長(zhǎng)江江蘇段工程類(lèi)采砂項(xiàng)目吹填區(qū)方量檢測(cè)技術(shù)探討與研究

李廣林，趙 鋼,王茂枚

(1.江蘇省水政監(jiān)察總隊(duì)，210029，南京；2.江蘇省水利科學(xué)研究院,210017，南京)

長(zhǎng)江江蘇段工程類(lèi)采砂項(xiàng)目吹填區(qū)方量檢測(cè)技術(shù)探討與研究

李廣林1，趙 鋼2,王茂枚2

(1.江蘇省水政監(jiān)察總隊(duì)，210029，南京；2.江蘇省水利科學(xué)研究院,210017，南京)

工程類(lèi)采砂；吹填；方量；檢測(cè)技術(shù)；長(zhǎng)江江蘇段

近年，隨著長(zhǎng)江等重要骨干河湖兩岸開(kāi)發(fā)的不斷深入，以吹填造地為目的的河道采砂項(xiàng)目不斷增多，施工和管理過(guò)程中出現(xiàn)的新情況、新問(wèn)題，為水行政主管部門(mén)如何在確保河勢(shì)穩(wěn)定和防洪安全等前提下加強(qiáng)管理提出了新課題，而采砂量控制及管理是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在采砂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管中，一項(xiàng)比較重要的工作是對(duì)采砂吹填量的確認(rèn)。然而在同一工程類(lèi)采砂項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，先后會(huì)出現(xiàn)許可量、施工量(包括采、運(yùn)、吹三方)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量(包括水下和陸上)的量、建設(shè)單位核定的量和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管量等多個(gè)不同數(shù)據(jù)。目前，委托有資質(zhì)的技術(shù)單位開(kāi)展第三方檢測(cè)，對(duì)吹填區(qū)吹填前、后地形進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出的量作為砂石資源費(fèi)征收的依據(jù)，是科學(xué)合理的，并得到建、管各方的認(rèn)可。因此，針對(duì)不同的吹填實(shí)施情況，采用何種檢測(cè)手段和技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地測(cè)出吹填區(qū)吹填方量顯得至關(guān)重要。

一、長(zhǎng)江江蘇段工程類(lèi)采砂項(xiàng)目特點(diǎn)

目前，長(zhǎng)江采砂活動(dòng)一般分為經(jīng)營(yíng)類(lèi)采砂和工程類(lèi)采砂兩種，在《長(zhǎng)江河道采砂管理?xiàng)l例》里規(guī)定較為詳細(xì)。工程類(lèi)采砂是指整修長(zhǎng)江堤防進(jìn)行吹填固基，整治長(zhǎng)江河道、航道和吹填造地等采砂活動(dòng)。工程類(lèi)采砂吹填的一般施工工藝為利用采砂船或吸砂船在長(zhǎng)江進(jìn)行采砂，然后利用運(yùn)砂船轉(zhuǎn)運(yùn)至吹填區(qū)或利用輸泥泵直接輸砂，從而形成吹填區(qū)。

近年工程類(lèi)采砂項(xiàng)目呈現(xiàn)新的特點(diǎn)。①工程類(lèi)采砂項(xiàng)目逐步規(guī)范化。經(jīng)過(guò)近年政策引導(dǎo)和對(duì)非法采砂活動(dòng)強(qiáng)有力的打擊，大部分工程類(lèi)采砂項(xiàng)目都能主動(dòng)遵守相關(guān)法律法規(guī)，并主動(dòng)接受水行政主管部門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管，保證了工程類(lèi)采砂項(xiàng)目的有序開(kāi)采。②許可實(shí)施的項(xiàng)目數(shù)逐年增加，年度采砂總量大幅度提升。2002—2008年許可實(shí)施工程類(lèi)采砂項(xiàng)目共46項(xiàng)，許可采砂量累計(jì)1.16萬(wàn)億m3，年平均許可采砂項(xiàng)目6.6項(xiàng)，年度平均采砂總量為1 657萬(wàn)m3；2009—2012年許可實(shí)施工程類(lèi)采砂項(xiàng)目共53項(xiàng)，許可采砂量累計(jì)1.42萬(wàn)億m3，年平均許可采砂項(xiàng)目13.2項(xiàng)，年度平均采砂總量為3 550萬(wàn)m3。③大規(guī)模采砂項(xiàng)目頻繁出現(xiàn)。2009年以前，采砂規(guī)模在500萬(wàn)m3以上項(xiàng)目比較少見(jiàn)。而近年隨著長(zhǎng)江中下游干流河道整治和長(zhǎng)江口綜合整治的加快實(shí)施，長(zhǎng)江江蘇段出現(xiàn)了一批大規(guī)模的采砂項(xiàng)目，如2009年許可的新通海沙上段岸線(xiàn)整治吹填采砂工程，許可量達(dá)到1 700萬(wàn)m3；2012年許可的長(zhǎng)江澄通河段通州沙西水道整治一期工程，許可量達(dá)到1 340萬(wàn)m3。④年度采砂總量中絕大部分分布在長(zhǎng)江口河段。2008年3月，《長(zhǎng)江口綜合整治開(kāi)發(fā)規(guī)劃報(bào)告》經(jīng)國(guó)務(wù)院正式批復(fù)，隨著長(zhǎng)江口綜合整治的逐步推進(jìn)，長(zhǎng)江口河段沿線(xiàn)對(duì)砂石資源的需求量也隨之猛增。2009年長(zhǎng)江口河段的許可采砂量為1 700萬(wàn)m3，占全年江蘇許可采砂量的84.2%；2010年長(zhǎng)江口河段的許可采砂量為2 756萬(wàn)m3，占全年江蘇許可采砂量的90.5%。

