸多弊端:一是安全性較差，這方面在八十年代曾經(jīng)有人員傷亡的慘痛教訓(xùn)；二是探測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，誤差較大；三是工作效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。
[0006]根石探測(cè)狀況是河道整治工程防洪安全的決定性因素，長(zhǎng)期未能解決穿透淤泥層探測(cè)根石的技術(shù)難題，主要原因在于:
(I)根石探測(cè)需穿過(guò)含沙量高的渾水、淤泥層或土層。
[0007]黃河水流含沙量大，信號(hào)需穿過(guò)渾水、淤泥或土層，才能到達(dá)根石界面，能量衰減快，難以提取有效信號(hào)，以前采用過(guò)的電法、電磁法、地質(zhì)雷達(dá)、地震法均未能試驗(yàn)成功。常用的水下探測(cè)設(shè)備，如SP-1II淺剖儀等，不具備穿透渾水和淤泥層探測(cè)的能力。
[0008](2)根石探測(cè)范圍一般僅在壩頭外30?40米的范圍內(nèi)，工作場(chǎng)地狹窄，探測(cè)難度大。常規(guī)地球物理方法，無(wú)法布置合理的觀測(cè)系統(tǒng)。
[0009](3)壩前流態(tài)紊亂，流速變化大，工況復(fù)雜，信噪比差，操作困難。
[0010](4)根石散亂，表面不規(guī)則，坡度陡，界面信號(hào)難以識(shí)別。
[0011]如何解決根石探測(cè)問(wèn)題，多年來(lái)一直是黃河防洪工作中的重大研究課題之一，許多科研單位和技術(shù)管理部門(mén)為此曾做過(guò)大量的工作，如:1982年黃委與中科院聲學(xué)所合作，利用聲吶技術(shù)進(jìn)行了六年的根石探測(cè)試驗(yàn)研究。1985年黃委引進(jìn)美國(guó)SIR-8地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行根石探測(cè)試驗(yàn)。作為國(guó)家“八五”科技攻關(guān)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，黃委設(shè)計(jì)院聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院等單位，分別采用直流電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、瞬變電磁法、淺層反射法及聲吶探測(cè)法進(jìn)行根石探測(cè)試驗(yàn)研究。如郭玉松，胡一三，馬愛(ài)玉.黃河水下根石探測(cè)的淺地層剖面技術(shù)，《水利水電技術(shù)》2009年第12期；周莉，郭玉松，崔炎鋒.黃河河道整治工程根石探測(cè)新技術(shù)研究，《人民黃河》2011年07期；劉廣柱，電動(dòng)根石探測(cè)機(jī)的研制及應(yīng)用，《人民黃河》2007年02期。但均未能解決根石探測(cè)技術(shù)難題。解決根石探測(cè)的技術(shù)難題，一直是業(yè)內(nèi)所關(guān)心的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對(duì)上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法，可有效解決水下根石快速、準(zhǔn)確、安全的探測(cè)問(wèn)題。
[0013]本發(fā)明解決的技術(shù)方案是，由于河水、沉積泥砂、根石界面之間存在著很大的波阻抗差異，當(dāng)聲波入射到水與沉積泥砂界面以及沉積泥砂與根石界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，儀器記錄來(lái)自不同波阻抗界面反射信號(hào)，同時(shí)將GPS定位系統(tǒng)測(cè)量的三維坐標(biāo)記錄到采集的信號(hào)中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、處理得到水下根石的分布信息，把探測(cè)到的根石分布信息輸入到黃河河道整治工程根石探測(cè)管理系統(tǒng)中，對(duì)根石進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理，利用水聲數(shù)據(jù)處理軟件處理分析探測(cè)數(shù)據(jù)，最終經(jīng)過(guò)成圖軟件繪制出根石探測(cè)成果斷面圖。據(jù)此，本發(fā)明由以下步驟實(shí)現(xiàn):
