淺地層剖面儀在葛洲壩下游河床組成勘測中的應(yīng)用.docx

1、文章編號：1006X)081(2012)07-0028-03淺地層剖面儀在葛洲壩下游河床組成勘測中的應(yīng)用IE杜林霞全小龍聶金華張黎明（長江水利委員會長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌443000）摘要：為探究淺地層剖面儀在探測河床地質(zhì)結(jié)構(gòu)、沉積物及沖刷特征時(shí)的作用，介紹了該剖面儀的工作原理及系統(tǒng)組成，對探測試驗(yàn)的典型剖面圖進(jìn)行了解釋和分析。在壩下游測量中，結(jié)合使用剖面圖和常規(guī)測量方法，提高了對河床組成分析和河床上工程監(jiān)測的準(zhǔn)確度。此外，還探討了淺地層剖面儀在實(shí)際應(yīng)用中的制約因素。結(jié)果顯示，該剖面儀在葛洲壩下游河床勘測應(yīng)用中存在明顯優(yōu)勢，可為有效監(jiān)測河床變化提供參考。關(guān)鍵詞：河床變形；地質(zhì)勘測；

2、地質(zhì)結(jié)構(gòu)；剖面儀；葛洲壩水利樞紐中圖法分類號:TV147文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A收稿日期：2012-06-01作者簡介：杜林霞，女，長江水利委員會長江三峽水文水資源勘測局，工程師.葛洲壩下游是研究三峽蓄水后對長江河段沖刷的關(guān)鍵性區(qū)域。該區(qū)域的河床組成對河道后續(xù)演變的預(yù)測至關(guān)重要，也能為關(guān)鍵性河段采取整治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。隨著聲學(xué)儀器不斷改進(jìn),單波束、多波束測深系統(tǒng)以及水聲納系統(tǒng)均可為水下測量獲取測深數(shù)據(jù)提供有力支持。然而對于河床地質(zhì)結(jié)構(gòu)、沉積物和沖刷特征，卻無法從這些系統(tǒng)的測深數(shù)據(jù)中獲取，引入淺地層剖面儀進(jìn)行探測可獲取這些方面的特性。1剖面儀概況1.1工作原理淺地層剖面測量是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航

3、式探測水底淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法1"O淺地層剖面儀是基于聲波在界面上產(chǎn)生反射這種性質(zhì)設(shè)計(jì)的，其工作方式與測深儀類似。測深儀只能測量換能器到河底的水深，而淺地層剖面儀不僅能測量河底水深，還能探測換能器垂直下方的海底一定深度，反映河底地層分層情況和各層地質(zhì)的特征。淺地層剖面儀的換能器按一定時(shí)間間隔垂直向下發(fā)射大功率低頻聲脈沖，聲脈沖穿過水體觸及河底以后，部分聲能被反射返回?fù)Q能器;另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播，同時(shí)回波陸續(xù)返回，聲波傳播的聲能逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡為止。測量地層厚度，實(shí)際是測量聲波穿透地層傳播的時(shí)間，如表示地層上下兩個界面之間的時(shí)間差，即聲波往返兩次穿過

4、該地層上下兩個界面的時(shí)間”表示該地層的聲速，這樣就可按下式（1）算出該地層厚度3-4】:M（1）式中w為地層厚度,m；V為地層聲速,m/s；AT為聲波往返兩次穿過地層的時(shí)間,s。1.2Chirpffl系統(tǒng)ChirpHI是美國Benthos公司推出的淺地層剖面系統(tǒng)。采用線性脈沖調(diào)頻方式,重量輕，方便攜帶、運(yùn)輸，適合在小型船舶上測量使用。系統(tǒng)的設(shè)置方便，可使用多種拖魚和聲源。探測系統(tǒng)組成見圖1。為了將Chirpn淺地層剖面儀更好地應(yīng)用于長江江底探測，需要對原拖魚式換能器體進(jìn)行改進(jìn)。原拖魚式換能器（見圖2（a）安放在測船尾用纜繩拖行測量，但在長江測量時(shí)，來往船只和河流中大量淺灘會對其安全性構(gòu)成威脅，

