钱塘江大堤水下抛石的高技术综合勘察及分析

郭润元; 胡勇峰; 周斌; 胡海忠; 蔡金海; 王兆景; 葛双成

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501881

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (12) :4930-4939 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501881

天文学、地球科学

钱塘江大堤水下抛石的高技术综合勘察及分析

郭润元 ¹ ,
胡勇峰 ¹ ,
周斌 ¹ ,
胡海忠 ¹ ,
蔡金海 ² ,
王兆景 ³ ,
葛双成 ⁴^,^*

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High-tech Comprehensive Investigation and Analysis of Underwater Riprap on Qiantang River Dyke

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摘要

水下抛石是预防江岸堤脚水流冲刷破坏的常用措施,其分布状况、方量的准确检测至关重要。但水域勘察的施工难度大、不确定因素多、水流流态干扰等因素可能导致勘察效果难以保障,严重困扰施工质量及计量的检测和控制。实践表明,如何针对具体的工程背景情况选择恰当的技术方法与仪器参数、确定抛石识别标志,并进行合理准确的数据处理与解释,是水下抛石勘察工作的关键。基于钱塘江大堤某堤脚加固抛石的水域综合勘察实例,重点阐述了勘察方法组合的选择、现场工作技术、抛石层界面确定依据以及资料处理与综合解释等关键技术环节,并结合钻探和多种方法的物探结果,对综合勘察效果进行了评述。勘察表明,采用以浅地层剖面法为主的物探和钻探相结合的综合技术方法,通过发挥各种方法的优势,可有效地保障水下抛石的勘察质量。

Abstract

Underwater rock throwing is a common measure to prevent erosion and damage to riverbank embankments, and accurate detection of its distribution and volume is crucial. However, the construction difficulty of water area survey is high, there are many uncertain factors, and factors such as water flow interference may make it difficult to guarantee the survey effect, which seriously hinders the detection and control of construction quality and measurement. Practice has shown that selecting appropriate technical methods and instrument parameters based on specific engineering backgrounds, determining identification markers for rock throwing, and conducting reasonable and accurate data processing and interpretation are key to underwater rock throwing survey work. The selection of survey method combinations, on-site work techniques, criteria for determining the interface of the stone throwing layer, and key technical links such as data processing and comprehensive interpretation were focused on, based on the comprehensive survey of a water area reinforced with stone throwing at the foot of a certain embankment in Qiantang River. The comprehensive survey effect was evaluated by combining the results of drilling and various geophysical methods. The survey shows that a comprehensive technical method combining geophysical exploration and drilling, mainly based on shallow stratigraphic profiling, can effectively ensure the quality of underwater rock throwing survey by leveraging the advantages of various methods.

Graphical abstract

关键词

水下抛石 / 水下测量 / 水域钻探 / 水域物探

Key words

underwater riprap / underwater surveying / underwater drilling / underwater geophysical prospecting

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郭润元, 胡勇峰, 周斌, 胡海忠, 蔡金海, 王兆景, 葛双成. 钱塘江大堤水下抛石的高技术综合勘察及分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(12): 4930-4939 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501881

GUO Run-yuan, HU Yong-feng, ZHOU Bin, HU Hai-zhong, CAI Jin-hai, WANG Zhao-jing, GE Shuang-cheng. High-tech Comprehensive Investigation and Analysis of Underwater Riprap on Qiantang River Dyke[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(12): 4930-4939 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501881

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水下抛石是涉海涉水工程的常用技术措施,适用于经常浸水且水深较大的坡岸基础防护。当前普遍做法为根据地形的走势进行网格化划分,同时利用逐斗称重的方式控制抛投量^[1]。然而,受限于水流流速、流态、水深、坡度等水上作业条件的复杂多变性,常导致水下抛石出现着位偏差等难以控制的问题^[2],一旦返工补抛,不仅增加成本、延缓工期,更加大了水上交通安全风险及海事、航道部门的协调难度。