(I)、首先進(jìn)行地面測(cè)量及斷面定位:包括基站架設(shè)和測(cè)量斷面控制點(diǎn)；(2)、確定探測(cè)方式:根據(jù)河道的環(huán)境條件確定探測(cè)方式，包括沿根石探測(cè)斷面探測(cè)的方式，或采用繞壩探測(cè)方式；(3)、安裝探測(cè)儀器設(shè)備:包括探測(cè)儀與GPS的連接與導(dǎo)航儀與GPS的連接；(4)、水下根石探測(cè):采用GPS導(dǎo)航指示下進(jìn)行水下根石探測(cè)；(5)、數(shù)據(jù)資料處理與分析:包括計(jì)算缺石面積、缺石量；(6)、輸出成果:包括輸出根石探測(cè)成果圖及探測(cè)成果表。
[0014]本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，易操作，快速、準(zhǔn)確、安全有效地探測(cè)水下根石，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，有效解決了河道根石探測(cè)上的技術(shù)難題，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合具體情況對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]本發(fā)明在具體實(shí)施中，由以下步驟實(shí)現(xiàn):
一、首先進(jìn)行地面測(cè)量及斷面定位，包括:
(1)基站架設(shè):在測(cè)區(qū)內(nèi)，選擇標(biāo)志物作為基點(diǎn)，架設(shè)GPS固定站，測(cè)區(qū)內(nèi)所有探測(cè)斷面的控制點(diǎn)都在GPS固定站電臺(tái)通訊覆蓋IOkm距離范圍內(nèi)；
(2)測(cè)量斷面控制點(diǎn):用GPS移動(dòng)站測(cè)量各斷面的控制點(diǎn)，獲得各控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程、壩頂部邊緣點(diǎn)、根石臺(tái)內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)，以及水面與根石的交點(diǎn)；
二、確定探測(cè)方式，根據(jù)河道的環(huán)境條件確定探測(cè)方式，包括沿根石探測(cè)斷面探測(cè)的方式，或采用繞壩探測(cè)方式:
(I)沿根石探測(cè)斷面探測(cè)模式:沿根石探測(cè)斷面探測(cè)模式是最常用的一種探測(cè)模式，沿根石探測(cè)斷面探測(cè)模式是最常用的一種探測(cè)模式，其特點(diǎn)是:
a.探測(cè)數(shù)據(jù)是連續(xù)有效的，探測(cè)效率大大提高；
b.大量連續(xù)的有效探測(cè)數(shù)據(jù)可以較為精細(xì)地反映水下根石的真實(shí)狀態(tài)；
c.可以準(zhǔn)確判定水下根石的外邊界，也就能夠準(zhǔn)確探測(cè)根石的最大深度；
當(dāng)水流平衡的壩垛采用沿根石探測(cè)斷面探測(cè)模式，因探測(cè)斷面與計(jì)劃探測(cè)斷面并不一定完全一致，應(yīng)保證兩者最大距離不超過(guò)Im ；
(2)繞壩探測(cè)方式:當(dāng)水流的流態(tài)復(fù)雜、流速快的壩垛，沿根石探測(cè)斷面探測(cè)行船有困難時(shí)，采用繞壩探測(cè)模式，其特點(diǎn)是:
a.可以對(duì)多道壩同時(shí)進(jìn)行次探測(cè)，但會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)效探測(cè)數(shù)據(jù)；
b.對(duì)載體(探測(cè)船)動(dòng)力及操控性能要求較高，近岸處探測(cè)困難且易發(fā)生安全事故；
c.在河水流速較快的情況下，船不易調(diào)頭，而且容易和靠近岸邊的航跡相交，造成要探測(cè)的數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)量；
其探測(cè)過(guò)程:探測(cè)船在預(yù)定探測(cè)水域內(nèi)連續(xù)移動(dòng)，淺地層剖面儀同步記錄測(cè)深點(diǎn)和GPS平面坐標(biāo)，可對(duì)多道壩同時(shí)探測(cè)；陸地上連續(xù)測(cè)量多道壩的探測(cè)斷面控制點(diǎn)；
