側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀在表層淤泥探測中的應用.docx

1、Vol.51No.5Oct,2014Total220第51卷第5期2014年10月總第220期港工技術(shù)PortEngineeringTechnology側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀在表層淤泥探測中的應用張惟河，梁思明,楊仁輝(中交廣州航道局有限公司，廣東廣州510220)摘要：側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀因其高效和經(jīng)濟的優(yōu)勢，在近海工程物探領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。本文通過介紹不同表層淤泥探測方法的實際應用，分析各種探測方法的應用優(yōu)劣點，發(fā)現(xiàn)側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀相結(jié)合的表層淤泥探測系統(tǒng)在科倫坡近岸海底表層淤泥探測中的應用具高效、經(jīng)濟和準確度高的特點，為今后類似海岸工程地質(zhì)勘察提供了一種參考方法。關(guān)鍵詞：側(cè)

2、掃聲納;淺地層剖面儀;表層淤泥探測中圖分類號:P332.5文獻標志碼:A文章編號:1004-9592(2014)05-0086-06ApplicationofSide-scanningSonarandShallowStratumProfilerinSurfaceSiltDetectionofColomboOffshoreSeabedZhangWeihe,LiangSiming,YangRenhui(CCCCGuangzhouDredgingCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong510220,China)Abstract：Duetotheirhighefficiencyandlo

3、wcost,side-scanningsonarandshallowstratumprofilerwillbewidelyappliedtooffshoreengineeringgeophysicaldetectioninfuture.Thepracticalapplicationofdifferentsurfacesiltdetectionmethodsisintroducedindetail,themeritsandfaultsoftheabovedetectionmethodsarealsoanalyzed.Theanalysisresultsshowthatsurfacesiltdet

4、ectionsystemcombiningside-scanningsonarwithshallowstratumprofilerbeingappliedtothesurfacesiltdetectionofColombooffshoreseabedisofhighaccuracy,highefficiencyandlowcost.Theconclusionwillprovidereferencesforsimilarcoastalengineeringgeologicalsurveyinthefuture.Keywords:side-scanningsonar;shallowstratump

5、rofiler;surfacesiltdetection引言通常把游離在海床表層,一定密度以內(nèi)的底質(zhì)層稱為表層軟淤泥層，其組成為粘性細顆粒泥沙。海底表層淤泥具有顆粒粒徑小、密度小和固結(jié)程度低等特點，若將其作為天然地基或吹填造地材料，將會是一層極為軟弱的持力層，在工程施工和運營過程中極有可能出現(xiàn)嚴重的地基沉降和其它安全事枚稿日期：2014-07-08作者簡介：張推河（1986-）,另，助理工程并，主要從事水運工程勘測工作C故。因此，摸清海底表層淤泥的分布狀況，是海岸工程地質(zhì)勘察的工作重點，是海岸工程設(shè)計及施工過程中不得不重視的場地因素。研究如何更好、更有效地掌握海底表層淤泥的分布情況對于海岸工程

6、設(shè)計施工具有重要意義。目前國內(nèi)外對海底表層淤泥探測的方法主要有人工潛水探摸和鉆探取樣、泥漿密度儀探測、雙頻測深儀探測、Silas淤泥探測以及淺地層剖面儀探測等。從探測效果上看.以上探測方法各有特點和優(yōu)勢。但是對于特定區(qū)域（測區(qū)面積大、表層淤泥區(qū)在海底呈斑狀分布、淤泥厚度大和容重大），如在科倫坡近岸海底表層淤泥探測中普遍存在效率低、準確度較差、成本過高和使用局限性較大等問題。針對科倫坡項目這一情況，我們將側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀結(jié)合起來成功應用,取得了較好的效果，為今后類似海岸工程海底表層淤泥探測提供了一種參考方法。1不同探測方法介紹1.1人工潛水探摸和鉆探取樣人工潛水探摸和鉆探取樣能夠很直觀的了