关于抛石勘察实践,周广宇等^[3]提出通过多期的多波束法的水底地形测量来评定水下抛石的施工质量,但未能考虑因抛石自重造成抛石底部界面沉降变化。王春辉等^[4]采用高频探地雷达实现了浅水下地层结构的粗略识别,但地层对雷达波探测深度未做深入研究。徐文才等^[5]针对地震反射波法的水下探测的偏移距参数和数据处理进行了研究。总体来看,前人研究主要就各自方法的领域进行初步试验,但未能针对抛石工程项目形成一套比较成熟的技术体系和实施标准。特别是针对复杂水下地形和复杂水动力条件水域的抛石工程勘察尚鲜见报道。因此亟需在实践种研究总结复杂抛石工程的综合勘察方法技术,更好地服务于蓬勃发展的水利工程及港航工程建设。

在钱塘江大堤加固的抛石工程中,由于落底于淤泥层,抛石自重和水流冲刷会造成抛石层体的沉降和移位,通过抛石前后的水底地形变化很难精准反映实际抛石层的分布情况。鉴于此,现分析工程区附近的历年水文和地形变化特点,以及以往的抛石勘察工作情况,拟定以浅地层剖面法为主的物探和钻探相结合的高技术综合勘察方法,基本查明2022—2023年钱塘江下游某堤段1 600 m×80 m水域的水下抛石平面分布及厚度变化情况。通过明确不同探测技术的适用边界与互补机制,建立一整套高标准的水下抛石工程综合勘察工法,以解决传统单一方法探测深度不足、分辨率低、环境适应性差的痛点。实现抛石层厚度、底界深度、抛石均匀性等参数的高精度、全方位探测,填补“水下多源信息勘察数据融合-三维可视化建模”的技术空白。

1 工程概况

工程区位于钱塘江下游的右岸(图1),地处三江(富春江、浦阳江、钱塘江)交汇区域,江道弯曲、狭窄,江流顶冲剧烈,水深、潮强、流急,施工环境复杂,是钱塘江海塘的险工险段。河道的冲刷造成历史上的多次险情。

1.1 工程地质条件

根据前期的地质勘察资料,工区范围内水底下35 m深度范围内的地层,自上而下分别为淤泥质粉质黏土(厚3~8 m)、块石层(厚0~1 m)、粉土(厚5~15 m)、粉(细)砂(厚3~8 m)、圆砾(厚2~8 m)等。本次抛石层的主要下伏层为淤泥,局部区域含有老抛石层。

1.2 抛石结构特点

根据设计方案,加固工程主要位于该河段离岸17 m外、4~15 m深的水下。水下施工工法包含砂肋排加固、砂袋垫层、砼铰链排等水下软体排施工及水下抛石(图2)。具体为在塘前17 m处开始抛放块石,并以1∶(2.0~3.0)的坡比放坡至堤脚抛石的底部区域布置砂袋垫层[图3(a)中E区],抛石表层采用合金钢网兜块石护面(D区)。为了在冲刷坡面上形成更好的坡面防护效果,其中的险段局部冲刷深度较大区段,在抛石体前沿铺设预制铰链排一层作为余排(F区)。

垂直于岸坡的模型1和平行于岸坡的模型2中,横坐标范围分别0~100 m和0~200 m,纵坐标范围均为-18~10 m,主要由河水、抛石体、淤泥层、砂袋垫层组成。这些结构层介质的相关物理参数如表1所示。

2 抛石勘察方法

广泛调研分析前人的抛石勘察工作情况,如利用水下多波束地形测量掌握抛石起伏分布,利用地质雷达等技术探查水下抛石和地层内部岩性分层,利用地震反射波法的水下抛石探测进行了正反演研究。通过王春辉等^[4]、费成鹏等^[6]的试验揭示出水下各勘察方法的各自特点和适用条件。

根据本抛石工程的特点及前人在该水域勘察的经验教训,本次勘察工作较注重:①声呐类与物探类方法在水域探测的可行性试验分析及对比; ②电磁波和弹性波方法在水下地层中反射的有效深度;③水下抛石赋存形态的探测效果对比。通过试验分析,总结规律性并建立本水域勘察工作的探测与分析标准,用于指导本次抛石综合勘察工作。

