淺地層剖面儀在障礙物探測中的應用.doc

淺地層剖面儀在障礙物探測中的應用楊仁輝（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行探測，選擇窄脈沖、高頻率并采用匹配濾波技術（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果。關鍵詞：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、航道開挖、碼頭、橋梁等海洋工程項目施工區(qū)域內(nèi)，經(jīng)常存在諸如沉船、礁石、管線、殘留物體等影響設計施工的障礙物。這些障礙物需要在設計施工前進行探測，摸清障礙物的類型和分布，采取有效的措施進行規(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)點和不足，單純依靠一種方法無法對障礙物進行全面的探測，通常做法是根據(jù)區(qū)域特點綜合多種手段實施作業(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。基于原理和目標的不同，淺地層剖面法對障礙物的探測有著相對特殊的應用方法。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、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產(chǎn)生反射信號，經(jīng)收發(fā)機接收處理繪制成海底地層剖面圖像。淺地層剖面法優(yōu)點是在同一剖面上能快速不間斷地進行掃描探測，對于有一定規(guī)模的障礙物的探測，無論其是否有掩護，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、尖滅點）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：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（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。第一菲涅爾帶對水平分辨率影響因素是這個帶的半徑大小，其半徑R可由下式表示：R=1 2v（t f）1 2式中：t：到達反射體的時間（s） V：聲源與反射體之間介質(zhì)的平均速度（m/s） f: 聲波信號的頻率（Hz）菲涅爾帶是一個圓弧帶，中心距這個帶的邊緣是1/4，R小，剖面聲圖能反映探測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反射界面的小隆起和小凹陷地貌形態(tài)。3應用分析使用淺剖儀探測障礙物主要關注問題在于兩點，一是對障礙物圖像識別；二是對障礙物位置確定。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穩(wěn)定的，所以水平分辨率越高定位半徑越小，位置越準確。所以在淺剖儀的選擇上應偏重于窄脈沖、高頻率并采用匹配濾波技術（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（Chirp），有兩種換能器選擇，2-7kHz和10-20kHz，表3-1為計算得到的參數(shù)。圖3-1 Chirp淺地層剖面儀 Chirp淺地層剖面儀計算參數(shù) 表3-1另外在使用淺剖儀進行探測時還應該注意以下幾點：1 采用旁掛式安裝，避免拖曳式安裝帶來的位置誤差；2 采用高平潮時段進行作業(yè)，保證天氣狀況良好，換能器遠離發(fā)動機，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 在對特定障礙物探測時，應盡量橫切障礙物。對作業(yè)區(qū)域掃測時，應垂直潮流方向作業(yè)；4 判圖時定位點應選擇在繞射圖像頂點位置。4案例分析4.1天燃氣管線探測航道疏浚、碼頭施工等水運工程建設項目經(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)濟價值，一旦破壞必然造成十分嚴重的經(jīng)濟損失和安全事故。所以設計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行疏浚維護，某天燃氣管線與該航道相交，為了避免疏浚施工過程中對天燃氣管線造成破壞，施工單位組織對該管線進行探測。4.1.1探測設備淺剖儀采用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、換能器和數(shù)據(jù)采集計算機，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4-1-1 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，船速不大于1 節(jié)， HY1600 數(shù)字測深儀進行了同步測深。由于調(diào)查期間的海況較差，調(diào)查船很難沿計劃測線測量，同時也不能夠很好地控制船速，第一航次測量的結果不是十分理想。為了準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圖4.1.3分析淺地層剖面儀探測時，由于石塊和碎石層對聲波的強反射，直徑達330cm380cm、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時代人工開挖面及管線埋設后的保護層頂面的聲學反射界面，根據(jù)人工開挖面和保護層頂面確定海底管線埋設的位置，包括平面位置和埋設狀況。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深度。設計和施工單位根據(jù)探測資料明確了設計和施工方案，避免了存在的風險。4.2航道障礙物掃測水運工程建設項目在設計施工前一般都會對項目區(qū)域內(nèi)進行大面積的障礙物探測，尤其是在設計論證階段。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行加密探測，最后通過人工探摸、挖掘等方式進行驗證。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、設計單位會同施工單位組織進行了航道障礙物的掃測。4.2.1探測設備淺剖儀采用TELEDYNE 公司的Chirp，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)域水域特點此次調(diào)查采用沿航道方向施測，共布設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行加密探測，以便進一步確定。調(diào)查過程中船速保持在4節(jié)以下，進行加密施測時船速控制在1-2節(jié)，施測時間都選擇在高平潮時段。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)反射特征進行判斷的。有所不同的是前者主要關注的是連續(xù)反射，后者要關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，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)，有時斷層棱點、地層尖滅點、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。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)施工船挖掘驗證有兩個為沉船，另外一個為孤立石塊。5總結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用的。淺地層剖面法是相對比較特殊的，這是因為它除了可以對海底表面障礙物進行探測外，還可以探測埋藏障礙物，在這一點上是其他探測手段無法達到的。雖然淺剖儀設計研制的初衷并不是針對這項工作，但是隨著應用方向的不斷擴展和實際使用的不斷積累，淺剖儀在障礙物探測方面的應用必然會越來越頻繁。當然現(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；二是剖面圖像反應不直觀，多數(shù)情況下只能定量的判斷，無