7、解海底底質(zhì)類型，并在一定程度上探清表層淤泥的厚度分布情況。但是其為點式作業(yè),工作效率極低，成本高，還易受風浪、水深條件等海洋環(huán)境的約束，如果水深過大時潛水人員無法潛到海底進行探摸，而淤泥厚度過厚時也無法摸透其厚度。當需要大面積調(diào)查時,人工潛水探摸和鉆探取樣工作量非常大，不是合適的選擇方法。1.2泥漿密度儀探測泥漿密度儀能夠?qū)δ硞€點淤泥垂向上進行任意密度劃分，并能測定其厚度（圖1）,但是其缺點也同樣明顯.跟人工探摸一樣為點式作業(yè),效率極低,易受海洋環(huán)境的約束。同時由于密度計本身重量有限，當測區(qū)淤泥厚度和密度較大時，密度計很難靠自重使音叉頭接觸到硬底位置，無法準確測量該點的淤泥厚度。圖1浮、淤泥密

8、度模型剖面1.3雙頻測深儀探測雙頻測深儀的工作原理與淺地層剖面儀類似,有2個丁.作頻率，例如210kHz（高頻）和33kHz（低頻）,其中低頻聲波的穿透能力要好于高頻聲波，但穿透能力也是非常有限的。張俊、顧亞平等人在雙頻測深儀對淤泥層測定的研究中發(fā)現(xiàn)，在一定發(fā)射功率下，高頻盧波（210kHz）一般在泥沙密度為1.2Um，左右的界面處反射，而低頻聲波（33kHz）能夠穿透密度1.3t/m3左右的泥層，遇到1.4t/m3以上密度的泥層時一般無法穿透叫而在疏浚巖土分類標準JTJAT320-96中提到淤泥密度最大可達到1.661/m3,因此在淤泥密度大于1.4t/m3時，雙頻測深儀探測淤泥厚度是受限制

9、的。在某項目工程中同時應用了雙頻測深儀和淺地層剖面儀進行淤泥厚度探測，將雙頻測深數(shù)據(jù)和淺剖淤泥厚度數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果見表U表1雙頻測深數(shù)據(jù)與淺剖成果比測結(jié)果測點比溯點位置坐標雙頻探測淤泥厚度/m淺剖探測淤泥厚度/m差值/mXlmy/m1549762.93745857.70.20.8-0.62549755.33745872.00.30.9-0.63549750.03745887.40.30.9-0.64549746.13745903.00.21.0-0.837549711.43745838.80.31.1-0.838549704.93745862.10.40.9-0.539549694.2374

10、5892.60.30.9-0.640549680.03745921.50.30.8-0.5由表1可知，雙頻測深儀所測得淤泥厚度值比淺剖測得的淤泥厚度要小很多，說明雙頻測深儀的低頻聲波沒能完全穿透淤泥層，而是在淤泥層中某一對應的密度層就發(fā)生了反射，無法準確測得該區(qū)域的淤泥厚度。淺地層剖面儀工作頻率要比雙頻測深儀小很多，一般為210kHz,理論上在淤泥中最大穿透深度可達100m左右，能夠完全穿透表層淤泥并進行表層淤泥厚度劃分。1.4Silas淤泥探測Silas淤泥探測系統(tǒng)是點式與走航式結(jié)合進行的淤泥探測系統(tǒng)。Silas軟件有先進的信號采集、濾波功能，能保證獲得清晰的浮、淤泥層聲學剖面，同時利用泥漿

11、密度儀獲得代表點（標定點）斷面的密度（粘度）柱狀圖，為Silas軟件根據(jù)聲學反射信息來推斷、劃分剖面上其它點的密度和粘度提供依據(jù).最后Silas軟件可任意給定一個密度值，該值被輸入后，此密度層面即可連續(xù)劃分出來。但是該套系統(tǒng)是泥漿密度測量與雙頻測深的組合產(chǎn)物，泥漿密度儀探測和雙頻測深儀探測過程中存在的問題依然存在于這套系統(tǒng)內(nèi)，例如無法探測厚度大和密度大的淤泥層。同時該套系統(tǒng)在新測區(qū)淤泥探測前都要進行表層淤泥采樣，然后再對泥漿密度儀進行標定，1：作較為繁雜，且受淤泥采樣條件限制較多。1.5淺地層剖面儀探測一個0.1m分辨率的淺剖系統(tǒng)能區(qū)分開最小0.1m厚的層，若層面間距小于0.1m則會被系統(tǒng)處理