三、安裝探測(cè)儀器設(shè)備:將淺地層剖面儀安裝在探測(cè)船上，與GPS連接采用專(zhuān)用的數(shù)據(jù)連接線，數(shù)據(jù)線有兩個(gè)輸出接頭，一個(gè)連接淺地層剖面儀，另一個(gè)連接導(dǎo)航儀(導(dǎo)航設(shè)備)，首先按照GPS測(cè)量設(shè)定好GPS參數(shù)，輸出gpgga格式，然后將數(shù)據(jù)連接線與淺地層剖面儀的COMl 口連接，連接成功后，淺地層剖面儀采集界面顯示經(jīng)緯度坐標(biāo)，探測(cè)船體移動(dòng)時(shí)，坐標(biāo)數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)時(shí)變化，界面顯示軌跡位置；
四、水下根石探測(cè):在水深大于0.5m的水域進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)船沿根石探測(cè)導(dǎo)航儀斷面線控制淺地層剖面儀的探頭(拖魚(yú))運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)；當(dāng)探測(cè)航跡偏離測(cè)線2m以上，要重復(fù)探測(cè)，直到滿足要求；探測(cè)采用以下兩種方式進(jìn)行:陸地指揮下的水下根石探測(cè)，或采用GPS導(dǎo)航指示下的水下根石探測(cè):
A陸地指揮下的水下根石探測(cè)
1)將GPS移動(dòng)站與船上3200-XS淺地層剖面儀相連，自動(dòng)探測(cè)水下地層數(shù)據(jù)；
2)在壩頂兩斷面樁的連線上豎立兩根測(cè)量花桿，根據(jù)兩根測(cè)量花桿所成的直線，來(lái)指揮探測(cè)船的接近探測(cè)斷面進(jìn)行探測(cè)；
3)設(shè)備進(jìn)入探測(cè)狀態(tài)后，由岸上指揮探測(cè)船沿壩頂兩測(cè)量花桿形成的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)；
B、GPS導(dǎo)航指示下的水下根石探測(cè)
1)將GPS移動(dòng)站的數(shù)據(jù)線與船上3200-XS淺地層剖面儀相連，自動(dòng)記錄水下探測(cè)斷面測(cè)線:
2)將GPS移動(dòng)站的導(dǎo)航線與船上根石探測(cè)導(dǎo)航儀相連，導(dǎo)航線是從GPS移動(dòng)站接出的一分二的一根線，一個(gè)用作導(dǎo)航，一個(gè)用作數(shù)據(jù)記錄，實(shí)時(shí)顯示船的位置與船航行的軌跡:
3)探測(cè)船沿根石探測(cè)用導(dǎo)航儀斷面線控制探頭(拖魚(yú))運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)；
五、數(shù)據(jù)資料處理與分析，由計(jì)算機(jī)采用公知的水上根石探測(cè)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的分析:
A.數(shù)據(jù)處理方法:野外原始數(shù)據(jù)文件存放在GPS手簿和淺地層剖面儀內(nèi)，將這些文件拷貝到計(jì)算機(jī)上，在數(shù)據(jù)處理軟件中打開(kāi)根石探測(cè)的原始數(shù)據(jù)文件，以波形圖或影像顯示探測(cè)界面圖，根據(jù)所提供的已知坐標(biāo)高程點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算繪制航跡圖，并在航跡圖中繪出測(cè)線，再根據(jù)測(cè)線起始位置截取航跡中的測(cè)線數(shù)據(jù)，顯示測(cè)線段的探測(cè)剖面，在剖面圖中追蹤探測(cè)目標(biāo)界面，并計(jì)算出斷面的缺石面積，將追蹤好的目標(biāo)數(shù)據(jù)形成成果標(biāo)數(shù)據(jù)文件，當(dāng)一個(gè)工程所有的斷面都處理完畢后，統(tǒng)計(jì)輸出根石探測(cè)情況統(tǒng)計(jì)表，包括斷面缺石面積、壩垛及整個(gè)工程的缺石量，通過(guò)成圖軟件繪制出根石探測(cè)成果斷面圖；
B、判定反射界面，方法是:
根據(jù)行波理論，只有當(dāng)聲波遇到強(qiáng)波阻抗差異界面時(shí)，才會(huì)發(fā)生反射。河水中的含沙量是從表層到底層漸變，因此，聲波在河水中傳播時(shí)不會(huì)有明顯的反射界面出現(xiàn)，當(dāng)遇到水與泥沙界面、水與根石界面、泥沙與根石界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；