2.1 声呐类探测方法

声呐方法是水域工程中常见的测量方法,包括单波束测深法^[7]、多波束测深法^[8]、侧扫声呐法^[9]等,其中的测深方法主要是用于水下地形测量,可用于抛石前地形测量和抛石后地形测量,以及抛石施工过程中的分布控制;而侧扫声呐主要是通过水底面的声呐反射影像图反映水下的地貌情况,如分辨出抛石区域与非抛石区域,水下建筑物、沉船、水底电缆等不同特征的物体。戴光耀等^[10]研究发现,采用传统声呐复核水底地形的测量方法只能根据河底部的变化推测是否有抛石存在,对抛石体的形态和厚度很难有确切的测定。本项目在局部段(海事码头段)的抛石前后都做过声呐法水深测量,以通过地形差求得抛石方量,取得了一定的成果。当涉及整个项目,由于项目周期长,期间受洪水冲刷扩散以及抛石自身的自重沉降,虽然声呐法完成了水底界面(约等同于抛石上界面)探测,但无法取得地层沉降后的抛石下界面信息,所以仅从抛石前后地形计算方量存在较大的误差。

2.2 水下定位信标法

水下定位信标^[11]是一个主被动合置的声呐,通过预置在抛石底部的信标机发送超声波脉冲,被水面的声学定位仪探测到信标机的脉冲信号,计算抛石各点位的埋深及变化,并可以预测抛石层沉降变化趋势。受限于现有技术和成本手段^[12],一旦与水下抛石层下定位信标的通信失联,后期人工很难干预操作恢复。本次在抛石施工前期尝试了多个信标与抛石一同置入水底,经过一段时间后,信标疑似受抛石挤压破坏等原因造成信号失联,最终水下信标法实施失败。

2.3 钻探法

钻探手段^[13]是较为直观的勘察手段。在钻机钻进过程中,利用钻杆的长度量测孔深,并对钻孔岩土层进行分层描述,孔口高程采用GPS测量。通过钻孔获得钻探点抛石层的顶、底界高程及地层的结构和成分。水上钻探作业往往成本较大,且受限于水上风浪、水上潮汐,作业条件相对困难^[14]。值得注意的是,抛石体大小不一,除了存在“一孔之见”的局限性,钻探法还有可能存在深度及不易分辨抛石内部的夹层、空隙等问题^[14]。

2.4 水域物探方法

应用于抛石探测的水域物探方法主要有浅地层剖面^[15]、地质雷达^[16]、浅层地震^[17]、高密度电阻率^[18]、瞬变电磁^[19]等方法。各物探方法有各自的特点和使用条件。浅地层剖面是水域使用较广的方法,相对来说,对淤泥层穿透能力强,对砂石层、块石层穿透能力弱;地质雷达法分辨率高,但测试深度受限。水上地震与浅地层剖面法本质上是同属于地震类方法,其区别在于激振的震源和接收传感器不同,水上地震通常选用电火花或脉冲震源,穿透深度大,但其分辨率相比浅地层剖面较低,而浅地层剖面法则因其采用高频脉冲电磁波,分辨率相对较高。实践中,瞬变电磁和高密度电阻率等方法则相对较少应用于水下抛石探测。

3 综合勘察方法的实施

3.1 水上作业难点分析

水上相对于陆地工作,受到风浪、潮水等影响,作业增加不少难度。如早晚水深变化情况不明、水底情况不明、船只摆动定位困难。为保证最终探测成果的精度,需使用专业的测量设备对每个点的坐标进行准确测量。同时与陆地物探工况场景不同,水上测量必须格外注意测量仪器、线缆的密闭防水性。

3.2 方法实施和数据处理

本次抛石综合勘察采用了以浅地层剖面法^[20]为主的物探和钻探综合方法。原则上,物探方法的选用及探测资料的解释,以钻探结果为重要依据,并结合各介质层的地球物理性质差异特点,对抛石的上下界面进行分层。在1 600 m×80 m水域布置了22个地质钻孔,20条纵横物探剖面,最终选用的是浅地层剖面、地震映像、地质雷达、侧扫声呐物探方法。

表2所示为各方法主要特点。前三种方法均属于声波大类,主要是频率范围差异而各具特点,其主要数据处理软件为ReeFmaser2.0和Reflexw 10.0。其中,波形偏移成像处理和反褶积处理^[21]是最重要的两个处理步骤,偏移成像可以提高地震资料的空间分辨率和保真度,反褶积可以提高地震资料的分辨率及压制干扰波。

