淺海復雜管線（管道）探測的綜合物探方法研究

郭 強

（上海海科工程咨詢有限公司，上海 200231）

1 引言

我國是海洋大國，有著眾多常住人口島嶼，淡水供應主要通過海底供水管道輸送，中央和地方政府已規劃建設了一大批相關工程。目前，我國很多海域都已鋪設了大量的管線（含管道，無特殊說明，下同），給管道規劃和建設帶來了不利因素，為保證安全，需要對沿途的管線進行準確探測。海底管線的類型很多，從用途來看：有輸電、輸水、油氣、通信及其它用途；從材質來看，有金屬、樹脂、橡膠、光纖、混凝土等；從埋設方式來看，有沙包或鎮重塊固定、開槽埋設、泥下穿管等；從埋深來看，有裸露、淺埋、深埋等；從水質來看，有清澈、渾濁等；從水深來看，有淺水、中水和深水。針對各種不同的工況，探測方法、方式以及效果也不一樣。

水下探測技術的突破始于60年代美國研發成功多波束測深儀，不僅可以進行高效海洋地形測繪，而且在水下結構物探測中同樣效果十分明顯。80年代美國Datasonics公司開發了“Chirp”壓縮子波技術［1］，帶來了海底淺地層剖面技術的快速發展，并被用于掩埋物的探測，開啟了淺剖技術的大規模工程應用，此后德國根據參量陣原理研發了體積更小、分辨率更高的淺剖儀［2-4］。合成孔徑聲吶是基于相控陣雷達技術原理研發的，起源于上世紀60年代，在水下地形和掩埋物探測中具備更高的分辨率，目前主要應用在沉船沉物和掩埋物的精細調查中［5-8］。除以上方法外還有潛水錄像、水下機器人、三維聲吶等多種方法，根據不同的工況和目的進行選擇［9-10］。文中研究了多波束、淺剖和合成孔徑聲吶3種物探方法綜合進行海底復雜管線探測。

2 綜合探測分析方法

海底供水管道長度一般都在數公里到幾十公里不等，對沿途管線不加區別進行探測很難達到準確調查目的。首先走訪調研規劃、燃氣、自來水、通信（包括國防）、供電等部門并收集區域管線路由埋深資料，將得到確認的所有管線分圖層疊加到同一幅底圖中，根據建設管道的路線劃定探測范圍。

在劃定探測范圍的基礎上，首先進行多波束地形測量，，然后采用淺剖、合成孔徑聲吶方法進行掩埋管線的探測。多波束測量方法應用較為廣泛，相關資料也比較豐富，文中不做詳述，接下來主要對淺剖和合成孔徑聲吶探測方法進行分析。

2.1 淺剖探測

“淺剖儀”是淺地層剖面儀的簡稱，利用聲波在聲阻抗不同界面上發生反射的原理進行探測，反射系數 與上、下層阻抗 相關，數學關系如公式［11-12］（1）。

其中， Z1，Z2為界面上下層聲阻抗。

目前應用較廣的淺剖儀主要有兩種，一種基于“Chirp壓縮子波”技術，探測深度大；另一種基于參量陣原理，探測分辨率高。

2.2 合成孔徑聲吶探測

合成孔徑聲納的基本原理是利用小尺寸基陣沿空間勻速直線運動來虛擬大孔徑基陣，在運動軌跡的順序位置發射并接收回波信號，對不同位置的回波信號進行相干疊加處理，從而形成等效的大孔徑，獲得沿運動方向（方位向）的高分辨率。

合成孔徑聲納的方位向空間分辨能力如公式（2）［13-14］，

其中D為聲吶基陣的實際孔徑。

該方法探測的分辨力與距離無關，在采用較低工作頻率時可實現對海底掩埋物和底質的高分辨率成像。

3 影響海底管線探測的主要因素

上述三種方法均采用聲波無損探測方式，影響因素具有一定的共性，多波束測深方法應用廣泛，不做詳述，僅對淺剖和合成孔徑聲吶的影響因素進行分析。

影響探測效果的因素包括：設備本身的技術性能指標、海底底質、噪聲干擾以及解譯者的實際水平和經驗等，其中絕大多數是可以優化或避免的［15］。

3.1 設備選型和性能

海底管線探測方法、設備、型號較多，各自的優勢、性能和技術指標差別很大，設備選擇直接關系到探測效果的好壞，同一條件下有的探測方法效果十分顯著，因此應當根據探測目標特性、探測條件等進行設備選型和參數設置優化。

3.2 底質和埋深

海底底質很大程度上決定了儀器所能探測的深度和效果，如砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等硬質或松散條件下，儀器的探測能力嚴重下降；反之，泥質條件下的探測深度和效果則明顯提升。以淺地層剖面探測方法為例，一般來說砂質海底的探測深度小于30m，泥質海底可達100m，兩者存在巨大的差異。

3.3 管線性質

采用淺剖和合成孔徑聲吶探測掩埋管線時，聲波在管線與覆蓋物界面發生反射，不同材料的聲阻抗差別很大，一般常見管線的聲阻抗值見表1，由表可見，由于掩埋式管線均在泥下，鋼管與泥土的聲阻抗相差最大，同等條件下探測效果最好，而PVC等樹脂類管材與泥土聲阻抗相差很小，探測效果較差。探測效果與管線的直徑有很大關系，管線越粗，分辨能力越高，反之則越低。

表1 常見海底管線聲阻抗值統計表

3.4 噪聲干擾

處于系統帶寬范圍內的外界聲源信號都可能串入造成干擾信號，包括低頻船只機械噪聲和環境噪聲等。噪音在記錄上可能都會或多或少地顯示出來，降低探測數據質量，甚至對判讀、解譯結果產生重大的影響。因此，正確地識別，甚至消除噪聲的影響是十分重要的。

