淺地層剖面儀在障礙物探測(cè)中的應(yīng)用.doc

淺地層剖面儀在障礙物探測(cè)中的應(yīng)用楊仁輝（中交廣州航道局有限公司 廣州 510220）內(nèi)容摘要：目前有多種障礙物的探測(cè)手段，包括多波束、側(cè)掃聲納、海洋磁力、淺地層剖面法、拖底掃海和人工探摸等。淺地層剖面法可以對(duì)淺地層埋藏障礙物進(jìn)行探測(cè)，選擇窄脈沖、高頻率并采用匹配濾波技術(shù)（Chirp）的淺地層剖面儀，采取一些必要的方法和條件，可以取得比較滿意的探測(cè)結(jié)果。關(guān)鍵詞：障礙物；淺地層剖面儀；反射系數(shù)；分辨率；天然氣管線；掃測(cè)；沉船1前言在石油天然氣開采、管線鋪設(shè)、航道開挖、碼頭、橋梁等海洋工程項(xiàng)目施工區(qū)域內(nèi)，經(jīng)常存在諸如沉船、礁石、管線、殘留物體等影響設(shè)計(jì)施工的障礙物。這些障礙物需要在設(shè)計(jì)施工前進(jìn)行探測(cè)，摸清障礙物的類型和分布，采取有效的措施進(jìn)行規(guī)避或清除。目前，有多種障礙物探測(cè)的手段，包括多波束、側(cè)掃聲納、海洋磁力、淺地層剖面法、拖底掃海和人工探摸等。每一種探測(cè)方法都存在優(yōu)點(diǎn)和不足，單純依靠一種方法無法對(duì)障礙物進(jìn)行全面的探測(cè)，通常做法是根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)綜合多種手段實(shí)施作業(yè)的。但前述這些手段中大多數(shù)都是針對(duì)表層障礙物，只有淺地層剖面法可以開展淺地層內(nèi)的障礙物探測(cè)。基于原理和目標(biāo)的不同，淺地層剖面法對(duì)障礙物的探測(cè)有著相對(duì)特殊的應(yīng)用方法。2淺地層剖面儀原理淺地層剖面儀（以下簡(jiǎn)稱淺剖儀）又稱次海底剖面儀，它是研究海底各層形態(tài)構(gòu)造和其厚度的有效工具，其工作原理與回聲測(cè)深儀相同1。淺剖儀一般由收發(fā)機(jī)、換能器、電源等組成，換能器周期性向海底發(fā)射低頻聲波信號(hào)，聲波遇到海底地層界面時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)，經(jīng)收發(fā)機(jī)接收處理繪制成海底地層剖面圖像。淺地層剖面法優(yōu)點(diǎn)是在同一剖面上能快速不間斷地進(jìn)行掃描探測(cè)，對(duì)于有一定規(guī)模的障礙物的探測(cè)，無論其是否有掩護(hù)，探測(cè)效果都較好，一般常用淺地層剖面法探測(cè)障礙物以提供準(zhǔn)確的平面位置及埋深2。圖2-1 淺剖儀工作示意圖2.1反射系數(shù)由于聲波的海底反射能量大小由反射系數(shù)（R）決定，反射系數(shù)R為：R=2v2-1v1 2v2+1v1 31 V1，2 V2分別表示一、二層介質(zhì)的密度和聲速, V稱為聲阻率，簡(jiǎn)單地說，海底相鄰兩層存在一定聲阻率量差，就能在剖面儀顯示器上反映兩相鄰的界面線，并能分別顯示兩層沉積物的性質(zhì)圖像特性差異。2.2分辨率淺剖儀的分辨率分為垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率指在縱向上能分辨巖層的最小厚度，橫向分辨率指在橫向上確定地質(zhì)體（如斷層點(diǎn)、尖滅點(diǎn)）位置和邊界的精確程度4。垂直分辨率與反射脈沖寬度相關(guān)：垂直分辨率=1 2C式中： C：聲速 ：脈沖寬度在特定區(qū)域內(nèi)地層的聲速是固定的，所以要獲得高垂直分辨率就要使用窄的脈沖寬度，而脈沖寬度過窄會(huì)影響穿透深度。所以目前多數(shù)淺剖儀都采用匹配濾波技術(shù)（Chirp），既獲得較窄的脈沖寬度保證垂直分辨率又能穿透較深的地層。水平分辨率取決于第一菲涅爾帶的寬度。第一菲涅爾帶對(duì)水平分辨率影響因素是這個(gè)帶的半徑大小，其半徑R可由下式表示：R=1 2v（t f）1 2式中：t：到達(dá)反射體的時(shí)間（s） V：聲源與反射體之間介質(zhì)的平均速度（m/s） f: 聲波信號(hào)的頻率（Hz）菲涅爾帶是一個(gè)圓弧帶，中心距這個(gè)帶的邊緣是1/4，R小，剖面聲圖能反映探測(cè)反射界面的小隆起和凹陷形態(tài)；R大，剖面聲圖不能反映出所探測(cè)反射界面的小隆起和小凹陷地貌形態(tài)。3應(yīng)用分析使用淺剖儀探測(cè)障礙物主要關(guān)注問題在于兩點(diǎn)，一是對(duì)障礙物圖像識(shí)別；二是對(duì)障礙物位置確定。