淺地層剖面儀在障礙物探測中的應(yīng)用

淺地層剖面儀在障礙物探測中的應(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淺地層埋藏障礙物進(jìn)行探測，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；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，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。每一種探測方法都存在優(yōu)點(diǎn)和不足，單純依靠一種方法無法對障礙物進(jìn)行全面的探測，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。基于原理和目標(biāo)的不同，淺地層剖面法對障礙物的探測有著相對特殊的應(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，聲波遇到海底地層界面時(shí)產(chǎn)生反射信號，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，對于有一定規(guī)模的障礙物的探測，無論其是否有掩護(hù)，探測效果都較好，一般常用淺地層剖面法探測障礙物以提供準(zhǔn)確的平面位置及埋深[2]。圖2-1淺剖儀工作示意圖圖3-1ChirpⅢ淺地層剖面儀ChirpⅢ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)行探測時(shí)還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：采用旁掛式安裝，避免拖曳式安裝帶來的位置誤差；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；在對特定障礙物探測時(shí)，應(yīng)盡量橫切障礙物。對作業(yè)區(qū)域掃測時(shí)，應(yīng)垂直潮流方向作業(yè)；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€探測航道疏浚、碼頭施工等水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)常會遭遇管線路由這類障礙物，管線經(jīng)常會橫貫整個施工區(qū)域。油氣管線、海底電纜等具有非常重要的社會經(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)施工前對管線路由的探測就顯得很重要，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天燃?xì)夤芫€造成破壞，施工單位組織對該管線進(jìn)行探測。4.1.1探測設(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，測深采用HY1600單頻測深儀。圖4-1-1STRATABOX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條長度500m的測線。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)字測深儀進(jìn)行了同步測深。由于調(diào)查期間的海況較差，調(diào)查船很難沿計(jì)劃測線測量，同時(shí)也不能夠很好地控制船速，第一航次測量的結(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，取得了較好的效果。圖4-1-3天然氣管線探測測線布設(shè)圖4.1.3分析淺地層剖面儀探測時(shí)，由于石塊和碎石層對聲波的強(qiáng)反射，直徑達(dá)330cm—380cm、厚度約1m的石塊層對地震探測的聲波有屏蔽作用（聲波無法穿透石塊），因此，用地震探測海底管線具體位置的難度較大，地震只能夠探測到石塊的頂面，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)過對本次天然氣管線的探測，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航道障礙物掃測水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)施工前一般都會對項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大面積的障礙物探測，尤其是在設(shè)計(jì)論證階段。這種探測不同于對特定障礙物的探測，往往無法確定障礙物的類型、埋藏狀態(tài)和大致范圍，所以只能對整個區(qū)域按照較小比例布線施測。然后對疑似障礙物進(jìn)行加密探測，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?？?，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)單位會同施工單位組織進(jìn)行了航道障礙物的掃測。4.2.1探測設(shè)備淺剖儀采用TELEDYNE公司的ChirpⅢ，定位DGPS采用天寶DSM232，測深采用ODOM單頻測深儀。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，與單波束測深儀探頭平面位置相同。4.2.2調(diào)查過程調(diào)查分兩個步驟，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，共布設(shè)35條測線，測線間隔10m。經(jīng)過初步分析，篩選疑似障礙物，然后對疑似障礙物所在位置進(jìn)行加密探測，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)行加密施測時(shí)船速控制在1-2節(jié)，施測時(shí)間都選擇在高平潮時(shí)段。圖4-2-2掃測布線圖4.2.3分析與對地層反射圖像分析類似，對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，所以在圖像上就會形成較明顯的灰度反應(yīng)，有些孤立的障礙物還會存在繞射波。但并不是判斷障礙物的絕對依據(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有這樣的表現(xiàn)。因此在初步分析后還要進(jìn)行加密探測，用來排除假圖像。這是與特定障礙物探測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中發(fā)現(xiàn)了4個疑似障礙物，經(jīng)過加密探測排除了其中一個噪聲干擾，后經(jīng)施工船挖掘驗(yàn)證有兩個為沉船，另外一個為孤立石塊。5總結(jié)海洋工程中對障礙物探測的手段比較多，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比較特殊的，這是因?yàn)樗丝梢詫５妆砻嬲系K物進(jìn)行探測外，還可以探測埋藏障礙物，在這一點(diǎn)上是其他探測手段無法達(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方面的應(yīng)用必然會越來越頻繁。當(dāng)然現(xiàn)階段淺剖儀對障礙物的探測還存在許多的不足，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，無法確定障礙物屬性，特別是形狀、類型，還需要進(jìn)行人工驗(yàn)證。未來隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用的積累，特別是規(guī)范整個探測流程和標(biāo)準(zhǔn)