12、成一個層面。在一個常規(guī)的淺剖系統(tǒng)中，它的分辨率限值是由它的發(fā)射脈沖長度來確定的。如ChirpIII聲學剖面系統(tǒng)，正是它的發(fā)射脈沖的帶寬決定了系統(tǒng)的理論分辨率。常規(guī)淺剖系統(tǒng)的理論距離分辨率計算公式為：距離分辨率=燮哮渥其中脈沖長度等于帶寬的倒數(shù)。舉個例子說,ChirpIII工作中使用帶寬為5kHz的脈沖的持續(xù)時間，大約是200xl0-6s(l/5000Hz=0.0002s),以1550m/s的速度傳播在200x10"s的時間里，聲波大約會前進0.3mo考慮到一個來回的行程，結(jié)果是一個0.15m距離的單程,這就是它的距離分辨率。另外,除了穿透波束的頻率和帶寬，其它能影響系統(tǒng)分辨率的相關(guān)因

13、素還有如波束的水平寬度、拖魚的拖曳速度、拖魚和水底之間的距離、信號處理的特性等。因此理論上一般的淺地層剖面儀(2-10kHz)垂向探測分辨率約為0.10.3m,再考慮到上述其它影響系統(tǒng)分辨率的因素，我們認為淺地層剖面儀在工作中垂向探測分辨率最小約為0.3m。也就是說在淤泥探測中，當淤泥層厚度小于0.3m時，淺剖儀就將無法有效地識別出淤泥層，而在淤泥層厚度普遍大于0.3m的測區(qū)，其邊界區(qū)域由于處于厚度收斂狀態(tài)，一般會有個尖滅的過程,其淤泥厚度也可能小于0.3m,故很難劃分淤泥邊界位置。側(cè)掃聲納根據(jù)海底底質(zhì)的不同，聲波會有不同強弱信號反射,即粗粒沉積幾乎為鏡面反射，而淤泥卻不能反射聲波到換能器，因

14、此可以快速進行海底表層土質(zhì)分類和劃分相應土質(zhì)邊界，引入側(cè)掃聲納結(jié)合淺地層剖面儀同時對海底表層淤泥進行探測，能夠解決淺地層剖面儀探測淤泥中存在邊界位置劃分不準確的問題。2系統(tǒng)介紹2.1側(cè)掃聲納海底地貌無法像陸地上那樣在可見光下直觀可視，必須透過海水這層介質(zhì)去獲取海底地貌數(shù)據(jù)。側(cè)掃聲納是海底地貌測量常用的方法,其原理是聲學換能器向沿著航跡的兩側(cè)海底發(fā)射低入射角高頻聲脈沖扇形波束，接收單元接收回波信號，數(shù)據(jù)處理單元分析記錄聲波往返走時和反射聲脈沖強度，形成以灰度強弱顯示的二維海底地貌圖氣側(cè)掃聲納類似于水下相機一樣對海底進行拍照成像，是利用聲波在不同沉積物的聲阻抗差異特性，接收強弱不同的海底回波信號，

15、單個ping接收的是一條反映海底底質(zhì)特性的很小方塊或者像素序列，每個像素序列都包含有一個坐標和反射強度信息，一系列連續(xù)的像素序列最終形成高分辨率的海底圖像。利用側(cè)掃聲納的“拍照”功能，可應用于海底底質(zhì)分類、海底礦產(chǎn)資源評價、障礙物探測和地質(zhì)災害調(diào)查等。2.2淺地層剖面儀淺地層剖面儀是探知地層垂向結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聲學設(shè)備，在一定程度上能夠反映海底淺部地層的分層情況和各層底質(zhì)的特征。其工作方式與測深儀相似，換能器按一定的時間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖到達第一個強聲阻抗界面即海底時，部分聲能被反射返回接收單元，另一部分聲能則穿透地層繼續(xù)向下傳播，當遇到一個新的強聲阻抗界面時，就會有部分聲能返回接收單

16、元，如此不斷進行，直至聲波能量損失耗盡為止，聲波的傳播過程見圖2。圖2聲波的傳播示意聲波在遇到聲阻抗界面時就會發(fā)生反射,反射能量強弱由介質(zhì)的反射系數(shù)(R)決定。R二入射脈沖振幅二代3-2嶺一反射脈沖振幅一PM+022P0,伽2分別表示一、二層介質(zhì)的密度和聲速，由上式可知要得到聲強反射，介質(zhì)必須要有大的聲速和密度差，即當IX趨近于0時，兩層的相鄰界面就會幾乎無聲強反射，而當IRI趨近于1時，兩層的相鄰界面就會有較強的聲強反射，在淺地層剖面儀終端顯示器上會反映灰度較強的剖面的界面線淺地層剖面儀就是利用聲波在不同介質(zhì)中傳播，遇到聲阻抗界面會發(fā)生反射的原理進行工作，可應用于海底表層淤泥以度的探測、海底