根據(jù)淺剖儀的原理，障礙物的成像首先取決于障礙物與周圍地層的聲阻率，聲阻率越大圖像界限就越明顯；其次取決于儀器分辨率，分辨率越好能識(shí)別的障礙物的尺寸越小。障礙物的位置確定主要取決于水平分辨率，由于定位儀器的精度是相對(duì)穩(wěn)定的，所以水平分辨率越高定位半徑越小，位置越準(zhǔn)確。所以在淺剖儀的選擇上應(yīng)偏重于窄脈沖、高頻率并采用匹配濾波技術(shù)（Chirp）的儀器。比如TELEDYNE公司的Chirp淺地層剖面儀，采用匹配濾波技術(shù)（Chirp），有兩種換能器選擇，2-7kHz和10-20kHz，表3-1為計(jì)算得到的參數(shù)。圖3-1 Chirp淺地層剖面儀 Chirp淺地層剖面儀計(jì)算參數(shù) 表3-1另外在使用淺剖儀進(jìn)行探測(cè)時(shí)還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1 采用旁掛式安裝，避免拖曳式安裝帶來的位置誤差；2 采用高平潮時(shí)段進(jìn)行作業(yè)，保證天氣狀況良好，換能器遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)，船速保持在4節(jié)以下，避免作業(yè)船姿態(tài)和混響影響；3 在對(duì)特定障礙物探測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量橫切障礙物。對(duì)作業(yè)區(qū)域掃測(cè)時(shí)，應(yīng)垂直潮流方向作業(yè)；4 判圖時(shí)定位點(diǎn)應(yīng)選擇在繞射圖像頂點(diǎn)位置。4案例分析4.1天燃?xì)夤芫€探測(cè)航道疏浚、碼頭施工等水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)常會(huì)遭遇管線路由這類障礙物，管線經(jīng)常會(huì)橫貫整個(gè)施工區(qū)域。油氣管線、海底電纜等具有非常重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一旦破壞必然造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。所以設(shè)計(jì)施工前對(duì)管線路由的探測(cè)就顯得很重要，其中部分管線是埋藏于海底以下，這就需要使用到淺剖儀。珠江口某航道需要進(jìn)行疏浚維護(hù)，某天燃?xì)夤芫€與該航道相交，為了避免疏浚施工過程中對(duì)天燃?xì)夤芫€造成破壞，施工單位組織對(duì)該管線進(jìn)行探測(cè)。4.1.1探測(cè)設(shè)備淺剖儀采用Syqwest 公司的StrataBox3510，這是是一款便攜式的水下地層成像系統(tǒng)，系統(tǒng)包括主機(jī)、換能器和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，它能以6cm 的分辨率穿透水下地層40m 深度。定位DGPS采用天寶DSM232，測(cè)深采用HY1600單頻測(cè)深儀。 圖4-1-1 STRATABOX 系統(tǒng)組成淺剖儀器支架固定安裝在船舷，DGPS 天線固定在安裝支架上，與Stratabox 換能器處在相同的平面位置上。圖4-1-2物探儀器安裝位置圖4.1.2調(diào)查過程調(diào)查方式是走航式，按照規(guī)范要求50m 的間隔垂直管道布設(shè)了21 條長(zhǎng)度500m 的測(cè)線。船速一般控制在4 節(jié)左右，在跨越管道時(shí)，船速不大于1 節(jié)， HY1600 數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行了同步測(cè)深。由于調(diào)查期間的海況較差，調(diào)查船很難沿計(jì)劃測(cè)線測(cè)量，同時(shí)也不能夠很好地控制船速，第一航次測(cè)量的結(jié)果不是十分理想。為了準(zhǔn)確地探明海管跨越航道的狀況，安排了第2 航次地質(zhì)勘察，采用高平潮時(shí)段施測(cè)，取得了較好的效果。圖4-1-3天然氣管線探測(cè)測(cè)線布設(shè)圖4.1.3分析淺地層剖面儀探測(cè)時(shí)，由于石塊和碎石層對(duì)聲波的強(qiáng)反射，直徑達(dá)330cm380cm、厚度約1m 的石塊層對(duì)地震探測(cè)的聲波有屏蔽作用（聲波無法穿透石塊），因此，用地震探測(cè)海底管線具體位置的難度較大，地震只能夠探測(cè)到石塊的頂面，此外在聲學(xué)圖像上可以清晰辨別人工開挖面、海底面、流泥及淤泥底面、粉質(zhì)粘土的底面等。