河底表層泥沙物理特性的快速估算

李長征 李姝昱 王銳 楊勇

摘要：河底泥沙密度、粒徑等是河流動力學研究的必備物性參數。機械取樣和淺地層剖面探測是獲取泥沙物性的重要途徑。將取樣測試的泥沙粒徑信息與淺地層剖面探測數據結合起來，研究了一種快速的河底泥沙物性參數（密度、孔隙度等）檢測方法。利用級配結果確定表征孔隙度和滲透率關系的Kozeny-Carman公式，將該式與孔隙介質模型結合計算河底泥沙密度等參數。采用該方法獲取了三門峽庫區2個斷面的濕密度和波速等參數。將泥沙濕密度計算值與取樣測試值對比，發現2個測點的差異較小，證明了該方法的有效性。

關鍵詞：孔隙介質；淺地層剖面；快速估算；物理特性；表層泥沙；河底

中圖分類號：P332.5 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.004

研究河底泥沙物理特性（密度、孔隙度等）對河流動力學研究和庫區清淤等有重要意義。目前，河底泥沙物性參數的獲取方式主要有3種：簡單機械取樣、保真采樣和聲學探測。簡單機械取樣是在船上吊裝一定質量的取樣器到水底，在水底取樣后將樣品運送到實驗室測試巖土力學參數。由于在取樣過程中不可避免地對樣品產生較大程度的擾動，使樣品（尤其是稀軟的水底表層淤積物）的原始狀態發生變化，因此最終使測量結果產生較大的偏差。簡單機械取樣為點測方式，速度較慢，取樣較淺（約為30cm），難以滿足底質調查的需求。

以保真為目標的取樣技術正在逐步完善和發展。為了避免沉積物樣品原始層序混雜或彎曲樣品形狀的擾動，實現采集到的樣品保壓、保溫、無污染，保證樣品信息記錄的完整性，保真采樣設備研究經歷了從國外研究到國內自行設計和完善階段，浙江大學和國家海洋局第一海洋研究所設計的采樣器均可實現10 m以上的巖心采樣[1-2]。2013年，黃河水利科學研究院設計了針對河底淤積層的水下采樣器[3-4]，采用自動切割的菊花瓣式的活塞刀口，保證了已取樣品的完整性，目前在細沙區（粒徑小于0.025mm）能夠獲取10m長的泥沙樣品。

近年來，淺地層剖面儀逐步應用在河流底質調查中[5-6]。通過聲學換能器向水底發射寬帶調頻脈沖[7]，脈沖遇到聲阻抗突變界面（水底不同媒質層的分界面）反射回到接收換能器，研究人員根據接收的聲吶信號可大致判斷河底淤積層的結構。然而，河底泥沙淤積層的聲速仍是未知參數，僅依據聲學接收信號難以判斷淤積層的具體厚度，淤積層的其他巖土力學參數也不能精確檢測。

隨著聲學理論的發展，通過分析聲學信號獲取表層泥沙物性參數已具備可行性。本文利用保真取樣獲取的泥沙參數作為先驗信息，結合孔隙介質聲學理論快速得到水底淤積泥沙密度等參數，對提高河底淤積表層探測效率有重要意義。

1 聲學模型參數

1.1 模型參數

Biot M.A.[8]的孔隙介質理論較好地解釋了由泥沙顆粒和孔隙水組成的雙相介質系統中的聲學現象。因此，本文基于Biot孔隙介質聲學模型（簡稱Biot模型）計算河底表層泥沙密度等參數。Biot模型包含的參數主要分兩類：第一類是各組成相的參數，該類參數是物理常數，可以通過試驗測定或參考相關文獻，見表1；第二類是與孔隙空間中流體流動相關的參數，其中流體黏滯系數較容易測定，而滲透率、孔隙半徑和有效物質常數較難精確測定，但可以通過經驗公式與其他參數建立聯系。

現場探測時需要接收信號有足夠的時長，以便有效接收二次波信號。

2.2 泥沙物性參數計算方法

由表1確定Biot模型第一類參數，并且第二類參數相互關系已知（式（1）～式（6）），因此Biot模型里僅孔隙度和滲透率為未知參數。理論聲波反射系數計算公式涉及的輔助公式較多，本文不詳細列出，具體可參見文獻[10]。