17、管線調(diào)查、海底礦產(chǎn)資源評價、障礙物探測和地質(zhì)災害調(diào)查等。3應用分析3.1應用實例為了掌握科倫坡港口城項目吹填區(qū)表層淤泥的實際空間分布情況，保障后續(xù)匚程設(shè)計和施匚順利開展，相關(guān)單位于2013年8月對其海底表層開展了淤泥探測作。經(jīng)過綜合比較分析現(xiàn)有的淤泥探測方法，最終確定使用側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀作為探測手段。側(cè)掃聲納測定淤泥的平面分布情況，淺地層剖面儀測定淤泥的厚度分布情況.并且通過與人匚潛水探摸取樣資料比對驗證這套系統(tǒng)探測成果的可靠性。本次探測內(nèi)容主要包括側(cè)掃聲納測址、淺地層剖面探測以及水深測量（單波束和多波束），定位設(shè)備使用TrimbleDGPS系統(tǒng)，以HYPACK軟件輔助導航。在實地探測前

18、，通過不斷調(diào)試設(shè)備參數(shù)，反復比較各參數(shù)對聲納圖像和淺剖圖像質(zhì)量的影響，確定最佳的作業(yè)參數(shù)，按照計劃測線進行走航式測址。圖3聲納鑲嵌分析側(cè)掃聲納和淺地層剖面數(shù)據(jù)都采用Sonarwiz5軟件進行后處理分析，主要進行雜波剔除、增益調(diào)節(jié)、海底跟蹤，圖像分析等步驟.最終獲得聲納鑲嵌圖和淺層剖面圖。聲納鑲嵌圖中有聲學空白區(qū)（見圖3）,對應的淺層剖面圖中有聲學空白層（見圖4）,結(jié)合該區(qū)域海底底質(zhì)類型（中粗砂、淤泥、礁石）和海底地形悄況初步判斷該I乂域的聲學空白區(qū)域很可能為淤泥分布區(qū)域。圖4淺層剖面分析3.2應用分析物探圖譜中的聲學空白區(qū)和表層聲學空白層很口J能是淤泥分布區(qū)域，是本次淤泥探測最主要的研究對象側(cè)

19、掃聲納圖像中出現(xiàn)的聲學空白有2種原因,一種是由于海底地形的遮蔽（圖5）,聲波無法到達某一位置而形成的肓區(qū)；另一種是海底底質(zhì)為聲能強吸收物質(zhì)，側(cè)掃聲納聲波到達該類型土質(zhì)時,聲能大量損耗，幾乎無法返回換能器而出現(xiàn)聲能空白。Sa區(qū)海旨)M圖5側(cè)掃聲納發(fā)射聲波受到遮蕊形成聲學空白區(qū)示意聲學空白區(qū)4=1等深線（多波束）：U圖6測區(qū)水深由圖5可知，若海底有較大的凸起或凹陷地形都會造成側(cè)掃聲納聲波受到遮蔽，其圖像中就會出現(xiàn)聲學空白區(qū)。但由圖6反映的測區(qū)多波束水深情況來看,該區(qū)域海底地勢較為平坦,并無較大的凸起或凹陷地形，同時側(cè)掃聲納測量為全覆蓋掃測，若海底存在較大的地形起伏，也不會造成整塊區(qū)域的聲學空白，應

20、該為零星分布的，因此可以排除該區(qū)域側(cè)掃聲納圖像中出現(xiàn)聲學空白區(qū)是由于海底地形的遮蔽造成的。由于海底底質(zhì)的不同，側(cè)掃聲納聲波會有不同強弱信號反射,即粗粒沉積兒乎為鏡面反射，而淤泥卻不能反射聲波到換能器叫結(jié)合該海域地質(zhì)背景資料即該海域海底表層土質(zhì)主要為中粗砂、淤泥以及礁石，因此可初步判定聲納圖像中出現(xiàn)的聲學空白區(qū)域很有可能為淤泥分布區(qū)。針對聲納圖像中出現(xiàn)的聲學空白區(qū)域?qū)幚頊\地層剖面數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，淺剖圖像對應在該區(qū)域位置出現(xiàn)約1m厚的聲學空白層，而聲波在其它區(qū)域的海底面反射強度明顯強于該區(qū)域的聲波反射強度。淺剖圖像中出現(xiàn)的約1m厚的聲學空白層，表明該層位土質(zhì)密實度較小,物質(zhì)成分單一，進一步有力的說明