二、檢測(cè)技術(shù)

目前用于陸域吹填區(qū)方量檢測(cè)的主要技術(shù)有全站儀三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)、GPS-RTK技術(shù)、三維激光掃描儀全覆蓋掃測(cè)技術(shù)、探地雷達(dá)結(jié)合靜力觸探的物探技術(shù)以及無(wú)人機(jī)遙測(cè)等。

1.常規(guī)測(cè)量技術(shù)

全站儀三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)和GPS-RTK技術(shù)是一種常規(guī)、成熟的測(cè)量技術(shù)，應(yīng)用范圍比較廣泛，主要是在完成控制測(cè)量和參數(shù)轉(zhuǎn)換后，按照相應(yīng)成圖比例尺的要求進(jìn)行實(shí)地采集。這種技術(shù)精度較高，可以滿(mǎn)足吹填方量測(cè)量的要求，但由于需要作業(yè)人員手持儀器在實(shí)地按照采樣間隔采集數(shù)據(jù)，工作效率相對(duì)較低。吹填區(qū)吹填完成后，由于剛吹填上來(lái)的砂層含水率較高，質(zhì)地較軟，必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的強(qiáng)排水，在砂層達(dá)到一定的強(qiáng)度后，作業(yè)人員才能進(jìn)行測(cè)量。

2.三維激光掃描儀全覆蓋掃測(cè)技術(shù)

三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、軟件控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)及電源和其他附件設(shè)備共同構(gòu)成。三維激光掃描技術(shù)的核心是激光發(fā)射器、激光反射鏡、激光自適應(yīng)聚焦控制單元、CCD技術(shù)和光機(jī)電自動(dòng)傳感裝置。

三維激光掃描儀通過(guò)發(fā)射和接收激光束可快速獲得地面三維坐標(biāo)。通過(guò)采集大量數(shù)據(jù)點(diǎn)組成點(diǎn)云，通過(guò)拼接處理構(gòu)建三維模型，再通過(guò)將吹填前、后的三維高程模型進(jìn)行疊加計(jì)算，能精確測(cè)量出吹填方量。優(yōu)點(diǎn)：①通過(guò)自定義坐標(biāo)采集吹填前、后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建兩次的三維模型可計(jì)算出準(zhǔn)確的方量，不需再進(jìn)行復(fù)雜的控制測(cè)量和參數(shù)轉(zhuǎn)換，大大節(jié)省了作業(yè)時(shí)間；②能以不接觸被測(cè)物體的方式快速獲取掃描范圍高密度、高精度的三維點(diǎn)位，經(jīng)由處理軟件即可形成三維向量圖形的空間資料，大大延伸了該技術(shù)在吹填方量檢測(cè)上的應(yīng)用空間；③掃描速度可達(dá)每秒數(shù)萬(wàn)點(diǎn)，測(cè)距范圍可達(dá)1 km，大大提高了測(cè)量的工作效率；④掃描精度可達(dá)3 mm，滿(mǎn)足吹填方量檢測(cè)的要求。

3.探地雷達(dá)結(jié)合靜力觸探的物探技術(shù)

探地雷達(dá)(GRP)是利用高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)電性分布的一種地球物理探測(cè)方法。其原理是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，在地面通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)將信號(hào)傳入地下，經(jīng)地層界面或目的體反射后返回地面，再由接收天線(xiàn)接收其電磁波反射信號(hào)，通過(guò)對(duì)電磁波反射信號(hào)的時(shí)頻特征和振幅特征進(jìn)行分析，能獲得地層的特征信息。

靜力觸探儀通過(guò)探桿將探頭壓入土中，在壓入過(guò)程中探頭所受壓力隨土層阻力的變化而變化。探頭進(jìn)入不同土體受到的阻力不同，根據(jù)探頭阻力的變化情況來(lái)確定原狀土和吹填砂土的分界面。當(dāng)探頭達(dá)到分界面時(shí)探頭阻力發(fā)生突變時(shí)，探頭進(jìn)入土體的深度即為測(cè)點(diǎn)吹填砂土厚度。