計算過程和方法：①利用機械取樣器對表層淤積泥沙取樣后，通過實驗室測試得到樣品的粒徑d；②將粒徑d代入式（7）；③從淺地層剖面數據中提取各測點的聲波反射系數；④聯合式（7）和式（12），以及參考文獻[10]中的水-沙界面反射系數，得到孔隙度和滲透率；⑤由式（9）計算泥沙的濕密度等參數。

3 探測實例

3.1 探測儀器

利用美國Edgetech公司生產的3200-XS型淺地層剖面儀進行現場探測，儀器包括拖魚、拖纜和甲板單元。拖魚型號為SB-216S，由1個發射換能器、2個接收換能器組成。發射信號的波束角（-3dB）為24°。換能器之間用隔聲板隔開，其作用是阻止向下傳播的聲波對接收信號產生干擾，且盡量減小表面反射。換能器向其正下方水底發射調頻信號，該信號具有較強的地層穿透能力，在遇到阻抗不同的界面時將發生反射。接收換能器收到水底泥沙的反射信號，信號經拖纜傳送到甲板單元。利用匹配濾波技術對回波信號脈沖進行壓縮，并在顯示器上顯示出來。

試驗中用船體牽引拖魚，為了得到較穩定的信號，選擇風浪較小且水面平靜的情況下探測。為了降低隨機噪聲的影響，GPS與甲板單元的主機相連，拖魚在行進過程中，GPS數據與反射信號被記錄在同一文件中，因此可提取每個測點對應的GPS坐標。

3.2 探測結果

2015年11月，在黃河三門峽庫區進行了機械取樣和淺地層剖面儀探測試驗。根據現場淤積泥沙特征，選取的線性調頻信號頻帶為700～12000Hz，脈沖重復頻率為5Hz，拖魚水平行進速度約為1.2m/s。測量時根據水流情況船速作相應改變。垂直水流方向，連接左右岸的直線段為1個斷面（兩個斷面之間的距離約為2km），取樣和探測以斷面為單元進行研究。

對三門峽庫區斷面2和斷面11進行了探測，測線方向為左岸至右岸，測線長度為197m，斷面2水深約為25m。圖2為斷面2主河槽的聲納探測圖像，由圖像可見清晰的河底反射信號和表層泥沙底界面的反射信號，其中表層泥沙厚度為3.8～6.0m。斷面11的測線方向為右岸至左岸，測線長度約為201m，聲吶圖像見圖30主河槽水深約為15m，可見泥沙層界面的反射和多次波。表層泥沙厚0.5～2.0m，第2層泥沙厚4.5～5.0m。

在斷面2和斷面11分別選取6個、8個測點，提取到聲波反射系數。泥沙參數計算結果見表2和表3。斷面2的反射系數較斷面11的小，對應較大的孔隙度和較低的泥沙密度。斷面2的泥沙干密度大部分低于1000kg/m3，斷面11的泥沙干密度為1100～1649kg/m3。在斷面2和斷面11進行了機械取樣，取樣點的位置分別為A和B，測試到的泥沙中值粒徑分別為0.0110、0.0237mm。A、B點樣品的測試密度分別為1270、2150kg/m3，與附近測點密度計算結果差異較小。

4 結語

在黃河三門峽庫區進行了水底泥沙的機械取樣和淺地層剖面探測，基于Biot模型將取樣測試的級配結果和聲吶數據結合起來，計算了表層泥沙的密度和波速等參數，并與取樣測試的結果進行了對比，結果證明了本文計算方法的正確性。研究發現：①機械取樣對泥沙的級配測試結果影響較小，因此級配測試結果可作為聲學反演的先驗信息；②本文提出的計算方法能夠計算得到河底泥沙的密度、波速和表層淤積厚度等參數，這對取樣測試結果起驗證作用；③本文的探測方法能夠減少取樣工作量，并且得到多個泥沙物性參數。

本文采用的計算方法基于以下前提條件：①計算時考慮了聲學反射信號的弱頻率獨立性；②在探測過程中忽略了拖魚在水下姿態變化的影響；③利用的Kozzy-Carman方程為經驗公式。考慮以上因素，計算中將產生一定誤差。

獲取較深層泥沙物性參數還存在一定的挑戰性，期望通過進一步研究結合機械取樣得到更多的泥沙（聲吶圖像識別的第二層和更深層）物性參數，以滿足河流研究和治理的需求。

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