在时间域中,反射系数是地震反子波与地震记录的褶积;在频率域中,反射系数是反子波的频谱与地震记录的频谱的乘积,可表示为

(1)X(t)=W(t)r(t), 时间域褶积

(2)r(t)=W(t)^-1X(t), 时间域反褶积

(3)X(f)=W(f)r(f), 频率域褶积

(4)r(f)=W(f)^-1X(f), 频率域反褶积

式中:X(t)为时间域地震记录;W(t)为地震子波;r(t)为反射系数;X(f)为频率域地震记录;W(f)为地震子波的频谱;r(f)为反射系数。

在地震学研究中,提高分辨率是频率域反褶积的关键目标之一。反褶积通过减小地震记录中的混叠效应,使得成像过程中不同深度的地层特征更加清晰可辨,从而提高了分辨率。这一过程类似于对图像进行高斯模糊的反操作,使细节更加突出。

利用预测反褶积后,地震剖面上的多次波可以较好地压制,如图4所示,其主要目的是通过压缩地震记录中的基本地震子波,提高时间分辨率,从而更准确地再现地下地层的反射系数。反褶积可以消除多次波能量,改善地震数据的质量,使得对地下地质结构的分析更加精确^[19]。

3.3 抛石平面分布的识别

本次研究的抛石位于水下,尚未被泥层覆盖,抛石的平面分布主要通过侧扫声呐及浅地层剖面法判别。

侧扫声呐又称海底地貌仪,利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体。侧扫声呐换能器拖曳体固定放置于船尾6 m处,走航时向侧下方发射扇形波束的声脉冲,其开角为20°~60°。为形成整体的地貌,需要采用软件进行拼接。最终成果为长条形、直观、高清晰度的平面图。

图5中,抛石区呈现明亮的黄色(A区),并可见密集的颗粒状的点状物。而正常泥层水域的声呐影像反应为暗褐色的区域(B区),整体较为均匀、平整。

图6中,黄色颗粒状反映同样为抛石(A区)。在其下部(C区),类似巧克力状的黄色反映对应为砼铰链排,并可见部分区域已经被暗褐色的淤泥层(B区)覆盖。当抛石层未被泥层覆盖时,侧扫声呐对抛石分布定位有较好的反映;当泥层较厚时,则需要结合其他物探方法(如浅剖法)。

由图7可知,由外围(大里程)淤泥层至抛石区(小里程),出现明显的差异,浅地层剖面信号^[22]到达淤泥层时,出现明显的强反射,从形态来看,淤泥层较为均匀,对应波的同相轴较为水平;对比抛石区域由于块石表层高低不一、起伏变化形态,波的信号(B层位)出现了散射,信号强度较前者较低,且出现毛刺状。

综合上述资料,侧扫声呐基本都能反映水底下的情况。而对于被泥沙覆盖区域,声呐法存在一定困难。本次抛石的平面分布识别,通过浅地层剖面法和侧扫声呐法实现了线面结合、水下表观与隐伏探测结合的思路,总体效果较好。

3.4 抛石层的上下界面识别

对抛石的上下界面判别采用浅地层剖面^[23]与水域探地雷达方法相结合,并以勘察孔揭示的抛石层界面为控制,完成综合解释。水体、抛石及淤泥的弹性波速度及电磁波速度均存在明显的差异,这是采用浅地层剖面与水域地雷达方法确定抛石顶底界面的物性基础。通过速度差异及波列图异常的形态变化,勾画出抛石区和非抛石区,再结合前期地质资料,对抛石的上下界面进行划分。

地质雷达图像判别方法时间剖面上主要表现如下特征:①雷达反射波同相轴发生明显错动;②雷达反射波同相轴局部缺失;③雷达反射波波形发生畸变;④雷达绕射波明显加强;⑤雷达反射波频率发生变化。上述现象在地质雷达时间剖面上的特征往往不是孤立的,即几种特征往往同时存在,只是有的特征更突出,有的特征不明显,这就需要资料解释人员除了充分了解区域地质条件以外,还必须具有丰富的解释经验,从而去伪存真,得到更准确的目标地质信息^[20]。

图8为水域地质雷达法纵剖面波列图。可以看出,电磁波双程旅行时在250~300 ns附近,雷达波出现明显的强反射异常,对比地质资料,为水体与抛石层的界面分层;电磁波双程旅行时在400~420 ns附近,雷达波反射信号逐渐减弱,对应为抛石与淤泥层的分界面。

同样,图9的浅地层剖面图中,出现类似的上下界面层。地质雷达与浅地层剖面仪^[24]的地层探测结果相互支持、印证,取得了良好成效,据此可以获取水底抛石层的淤埋深度、堆积厚度、剖面形状等信息。