1)水與泥沙界面一般比較光滑，介質(zhì)比較均勻，泥沙中一般無(wú)其它介質(zhì)，所以為強(qiáng)反射界面，在波形圖上表現(xiàn)為，反射波起跳后延續(xù)時(shí)間短，初至形成連續(xù)光滑的界面；
2)水與根石界面或泥沙與根石界面中根石一般為塊狀，所以其界面不平整，根石中的縫隙還填充著水或泥沙，聲波可以有一部分透過(guò)，在波形圖上的表現(xiàn)為反射波起跳后延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，初至形成的界面不光滑；
C、原始資料評(píng)價(jià):
探測(cè)的原始數(shù)據(jù)反射界面，即水底與根石界面，或水底與泥沙界面，或泥沙與根石界面清晰可見(jiàn)，每個(gè)測(cè)區(qū)重復(fù)檢測(cè)的誤差小于10cm，說(shuō)明探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好；
D、根據(jù)軌跡圖追蹤界面，軌跡圖由導(dǎo)航軟件生成；
E、缺石面積及缺石量的計(jì)算，缺石面積及缺石量均由數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算:
缺石面積的計(jì)算:采用數(shù)學(xué)積分方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)是已經(jīng)離散的數(shù)據(jù)，所以積分時(shí)不需要再作離散，追蹤到的根石數(shù)據(jù)每?jī)牲c(diǎn)與固定坡度圍成一個(gè)梯形小面積，按照幾何圖形面積的計(jì)算方法計(jì)算出每個(gè)梯形小面積，然后再將所有的小面積相加即可得到需要的缺石面積；
缺石量計(jì)算:對(duì)于給定的壩、垛或護(hù)岸，其斷面缺石面積之和與斷面?zhèn)€數(shù)加2后的商，再乘以該壩、垛或護(hù)岸的裹護(hù)長(zhǎng)度得到的值即為缺石量；
F、深度及高程校正:
深度校正:探測(cè)前通過(guò)試驗(yàn)選取適當(dāng)?shù)臏喫畬硬ㄋ俸陀倌鄬硬ㄋ?，?jīng)過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換可以進(jìn)行深度校正；
高程校正:GPS與探頭(拖魚(yú))的距離、基準(zhǔn)點(diǎn)高程與GPS測(cè)量高程差，進(jìn)行高程校正；
六、輸出包括輸出根石探測(cè)成果圖及探測(cè)成果表
(1)輸出根石探測(cè)成果斷面圖，追蹤各個(gè)目標(biāo)層位的反射走時(shí)，選取適當(dāng)?shù)膶铀俣?，進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，通過(guò)高程校正和偏移校正，按比例繪制根石探測(cè)斷面圖，該圖件用于研究河道根石變化和沉積情況，分析水下覆蓋層厚度變化和根石深度與分層情況；
(2)輸出根石探測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表，一個(gè)工程的數(shù)據(jù)處理完后，可以統(tǒng)計(jì)分析出該工程某個(gè)最大根石深度區(qū)間中斷面?zhèn)€數(shù)和占總斷面的百分?jǐn)?shù)，或某個(gè)坡比區(qū)間的斷面?zhèn)€數(shù)和占總斷面的百分?jǐn)?shù)；
(3)工程根石探測(cè)成果表，一個(gè)工程的數(shù)據(jù)處理完后，統(tǒng)計(jì)分析出該工程所有探測(cè)壩垛的斷面編號(hào)，最大根石深度，探測(cè)斷面進(jìn)度范圍，計(jì)算出坡度比在1:1.0，1: 1.3，1: 1.5時(shí)缺石面積和缺石量，得出每坡度比較下工程的總?cè)笔?。[0017]本發(fā)明使用的儀器淺地層剖面儀，包括主機(jī)、探頭(拖魚(yú))、電纜線；GPS導(dǎo)航定位儀采用中海達(dá)的RTK移動(dòng)測(cè)量GPS定位系統(tǒng)。
[0018]由上述可以看出，本發(fā)明是將RTK移動(dòng)測(cè)量GPS定位系統(tǒng)、淺地層剖面儀、船載探測(cè)系統(tǒng)有機(jī)配合，保證在實(shí)時(shí)同步情況下，采集的脈沖信號(hào)與定位數(shù)據(jù)相匹配，提高采樣密度和精度，實(shí)現(xiàn)小尺度水域的精細(xì)化探測(cè)。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，其創(chuàng)新之處在于:
(1)將海洋調(diào)查的大功率非接觸式淺地層剖面儀用于多沙河流根石探測(cè)，利用計(jì)算機(jī)，采用現(xiàn)有的水聲數(shù)據(jù)處理軟件，探測(cè)資料數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理解釋?zhuān)_定渾水與淤泥界面、渾水與根石界面、淤泥與根石界面，解決根石探測(cè)中的穿透淤泥層技術(shù)難題；
(2)將RTK移動(dòng)測(cè)量GPS定位系統(tǒng)、淺地層剖面儀、船載探測(cè)系統(tǒng)有機(jī)配合，保證在實(shí)時(shí)同步情況下，采集的脈沖信號(hào)與定位數(shù)據(jù)相匹配，提高采樣密度和精度，實(shí)現(xiàn)小尺度水域的精細(xì)化探測(cè)；
(3)采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)探測(cè)影像和波形繪制、航跡測(cè)線合成、反射界面追蹤、成果綜合分析，利用河道整治工程根石探測(cè)管理系統(tǒng)，提高河道整治工程安全狀況的動(dòng)態(tài)管理水平，為防汛搶險(xiǎn)和根石加固提供技術(shù)支持。
[0020]本發(fā)明方法于2010年至2013年連續(xù)四年在河南、山東十個(gè)市局的黃河河道整治工程中試用，共探測(cè)4000余道壩，平均每天可以探測(cè)30道壩，效果非常好，易操作，安全可靠，工作效率高，快速、準(zhǔn)確，保證了施工質(zhì)量，效率提高5倍以上，誤差小于10cm，確保了探測(cè)工作快速、準(zhǔn)確的完成。該方法技術(shù)應(yīng)用效果良好，消除以往人工探測(cè)的弊端，具有明顯優(yōu)勢(shì)，探測(cè)成果被應(yīng)用于防洪預(yù)案中，受到了本領(lǐng)域技術(shù)人員的青睞，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。
【權(quán)利要求】
1.一種河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法，其特征在于，首先進(jìn)行地面測(cè)量及斷面定位，包括基站架設(shè)和測(cè)量斷面控制點(diǎn)；確定探測(cè)方式，根據(jù)河道的環(huán)境條件確定探測(cè)方式，選擇沿根石探測(cè)斷面探測(cè)或是采用繞壩探測(cè)方式；安裝探測(cè)儀器設(shè)備，包括探測(cè)儀與GPS的連接與導(dǎo)航儀與GPS的連接；水下根石探測(cè)，采用GPS導(dǎo)航指示下進(jìn)行水下根石探測(cè)；數(shù)據(jù)資料處理與分析，計(jì)算缺石面積、缺石量；輸出根石探測(cè)成果圖及探測(cè)成果表。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法，其特征在于，由以下步驟實(shí)現(xiàn): 一、首先進(jìn)行地面測(cè)量及斷面定位: (1)基站架設(shè):在測(cè)區(qū)內(nèi)，選擇標(biāo)志物作為基點(diǎn)，架設(shè)GPS固定站，測(cè)區(qū)內(nèi)所有探測(cè)斷面的控制點(diǎn)都在GPS固定站電臺(tái)通訊覆蓋IOkm距離范圍內(nèi)； (2)測(cè)量斷面控制點(diǎn):用GPS移動(dòng)站測(cè)量各斷面的控制點(diǎn)，獲得各控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程、壩頂部邊緣點(diǎn)、根石臺(tái)內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)，以及水面與根石的交點(diǎn)； 二、根據(jù)河道的環(huán)境條件確定探測(cè)方式: 當(dāng)水流平衡的壩垛采用沿根石探測(cè)斷面探測(cè)模式，由于探測(cè)斷面與計(jì)劃探測(cè)斷面并不一定完全一致，應(yīng)保證兩者最大距離不超過(guò)Im ； 當(dāng)水流的流態(tài)復(fù)雜、流速快的壩垛，沿根石探測(cè)斷面探測(cè)行船有困難時(shí)，采用繞壩探測(cè)模式； 