5、因此改為固定在船弦兩側(cè)，能大大提高安全性和探測效果。改裝后的電纜便攜式PC工作站換能器GPS導(dǎo)航系統(tǒng)圖1淺地層剖面儀探測系統(tǒng)示意Chirpin淺地層剖面儀換能器見圖2(1)0(a)拖魚式換能器(b)改裝后的換能器圖2ChirpHI淺地層剖面儀換能器2資料采集與處理沿預(yù)先設(shè)計(jì)的斷面測線進(jìn)行GPS平面定位，并利用美國BenthosDSP-6641Chirp111淺地層剖面儀同步水下探測，將探測的圖形數(shù)據(jù)通過通訊線路接存儲在導(dǎo)航的計(jì)算機(jī)硬盤中,作為原始資料保存。測量時(shí)，測船速度小于2節(jié),斷面線偏航距離小于2m,盡量勻速前進(jìn)。在圖像采集和處理過程中，根據(jù)斷面水深和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，調(diào)整儀器的發(fā)射間隔、延

6、遲時(shí)間、帶通濾波、TVG(時(shí)變增益)、AGC(自動增益)等參數(shù)，以獲得理想的穿透深度和分辨率，從而最終得到較為清晰的剖面圖像資料。3壩下游河床的應(yīng)用3.1河床地質(zhì)概況葛洲壩下游研究區(qū)位于湖北宜昌市境內(nèi)宜昌-楊家腦河段，屬于江漢沉降區(qū)邊緣宜都隆起丘陵區(qū),全河段發(fā)育有46級階地，河段內(nèi)泥沙堆積特征明顯，洲灘發(fā)育。近幾十年來，由于受三峽水庫蓄水和藥洲壩水利樞紐工程的影響，河段內(nèi)天然水文動力條件、沉積物補(bǔ)給均發(fā)生改變。兩大工程導(dǎo)致清水下泄，給壩下游河床表層沉積物帶來了一定程度的沖刷,并引起r水位下降。該區(qū)域河漫灘和河流河床表層沉積物主要由砂、卵石、淤泥或其混合物組成，少數(shù)地方有基巖裸露。3.2應(yīng)用和解

7、釋淺地層剖面在解釋沉積地層結(jié)構(gòu)時(shí)，主要通過反射波的波組形態(tài)和表層的最大穿透深度變化，以區(qū)分巖層和表層沉積物特征。由于沉積物的物質(zhì)硬度、物質(zhì)密度、含水性、含氣程度及侵蝕構(gòu)造不同，波組形態(tài)和穿透深度呈現(xiàn)不同的淺剖圖和深度值,2011年11月，在葛洲壩下游河床選取了27個斷面,并使用ChirpDI進(jìn)行淺地層剖面試驗(yàn)。通過對獲得的地層剖而數(shù)據(jù)回放，將記錄的時(shí)間值轉(zhuǎn)換成地層原度，繪制淺地層剖面如圖3所示(圖3(a)為荊7淺地層剖面，圖3(b)為剖面與斷面圖的格加)。起點(diǎn)距/m(b)剖面與斷面圖的謎加圖3壩下游河段荊7斷面掃測地層示意通過對淺地層剖面圖使用圖像處理軟件Sonar-Wiz.SBP進(jìn)行判讀，得

8、出聲學(xué)最大穿透深度值和沉積物結(jié)構(gòu)特征2,斷面測量結(jié)果見表1。同時(shí)，將淺地層剖面資料與固定斷面圖進(jìn)行對比，為使圖面顯示清晰，截取荊7斷面代表性區(qū)域斷面名稱Y坐標(biāo)/mX坐標(biāo)/m最大穿透深度/m枝2548326.433359143.9512.13荊2547871.563356692.8714.05荊7557354.813352091.555.88黃11567545.183363973.692.75江1575912.543366112.146.08荊20585695.043365516.773.59表1測量斷面最大穿透深度及表層沉積物和地層特征表層沉積物和地層特征表層(卵石)信號密集，反射界面下2見多

9、個細(xì)小分層，層狀層結(jié)構(gòu)表層(卵石)信號密集，中層存有淤積形態(tài)層(粘土層)，底層(硬質(zhì)河底)反射波強(qiáng)河底反射界面散亂、模糊;無明顯分層(如圖3(b)進(jìn)行分析。從圖中可以看出，在C劃線處反射信號分界明顯，該反射界面為某個形成時(shí)代原始河床;而對于反射信號最強(qiáng)的A處,其反射界面為河床的基巖頂面，相對于表層的沉積物來說，此處的物質(zhì)硬度高;B處為C處原始河床與基巖頂面的淤積形態(tài)層。荊7起點(diǎn)距從1000到1055m處，河床基巖頂面地勢平緩，表層沉積物厚度可達(dá)1.2m0隨著基巖坡度的增加，表層沉積物厚度逐漸減小。兩個坡度夾角形成的凹槽,有利于沉積物的堆積，使河床表層趨于平緩。4討論與結(jié)論根據(jù)聲波反射特征及剖面