其他因素包括測量船、海氣界面、船的尾流、海水深度、潮汐及海底起伏均對探測效果一定的影響。

4 工程案例分析

4.1 項目概況

項目位于浙江省某島，為緩解當地飲水困難，當地政府修建一條通往主島的跨海自來水管，跨海段長度19.374km，全程采用焊接鋼管，根據前期調查，沿途與29處已有海底管線平行或交叉，包括廢棄供水管線（PE管，直徑600mm）、軍用光纜（鋼鎧裝結構，直徑50mm）以及燃氣管線（鋼管，直徑1200mm），管線埋深0.5～2.5m不等，區域水深高平潮最深為27.3m。

擬建跨海輸水管道采用開溝敷管和定向鉆牽引兩種方式，其中安全區域采用開溝方式，與既有管線交叉段采用定向鉆牽引底部穿越的方式。根據設計要求，施工前對已有管線進行復核探測。根據以上條件，制定了以下探測方案和流程。

（1）采用多波束系統測量設計線路兩側100m帶狀地形圖，并將前期調查得到的管道路由信息標繪到地形圖上。

（2）根據多波束成果核實管線資料的準確性，以往工程中經常發現由于海水淘刷和人為挖沙等各種原因，管線已經裸露出海床，可以在多波束成果圖上較為明顯地反映出來。

（3）采用淺剖儀探測、核實并修正鋼管段、PE管段信息，該方法對淺埋鋼管段效果明顯，但對尺度較小的PE管探測能力有限，可能難以探測到。

（4）采用合成孔徑聲吶探測、核實并修正光纜段和未能準確探測的PE管段信息。

4.2 設備和指標

根據現場條件，從設備性能、指標、成熟性和測區環境多方面考慮，設備選型見表2。

表2 設備選型表

4.3 測量結果分析

根據上節中擬定的技術路線，采用多波束測深系統對管道設計線路兩側各100m內海床地形進行了測量并處理得到測區“帶狀”地形圖，將前期調查管線信息（路由和類型）加載至帶狀地形圖上。

以加載的管線信息為參考依據分析測區地形圖，主要是識別是否有裸露在海床外的管線，并將探測結果標注在地形圖上。結果表明：（1）未發現光纜痕跡，原因可能有2種，一是光纜尺寸小，測量分辨率難以達到，二是光纜埋藏較好；（2）未發現燃氣管線裸露痕跡，但發現有防沖刷保護的沙包；（3）發現廢棄供水管道有多處懸空或裸露，可能是廢棄后水流沖刷和海底挖沙造成的。一般區域的地形圖截圖如圖1(a)所示，管道懸空區域截圖如圖1(b)所示，由圖可見，多波束探測方法不僅能夠得到高精度地形圖，而且能夠反映裸露在外的幾何尺寸較大的管道目標，但難以探測尺寸較小的管線。

圖1 部分多波束地形測量成果圖

在以上分析成果的基礎上，以多波束測量地形圖為底圖規劃淺剖測線，對掩埋的廢棄供水、燃氣以及光纜段進行探測，并將探測結果標注在地形圖上。結果表明：（1）廢棄供水管道在淺剖圖上有一定反映，但特征不明顯，主要是因為供水管道材質的聲阻抗與河床底質相差不大；（2）燃氣管線在淺地層探測剖面圖上反映明顯（如圖2所示），主要是因為供水管道材質的聲阻抗與河床底質相差交大，反射信號明顯；（3）未發現光纜痕跡，原因可能是光纜尺寸小。

在以上探測結果的基礎上，以多波束測量地形圖為底圖規劃合成孔徑聲吶測線，對掩埋的光纜段進行探測，并將探測結果標注在地形圖上。結果表明：光纜段在淺地層探測剖面圖上無明顯反映（如圖3(a)所示），但在合成孔徑聲吶探測剖面圖上特征明顯（如圖3(b)所示）。對

圖2 部分淺剖探測成果圖

圖3 光纜段部分合成孔徑聲吶探測成果圖

圖4 合成孔徑聲吶探測三維成果圖

對其中與設計供水線路交叉的光纜進行了合成孔徑聲吶加密測線探測，在人工識別的基礎上，刪除無關剖面圖像后，根據平面坐標和埋深數據建立了以河床面為0點的管線三維空間圖，見圖4。由圖可見，其它方法相比，合成孔徑聲吶方法能夠更可靠、準確地反映光纜類較小目標的狀態，且分辨率能夠滿足人工識別的要求。但該方法不僅效率低，不適用于大范圍探測，而且對測量條件要求非常高，船速一般不大于1m/s，拖體的三向搖擺姿態應保持在5°以內等，否則測量結果分辨率較差。

5 結論

文中針對海底復雜管線探測與調查，提出采用多波束方法建地形底圖和識別裸露管線、淺剖方法探測大尺寸和易識別管線、合成孔徑聲吶方法探測光纜等小尺寸和難識別管線的綜合物探方法，定位采用GPS與短基線結合的方式。文中詳細分析了該方法的原理和實施步驟，并以實際工程案例進行了驗證分析，得到了以下成果或結論。

（1）利用多波束測量方法分辨率高的優點可有效識別因沖刷等各種因素導致的裸露大尺寸管線。

（2）利用聲參量陣淺剖探測方法可有效識別泥下鋼管及大尺寸PVC管等易于識別的管線。

（3）利用合成孔徑聲吶方法可有效識別河床以上或埋深較淺的泥下光纜。

（4）采用多種物探方法結合的方式，可以達到對區域復雜管線精細調查的目的。

對海底復雜管線的探測方法研究，在各種海域及深度的適用性有待于進一步的驗證和補充。