通过试验:当地震的炮检距较小(2~10 m)时,抛石体顶、底界面反射波很难分开[图10(a)];当炮检距为12 m时,抛石体顶、底界面反射波清晰可见,同相轴连续性较好,可根据顶、底界面地震波旅行时差获得抛石体的厚度信息,当炮检距过大时(24 m),顶、底界面反射波形成复合波,两者无法区分,难以对抛石体的厚度进行识别[图10(b)]。另外,当抛石体离散性较大时,多呈棱角状,在角点位置处易产生绕射波干扰,使得地震数据信噪比较低。通过合适的测试参数设置,以及地震数据偏移成像和反褶积处理,最终形成较为清晰的地震波列图[图10(c)]。

同时,在工区内布置了22只勘察孔,通过观察钻机钻速、进尺及芯样来界定抛石层的界面和厚度。各钻孔均打穿抛石后见到下伏淤泥层:其中设计位于软体排区域的12只钻孔中有7只孔直接取出软体排的土工织物;设计位于无软体排区域的10只钻孔中有3只孔揭露出了新旧抛石层。

4 勘察结果分析及三维可视化

本次勘察资料的解释工作,遵循先定性、后定量的解释原则。定性解释是根据图像和资料特征,排除干扰,提取有用信息,确定有用异常,并判断其性质。定量解释是在定性解释的基础上,具体确定异常源的边界位置、顶部埋深和厚度,利用数据处理软件,计算得出具体数据结果。

本次探测的抛石信号特征,因各目标体(介质)不同而有很大差异:在均匀水体介质中,波形稳定,振幅均匀,频谱范围窄,分辨率高,穿透能力逐渐减弱;在松散的水下抛石介质中,波形绕射明显,振幅大,频率偏高,相位连续,穿透能力好;在水下无抛石的淤泥区或抛石较少时,波形相位出现强吸收,顶部发生绕射减少,频谱成分发生分化。当淤泥覆盖或充填抛石时,波形振幅大,频率偏低,呈相位连续的低密度团。

就不同方法来说,图11分别为典型断面的地质雷达、浅地层剖面法成果图及综合断面解释图。由图11可见,浅地层剖面法[图11(b)]能较好地进行水底地层成像和剖面解释,地质雷达法[图11(a)]在有咸水区域难以获得深部的信息。

为了更直观地反映各断面地层起伏变化,采用三维空间数据进行表达与可视化展示^[25]。将水下的三维空间要素(坐标、高程、斑块属性等)按照数字高程模型(digital elevation model,DEM) 进行规则格网,建立起三维连续空间实体^[26]。并对三维模型进行分层设色,支持在剖面线图进行量算、查询。最终清晰表达出所探测区域各抛石层底界面埋深。

各个区域的断面组合则形成了抛石分布三维整体图(图12)。通过纵横断面的综合勘察工作,揭示出水下抛石层的底界深度、厚度、剖面形状等信息^[26]。总体来看,工程区内抛石层厚度在1.7~5.7 m,平均厚度约为3.4 m。

图13为典型区域界面的三维图,可以看出,明显的上界面[图13(a)]和下界面[图13(b)],两界面闭合区域为抛石层的显示[图13(c)]。

5 结论

(1)本工程地处强涌潮区,施工区域水流速较高、水深达4~15 m、水下抛石基床状况复杂。采用综合各种方法手段,勘察结果相互支持、印证,成功识别了各介质层界面,查明的抛石地层的平面分布范围及顶底界面和厚度变化情况,可供抛石工程准确计量所用。

(2)勘察表明,钻探法能够揭示抛石层的厚度及颜色、成分及夹层(土工织物)等属性变化,但对于地形急剧变化区域,受限于水上作业条件和效率而无法密集覆盖整个工程区。侧扫声呐法能较为直观地揭示抛石的平面分布情况,但其无法揭示抛石层的厚度信息。浅地层剖面法能较好地对抛石底界进行成像,地质雷达法则因受水层特别是咸水影响而难以获得深部信息。综合考量认为,采用以浅地层剖面法为主的物探和钻探相结合的高技术综合方法,通过发挥各自方法的优势,可有效地解决水下工程勘察问题,值得推广应用。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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