10、圖像可自動提取河底地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)和地形變化;確定表層沉積物分布的下界和河床的基巖頂面;并可根據(jù)多年多時(shí)段的剖面圖像變化分析不同時(shí)期沙和淤泥沉積或者沖刷的厚度。在葛洲壩下游河床應(yīng)用時(shí)，結(jié)合剖面資料與歷年固定斷面圖資料，有助于研究兩大水利樞紐工程完成后的河床演變過程。從剖面圖顯示的地層構(gòu)造，以得到沉積物的厚度，再輔以固定斷面測量得到的河床表層高程,結(jié)合沖刷經(jīng)驗(yàn)值，估算出每年河床的下-切和水位的下降程度，對預(yù)估在輸沙平衡后河床的穩(wěn)定情況有較大幫助。從20世紀(jì)70年代起，在葛洲壩下游很多洲灘上頻繁開采建筑骨料。為保證河床穩(wěn)定性，減少自然災(zāi)害和保障通航的需求,從2004年起，相關(guān)部門采取航道整治工程對關(guān)鍵

11、性河段的河床進(jìn)行加固、穩(wěn)定,大型工程包括胭脂壩護(hù)底試驗(yàn)工程和董市洲護(hù)灘工程等。淺地層測量和固定斷面、地形測量的聯(lián)合應(yīng)用在壩下游工程項(xiàng)目中起到較好監(jiān)測作用，且淺地層剖面圖結(jié)合常規(guī)測量手段可提高對工程效果評價(jià)的準(zhǔn)確度。雖然剖面圖像較直觀，但在實(shí)際使用中會受水底地形變化、水深、泥沙渾濁程度、周邊航行船只干擾聲波，以及安裝或測船航行中對剖面測量儀發(fā)射角度造成的影響等，這都會影響圖像的清晰程度。影響過大時(shí)，處理后的圖像中界面分層不明顯，也就無法判讀響應(yīng)的特征。在葛洲壩下游試驗(yàn)中，超過1/3的斷面均因以上種種情況未能得到分層明顯的剖面圖。目前，葛洲壩下游的淺地層測量在分析應(yīng)用過程中存在以下制約因素：(1)

12、 無論是在海洋勘測還是管線鋪設(shè)路由調(diào)查中,淺地層的直接測量值不確切，主要原因是沉積物物質(zhì)成分變化較大，且同一成分沉積物聲速的離散程度較大。確定沉積物聲速相當(dāng)困難，采用理論上嚴(yán)格的公式(1)來推算地層厚度基本無法實(shí)現(xiàn)，所以確定準(zhǔn)確的物質(zhì)構(gòu)造特征需要與其他方法相結(jié)合，通過該區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的擬合對比建立轉(zhuǎn)化關(guān)系和模型,工作量較大。(2) 淺地層剖面儀因其穿透性能，其水深測量的精度不高，在需獲得河底表層高程測量時(shí),仍需借助測深儀的數(shù)據(jù);從剖面圖直接判讀并給出地質(zhì)解釋受到分析人員經(jīng)驗(yàn)的制約，需要在測量過程中鋪加定位鉆孔取樣來加強(qiáng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確度?？傊?，淺地層剖面儀在探測葛洲壩下游河床的地質(zhì)構(gòu)造、地形變化、沉積物特征等方面有較明顯的優(yōu)勢，但在數(shù)據(jù)深入挖掘方面，還需作大量工作。通過對剖面圖像和其他測量方法數(shù)據(jù)結(jié)合分析,能夠更好地監(jiān)測河床變化。參考文獻(xiàn)：1 趙鐵虎，張志旬，許楓.淺水區(qū)淺地層剖面測量典型問題分析J.物探化探計(jì)算技術(shù),2002,24(3)：215-219.2 李守軍，陶春輝,初鳳友，等.淺地層剖面在富鉆結(jié)殼調(diào)查研究中的應(yīng)用J.海洋技術(shù),2007,26(1)：54-57.3 周興華，姜小俊,史永忠.側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀在杭州灣海底管線檢測中的應(yīng)用J.海洋測繪,2007,27(4)：64-67