21、了淤泥區(qū)存在的可能性。為了更直觀的確定聲學空白區(qū)的土質(zhì)類型和驗證該套系統(tǒng)探測成果的可靠性,在聲學空白區(qū)域進行了9個點的人工潛水探摸取樣和2個點的鉆探取樣,在強反射區(qū)域進行了3個點的人工潛水探摸取樣，探摸取樣點和鉆探取樣點位均布置在淺地層剖面航跡線上,各點位分布情況如圖7所示。聲學空白區(qū)：U淺剖主測線（東西向）r探摸取樣點，。淺剖主測線（南北向"鉆探點|。圖7人工探摸和鉆探取樣點位分布人工探摸和鉆探取樣情況與側(cè)掃聲納和淺地層剖面探測結(jié)果進行比較.兩者比測結(jié)果統(tǒng)計情況詳見表2。表2人工探摸和鉆探取樣情況與物探成果比測結(jié)果194640.8193483.6黑色、淤泥1.00.9-0.1295

22、104.0193397.1黑褐色、淤泥0.80.90.1394387.4193232.9黑色、淤泥1.10.80.3494631.1193231.1黑色、淤泥0.80.80594886.5193232.5黑色、淤泥1.01.10.1695138.2193232.9黃羯色、淤泥混砂0.80.7-0.1794639.7192986.1黑色、淤泥0.90.90894879.2192984.4黑色、淤泥0.90.8-0.1994637.1192730.8黑色、淤泥1.00.8-0.2BBH0194663.7193431.8黑色、淤泥0.80.90.1BBH0394666.1193032.7黑色、淤泥1

23、.00.9-0.11095582.5192984.4黃色、中粗砂0001195107.9192726.1黃色、中粗砂0001294627.8192501.8黃色、中粗砂000探換和鉆探位置取樣點位置坐標編號XlmYim表層土樣描述厚度差tff/m探摸費就淤泥聲學空白區(qū)強反射區(qū)由表2可知，聲納圖像所反映的聲學空白區(qū)域內(nèi)人工探摸和鉆探取樣所揭露的土質(zhì)為淤泥，與前面分析推測的結(jié)果一致，表明側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀相結(jié)合的淤泥探測系統(tǒng)的探測結(jié)果真實可靠。在淤泥區(qū)的中心區(qū)域，淺地層剖面所獲得的淤泥厚度與對應點人工探摸和鉆探取樣淤泥厚度吻合度較高，而在淤泥區(qū)的邊界區(qū)域，淺地層剖面所獲得的淤泥厚度與對應點人工

24、探摸淤泥厚度吻合度相對較差，這種情況是由于淤泥分布區(qū)邊界附近淤泥厚度變化較大或者由于其厚度較小，超出了淺剖儀的垂向分辨率，這樣淺剖儀很難準確的找到淤泥分布區(qū)的邊界位置。在淺剖數(shù)據(jù)實際后處理過程中邊界區(qū)域淤泥厚度的劃定是根據(jù)側(cè)掃聲納鎖定的空白區(qū)進行人工繪制淤泥底界，與人工探摸淤泥厚度會有定的偏差。4結(jié)語1）側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀組合成的淤泥探測系統(tǒng)為走航式測量，可以對淤泥層進行連續(xù)層厚劃分,并能有效鎖定淤泥邊界位置，同時與探摸取樣情況吻合較好，是目前較為高效、經(jīng)濟、準確的淤泥探測方法。建議對于探測面積大旦未知是否存在淤泥的區(qū)域，可先用側(cè)掃聲納對測區(qū)進行小比例尺的掃測,確定淤泥大致分布范圍后，再用側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀有針對性的進行布線探測，可以更好的提高作業(yè)效率、節(jié)省成本。2）與其它表層淤泥探測方法相比，該方法更加適用于厚度和密度較大的淤泥探測，能夠更準確地找到淤泥底界高程位置。3）該套淤泥探測系統(tǒng)也存在一定的局限性:對于表層土質(zhì)的定類需要同時借助人工水下取