探測(cè)中，探測(cè)船在預(yù)定探測(cè)水域內(nèi)連續(xù)移動(dòng)，淺地層剖面儀同步記錄測(cè)深點(diǎn)和GPS平面坐標(biāo)，對(duì)多道壩同時(shí)探測(cè)，陸地上連續(xù)測(cè)量多道壩的探測(cè)斷面控制點(diǎn)； 三、將淺地層剖面儀安裝在探測(cè)船上，與GPS連接采用專(zhuān)用的數(shù)據(jù)連接線，數(shù)據(jù)線有兩個(gè)輸出接頭，一個(gè)連接淺地層剖面儀，另一個(gè)連接導(dǎo)航儀，先按GPS測(cè)量設(shè)定好GPS參數(shù)，輸出gpgga格式，然后再將數(shù)據(jù)連接線與淺地層剖面儀的COMl 口連接，淺地層剖面儀采集界面顯示經(jīng)緯度坐標(biāo)，探測(cè)船體移動(dòng)時(shí)，坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化，界面顯示軌跡位置； 四、水下根石探測(cè):在水深大于0.5m的水域進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)船沿根石探測(cè)導(dǎo)航儀斷面線控制淺地層剖面儀的探頭運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)；當(dāng)探測(cè)航跡偏離測(cè)線2m以上，要重復(fù)探測(cè)，直到滿足要求；探測(cè)采用陸地指揮下的水下根石探測(cè)，或采用GPS導(dǎo)航指示下的水下根石探測(cè)； 五、數(shù)據(jù)資料處理與分析，由計(jì)算機(jī)采用水上根石探測(cè)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析: A.數(shù)據(jù)處理方法:野外原始數(shù)據(jù)文件存放在GPS手簿和淺地層剖面儀內(nèi)，將這些文件拷貝到計(jì)算機(jī)上，在數(shù)據(jù)處理軟件中打開(kāi)根石探測(cè)的原始數(shù)據(jù)文件，以波形圖或影像顯示探測(cè)界面圖，根據(jù)所提供的已知坐標(biāo)高程點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算繪制航跡圖，并在航跡圖中繪出測(cè)線，再根據(jù)測(cè)線起始位置截取航跡中的測(cè)線數(shù)據(jù)，顯示測(cè)線段的探測(cè)剖面，在剖面圖中追蹤探測(cè)目標(biāo)界面，并計(jì)算 出斷面的缺石面積，將追蹤好的目標(biāo)數(shù)據(jù)形成成果標(biāo)數(shù)據(jù)文件，當(dāng)一個(gè)工程所有的斷面都處理完畢后，統(tǒng)計(jì)輸出根石探測(cè)情況統(tǒng)計(jì)表，包括斷面缺石面積、壩垛及整個(gè)工程的缺石量，通過(guò)成圖軟件繪制出根石探測(cè)成果斷面圖； B、判定反射界面，方法是: 根據(jù)行波理論，只有當(dāng)聲波遇到強(qiáng)波阻抗差異界面時(shí)，才會(huì)發(fā)生反射，河水中的含沙量是從表層到底層漸變，因此，聲波在河水中傳播時(shí)不會(huì)有明顯的反射界面出現(xiàn)，當(dāng)遇到水與泥沙界面、水與根石界面、泥沙與根石界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射: 1)水與泥沙界面比較光滑，介質(zhì)比較均勻，泥沙中一般無(wú)其它介質(zhì)，所以為強(qiáng)反射界面，在波形圖上表現(xiàn)為，反射波起跳后延續(xù)時(shí)間短，初至形成連續(xù)光滑的界面； 2)水與根石界面或泥沙與根石界面中根石為塊狀，其界面不平整，根石中的縫隙還填充著水或泥沙，聲波有一部分透過(guò)，在波形圖上的表現(xiàn)為反射波起跳后延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，初至形成的界面不光滑； C、原始資料評(píng)價(jià): 探測(cè)的原始數(shù)據(jù)反射界面，即水底與根石界面，或水底與泥沙界面，或泥沙與根石界面清晰可見(jiàn)，每個(gè)測(cè)區(qū)重復(fù)檢測(cè)的誤差小于IOcm ； D、根據(jù)軌跡圖追蹤界面，軌跡圖由導(dǎo)航軟件生成； E、缺石面積及缺石量的計(jì)算，缺石面積及缺石量均由數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算: 