利用基樁動測儀測量水底地形

胡勝波 田永杰 劉雪念

（河北中核巖土工程有限責任公司 河北石家莊市 050021）

0 引言

勘察單位偶爾會遇到測量水域地形，又沒有專門水深測量儀器的問題。常用的水深測量儀工作時使用換能器發射超聲波，超聲波在水中傳播，遇到波阻抗界面（如水底）產生反射被儀器接收，利用超聲波在水中的傳播時間和傳播速度，計算水底深度，繪制水底地形。

一般的勘察單位都有波速測試儀、基樁動測儀或地震儀等動態測試儀器，在水域地形測量時，人工激發聲波，動態測試儀器接收，同樣可以測得波在水面與水底間的傳播時間，從而計算水底深度。當工作量不大，購置專業水深測量儀成本太高時，可以使用已有的動態測試儀器替代水深儀，進行水底地形測量工作。

本文以湖南某地水域測量為例，就如何利用基樁動測儀等比較常見的儀器設備準確測量水深進而完成水底地形測量進行探討。

1 基本原理

用該方法測量水深時，在水面人工激發脈沖應力波，同時觸發動測儀，應力波在水體中向下傳播，遇到水底界面因波阻抗發生變化而產生反射，利用傳感器在水面接收反射波，并用動測儀記錄下來。應力波在水中的傳播速度均勻且可測，傳播時間可以由動測儀測量讀出，利用速度、時間與距離的關系可計算出水底深度，如圖1所示。

圖1 測量原理

水深按式（1）～式（3）計算：

式中：h——實測水深，m；

h1——換能器距水面深度（可以由鋼尺測得，本次測量為0.20m），m；

h2——換能器距水底深度，m；

X1——偏移距（本次測量為1m），m；

X2——應力波在水中旅行距離的一半，m；

V——水中應力波傳播速度（該值由現場實測得到，本次測量結果為 1480m/s），m/s；

t——應力波在水中的旅行時間（可由動測儀所記錄的波形讀出，如圖2所示），s。

2 儀器設備

湖南某地水域測量工作所用儀器設備為：

（1）接收儀器，RS-1616k（s）型基樁動測儀；

（2）接收傳感器，壓電陶瓷聲波換能器（以下簡稱換能器）；

（3）震源，直徑60mm、長度100cm和直徑100mm、長度50cm的尼龍棒各一根以及圓頭鐵錘；

（4）水深比對設備，鋼尺+重物。

3 儀器特點及參數設置

RS-1616k（s）型基樁動測儀（以下簡稱動測儀）是一種常見的動態測試儀器，可用于基樁高、低應變法檢測，也可用于地基土波速測試，攜帶方便，性能穩定，可同時配接加速度計和速度計。

如果儀器采樣長度為1024點（默認值），則水深測量時最大測量深度為（1024×采樣間隔（μs）×1480m/s×10-6）/2m。比如采樣間隔為 12μs時，最大測量深度為9.09m；采樣間隔為30μs時，最大測試量度為22.73m。為提高測量精度，應根據預估的測量深度，采用盡量小的采樣間隔。

4 工作方法與數據采集

湖南某地水域測量工區位于桃江縣境內資江某段，面積約0.15km2。江寬約300m，水面比較平靜，水流較慢，測量工作在一艘小船上進行，測量之前先將換能器橫置于水中，入水20cm，用鐵絲將其固定到船舷上。采用錘擊尼龍棒作為震源，1m偏移距，確定合適的采樣間隔進行測量。裝置示意圖見圖1。使用靜態GPS手持部，其下端豎立于激發點與接受點中點處，在錘擊尼龍棒的瞬間存儲該點坐標及高程。

實際測量中，發現水底地形起伏比較劇烈，最淺處可見礁石出露，而最深處水深20m左右，在水比較深的位置，由于波的旅行時間比較長，能量損耗比較大，使用直徑60mm的尼龍棒激震時，無法接受到清晰的反射波信號，此時換用直徑100mm的尼龍棒進行激震加大激震能量，從而接收到清晰的反射波信號。

沿垂直于河流流向方向布置32條測線，測線間距15m，沿河流流向方向布置20條測線，測線間距15m。

5 數據處理

圖2為一實測波形圖，圖中1ms附近波形明顯起跳位置為直達波初至，5.28ms附近波形明顯起跳位置為反射波初至。由相應公式計算可得水深為4.13m。測深板實測水深為4.18m，誤差為0.05m，滿足生產要求。

按照上述方法采集完所有數據后，分析判讀波形信號，計算得出最終深度成果表，再用相應測繪軟件生成水底地形等值線圖，經一定數量較驗點的驗證后，即可完成水深測量工作。

圖3為一條垂直于河道的測量剖面，圖中直達波平直、連續，水底反射波初至清晰、波形連續、信噪比高，水底地形清晰可見。

6 結論

利用勘察單位常有的動態測試儀器配合坐標及高程測量儀器，測量水底地形，理論可行，操作簡便，精度也能滿足要求。

圖2 實測波形

圖3 水底地形測量波形剖面

7 存在問題

（1）因動測儀所記錄的水深信號和靜態GPS存儲的該點坐標是不同儀器記錄的，故要采取措施確保每一個信號與每一個測點坐標能夠嚴格對應，否則可能會導致測深信號與坐標對應混亂，使測量結果產生誤差。

（2）當水底地形變化比較劇烈的時候，如圖4所示，反射波初至是波從激發點到最近的水底（即B點）的反射時間，而非深度記錄點（即A點）處的垂向水深。此時測量水深要略小于實際水深。

圖4 陡峭水底聲波傳播路徑