幾乎所有的淺地層剖面中，都可以清晰地分辨出管線埋設(shè)時(shí)代人工開挖面及管線埋設(shè)后的保護(hù)層頂面的聲學(xué)反射界面，根據(jù)人工開挖面和保護(hù)層頂面確定海底管線埋設(shè)的位置，包括平面位置和埋設(shè)狀況。圖4-1-4天然氣管線剖面圖像經(jīng)過對(duì)本次天然氣管線的探測(cè)，摸清了施工區(qū)域內(nèi)管線的具體位置和埋設(shè)深度。設(shè)計(jì)和施工單位根據(jù)探測(cè)資料明確了設(shè)計(jì)和施工方案，避免了存在的風(fēng)險(xiǎn)。4.2航道障礙物掃測(cè)水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)施工前一般都會(huì)對(duì)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大面積的障礙物探測(cè)，尤其是在設(shè)計(jì)論證階段。這種探測(cè)不同于對(duì)特定障礙物的探測(cè)，往往無法確定障礙物的類型、埋藏狀態(tài)和大致范圍，所以只能對(duì)整個(gè)區(qū)域按照較小比例布線施測(cè)。然后對(duì)疑似障礙物進(jìn)行加密探測(cè)，最后通過人工探摸、挖掘等方式進(jìn)行驗(yàn)證。江蘇某航道工程位于出海口，由于常年淤積早年間該區(qū)域存在的沉船、回填石等物體都已經(jīng)被埋藏，無法確定具體位置，海事部門也沒有這些障礙物的資料。業(yè)主、設(shè)計(jì)單位會(huì)同施工單位組織進(jìn)行了航道障礙物的掃測(cè)。4.2.1探測(cè)設(shè)備淺剖儀采用TELEDYNE 公司的Chirp，定位DGPS采用天寶DSM232，測(cè)深采用ODOM單頻測(cè)深儀。圖4-2-1 物探儀器安裝位置圖淺地層剖面儀托魚安裝在調(diào)查船的右舷，單波束測(cè)深儀的探頭安裝在調(diào)查船的左舷，DGPS天線固定在安裝支架上，與單波束測(cè)深儀探頭平面位置相同。4.2.2調(diào)查過程調(diào)查分兩個(gè)步驟，首先根據(jù)調(diào)查區(qū)域水域特點(diǎn)此次調(diào)查采用沿航道方向施測(cè)，共布設(shè)35條測(cè)線，測(cè)線間隔10m。經(jīng)過初步分析，篩選疑似障礙物，然后對(duì)疑似障礙物所在位置進(jìn)行加密探測(cè)，以便進(jìn)一步確定。調(diào)查過程中船速保持在4節(jié)以下，進(jìn)行加密施測(cè)時(shí)船速控制在1-2節(jié)，施測(cè)時(shí)間都選擇在高平潮時(shí)段。圖4-2-2 掃測(cè)布線圖4.2.3分析與對(duì)地層反射圖像分析類似，對(duì)于障礙物的分析也是根據(jù)反射特征進(jìn)行判斷的。有所不同的是前者主要關(guān)注的是連續(xù)反射，后者要關(guān)注的是孤立的反射特征。障礙物與自然地層是不整合的，所以在圖像上就會(huì)形成較明顯的灰度反應(yīng)，有些孤立的障礙物還會(huì)存在繞射波。但并不是判斷障礙物的絕對(duì)依據(jù)，有時(shí)斷層棱點(diǎn)、地層尖滅點(diǎn)、自然不整合面和噪聲在剖面圖上也會(huì)有這樣的表現(xiàn)。因此在初步分析后還要進(jìn)行加密探測(cè)，用來排除假圖像。這是與特定障礙物探測(cè)在圖像判別的最大不同點(diǎn)。圖4-2-4 沉船反射圖像圖4-2-5 孤立石塊反射圖像在本次探測(cè)中發(fā)現(xiàn)了4個(gè)疑似障礙物，經(jīng)過加密探測(cè)排除了其中一個(gè)噪聲干擾，后經(jīng)施工船挖掘驗(yàn)證有兩個(gè)為沉船，另外一個(gè)為孤立石塊。5總結(jié)海洋工程中對(duì)障礙物探測(cè)的手段比較多，通常都是采用幾種方式綜合應(yīng)用的。淺地層剖面法是相對(duì)比較特殊的，這是因?yàn)樗丝梢詫?duì)海底表面障礙物進(jìn)行探測(cè)外，還可以探測(cè)埋藏障礙物，在這一點(diǎn)上是其他探測(cè)手段無法達(dá)到的。雖然淺剖儀設(shè)計(jì)研制的初衷并不是針對(duì)這項(xiàng)工作，但是隨著應(yīng)用方向的不斷擴(kuò)展和實(shí)際使用的不斷積累，淺剖儀在障礙物探測(cè)方面的應(yīng)用必然會(huì)越來越頻繁。當(dāng)然現(xiàn)階段淺剖儀對(duì)障礙物的探測(cè)還存在許多的不足，一是圖像干擾較多，許多自然地質(zhì)現(xiàn)象和噪聲會(huì)造成誤判；二是剖面圖像反應(yīng)不直觀，多數(shù)情況下只能定量的判斷，無