探地雷達(dá)結(jié)合靜力觸探的物探技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中主要以探地雷達(dá)作為主要勘測(cè)手段，在吹填區(qū)均勻布置測(cè)線(xiàn)，在測(cè)線(xiàn)上利用探地雷達(dá)對(duì)吹填砂層底界面進(jìn)行連續(xù)追蹤。但探地雷達(dá)無(wú)法確定分界面準(zhǔn)確深度，則需采用靜力觸探作為輔助手段，在探地雷達(dá)勘測(cè)線(xiàn)上布置多個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，在校準(zhǔn)點(diǎn)上利用靜力觸探技術(shù)觸探砂層厚度，其觸探結(jié)果用來(lái)確定探地雷達(dá)所確定的分界面準(zhǔn)確深度，從而獲得整個(gè)測(cè)線(xiàn)上吹填砂層底界面的厚度，由此計(jì)算出整個(gè)吹填區(qū)吹填砂方量。

2012年的相關(guān)試驗(yàn)在綜合考慮了吹填項(xiàng)目吹填深度、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)短、有無(wú)采取地基處理等因素的前提下，在長(zhǎng)江江蘇段各個(gè)河段選擇了6個(gè)采砂吹填項(xiàng)目的吹填區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，分別利用全站儀和GPS-RTK技術(shù)以及探地雷達(dá)結(jié)合靜力觸探技術(shù)對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行測(cè)量，以全站儀和GPS-RTK技術(shù)測(cè)量的吹填方量作為標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)勘測(cè)成果相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)分析可以看出，探地雷達(dá)勘測(cè)成果相對(duì)誤差一般都控制在10%以?xún)?nèi)。

該技術(shù)與常規(guī)測(cè)量技術(shù)相比工作程序復(fù)雜，外業(yè)勘測(cè)和后處理工作量大，效率和精度相對(duì)較低。由于某些客觀(guān)原因，一些工程類(lèi)采砂項(xiàng)目會(huì)出現(xiàn)未批先采、邊批邊采等情況，造成吹填完成后無(wú)法獲取吹填區(qū)吹前第一手地形資料，最后給整個(gè)吹填工程吹填方量確認(rèn)帶來(lái)困難，利用該技術(shù)可以有效解決這種情況下的計(jì)量問(wèn)題，給采砂監(jiān)管提供技術(shù)支撐。

4.無(wú)人機(jī)遙測(cè)技術(shù)

無(wú)人機(jī)遙測(cè)技術(shù)是以無(wú)人飛機(jī)為空中平臺(tái)，以專(zhuān)用航拍數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)、多光譜傳感器以及視頻無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)獲取信息，用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。利用無(wú)人機(jī)遙測(cè)技術(shù)對(duì)吹填區(qū)吹填前、后進(jìn)行遙測(cè)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件制作成地形圖，從而計(jì)算出吹填方量。目前，低空無(wú)人機(jī)遙測(cè)平面位置分辨率能達(dá)到10 cm，高程精度一般為平面位置精度的3倍。

無(wú)人機(jī)遙測(cè)技術(shù)因其機(jī)動(dòng)靈活、分辨率較高、實(shí)效性好、快速響應(yīng)、應(yīng)急性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在吹填砂量檢測(cè)中具有巨大的應(yīng)用前景。但目前由于該技術(shù)高程精度較低，影響了吹填方量測(cè)算的準(zhǔn)確度，在一定程度上也限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

三、結(jié)論和建議

實(shí)踐與分析表明：三維激光掃描儀全覆蓋掃測(cè)技術(shù)與常規(guī)測(cè)量技術(shù)相比，具有全覆蓋、精度高、工作效率高等特點(diǎn)，特別是以不接觸被測(cè)物體的方式快速掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，大大拓展了該技術(shù)在吹填方量檢測(cè)上的應(yīng)用空間；探地雷達(dá)結(jié)合靜力觸探的物探技術(shù)與其他技術(shù)相比，工作程序復(fù)雜、外業(yè)勘測(cè)和后處理工作量大、效率和精度相對(duì)較低。但是針對(duì)未批先采、邊批邊采的工程類(lèi)采砂項(xiàng)目等特殊情況下的吹填方量檢測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)；而無(wú)人機(jī)遙測(cè)技術(shù)機(jī)動(dòng)靈活、分辨率較高、實(shí)效性好、應(yīng)急性強(qiáng)，如能突破高程精度相對(duì)較低的瓶頸，不僅在吹填方量檢測(cè)方面可得到很好應(yīng)用，在其他水利工作領(lǐng)域都將具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]沈建良.工程類(lèi)采砂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管的采量控制探討[J].中國(guó)水利,2007(20).

[2]王冬梅,等.長(zhǎng)江工程性采砂監(jiān)測(cè)與方量檢測(cè)技術(shù)研究與探討[J].水利水電技術(shù),2009(7).

[3]林進(jìn)條,王太柏.多波束水下地形測(cè)量系統(tǒng)在珠江口門(mén)采砂監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[J].廣東水利水電,2005(2).

[4]李偉和.地質(zhì)雷達(dá)與靜力觸探方法在公路路基填方檢測(cè)中的綜合應(yīng)用[J].物探與化探,1999(3).

責(zé)任編輯 安天杭

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1000-1123（2016）12-0031-02

2016-05-20

李廣林，工程師。