缺石面積的計(jì)算:采用數(shù)學(xué)積分方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)是已經(jīng)離散的數(shù)據(jù)，所以積分時(shí)不需要再作離散，追蹤到的根石數(shù)據(jù)每?jī)牲c(diǎn)與固定坡度圍成一個(gè)梯形小面積，按照幾何圖形面積的計(jì)算方法計(jì)算出每個(gè)梯形小面積，然后再將所有的小面積相加即可得到需要的缺石面積； 缺石量計(jì)算:對(duì)于給定的壩、垛或護(hù)岸，其斷面缺石面積之和與斷面?zhèn)€數(shù)加2后的商，再乘以該壩、垛或護(hù)岸的裹護(hù)長(zhǎng)度得到的值即為缺石量； F、深度及高程校正: 深度校正:探測(cè)前通過(guò)試驗(yàn)選取適當(dāng)?shù)臏喫畬硬ㄋ俸陀倌鄬硬ㄋ?，?jīng)過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換進(jìn)行深度校正；` 高程校正:GPS與探頭的距離、基準(zhǔn)點(diǎn)高程與GPS測(cè)量高程差，進(jìn)行高程校正； 六、輸出包括輸出根石探測(cè)成果圖及探測(cè)成果表: (1)輸出根石探測(cè)成果斷面圖，追蹤各個(gè)目標(biāo)層位的反射走時(shí)，選取適當(dāng)?shù)膶铀俣?，進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，通過(guò)高程校正和偏移校正，按比例繪制根石探測(cè)斷面圖，該圖件用于河道根石變化和沉積情況，分析水下覆蓋層厚度變化和根石深度與分層情況； (2)輸出根石探測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表，一個(gè)工程的數(shù)據(jù)處理完后，可以統(tǒng)計(jì)分析出該工程某個(gè)最大根石深度區(qū)間中斷面?zhèn)€數(shù)和占總斷面的百分?jǐn)?shù)，或某個(gè)坡比區(qū)間的斷面?zhèn)€數(shù)和占總斷面的百分?jǐn)?shù)； (3)工程根石探測(cè)成果表，一個(gè)工程的數(shù)據(jù)處理完后，統(tǒng)計(jì)分析出該工程所有探測(cè)壩垛的斷面編號(hào)，最大根石深度，探測(cè)斷面進(jìn)度范圍，計(jì)算出坡度比在1: 1.0，1: 1.3，1: 1.5時(shí)缺石面積和缺石量，得出每坡度比較下工程的總?cè)笔俊?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法，其特征在于，所述的步驟(四)中陸地指揮下的水下根石探測(cè)是: 1)將GPS移動(dòng)站與船上3200-XS淺地層剖面儀相連，自動(dòng)探測(cè)水下地層數(shù)據(jù)； 2)在壩頂兩斷面樁的連線上豎立兩根測(cè)量花桿，根據(jù)兩根測(cè)量花桿所成的直線，來(lái)指揮探測(cè)船的接近探測(cè)斷面進(jìn)行探測(cè)； 3)設(shè)備進(jìn)入探測(cè)狀態(tài)后，由岸上指揮探測(cè)船沿壩頂兩測(cè)量花桿形成的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的河道水下根石非接觸式水下探測(cè)方法，其特征在于，所述的步驟(四)中GPS導(dǎo)航指示下的水下根石探測(cè)是: 1)將GPS移動(dòng)站的數(shù)據(jù)線與船上3200-XS淺地層剖面儀相連，自動(dòng)記錄水下探測(cè)斷面測(cè)線: 2)將GPS移動(dòng)站的導(dǎo)航線與船上根石探測(cè)導(dǎo)航儀相連，導(dǎo)航線是從GPS移動(dòng)站接出的一分二的一根線，一 個(gè)用作導(dǎo)航，一個(gè)用作數(shù)據(jù)記錄，實(shí)時(shí)顯示船的位置與船航行的軌跡: 3)探測(cè)船沿根石探測(cè)用導(dǎo)航儀斷面線控制探頭運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01V1/38GK103744117SQ201410051703
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】郭玉松, 謝向文, 張曉予, 張憲君, 馬愛(ài)玉, 王志勇 申請(qǐng)人:黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司