ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀在航道勘察中的應(yīng)用研究

汪坤

摘 要：介紹ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、數(shù)據(jù)分析處理方法，采用ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀與鉆探相結(jié)合，反應(yīng)航道工程水深及航道底一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)特征，提高航道工程勘測(cè)的工作效率和質(zhì)量，為航道工程設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的地質(zhì)資料。

關(guān)鍵詞：ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀 地質(zhì)剖面 航道工程

1.前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水域環(huán)境中的建設(shè)工程越來(lái)越多，在工程可行性研究階段和設(shè)計(jì)階段，都必須對(duì)工程建設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查和評(píng)價(jià)。特別是針對(duì)某些可能出現(xiàn)不良地質(zhì)作用的航道區(qū)域。

目前航道工程地質(zhì)勘察工作，主要采用地質(zhì)鉆探方法。水上地質(zhì)鉆探施工難度及成本相比陸上鉆探要高很多。且水上鉆探方法所揭露的工程地質(zhì)條件僅代表工程場(chǎng)地某點(diǎn)處的地層情況，為了探明場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，需要在場(chǎng)地范圍內(nèi)布置一定數(shù)量的鉆孔才能滿足工程的需要。當(dāng)遇到地層變化較大時(shí)，需要加密鉆孔以探明場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，這大大增加項(xiàng)目成本及影響工程進(jìn)度。

考慮到目前航道工程勘探中存在的問(wèn)題，本次研究采用ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀結(jié)合地質(zhì)鉆探資料進(jìn)行了航道工程地質(zhì)勘測(cè)，對(duì)ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀的成果進(jìn)行分析研究，并結(jié)合已有的航道鉆探資料對(duì)地質(zhì)剖面儀的成果進(jìn)行對(duì)比分析研究，得到航道工程地質(zhì)剖面圖，為航道工程的設(shè)計(jì)及后續(xù)施工提供更可靠的地質(zhì)資料依據(jù)。

2.ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀工作原理

ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀的換能器按一定時(shí)間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過(guò)海水觸及海底以后，部分聲能反射返回?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。利用淺地層地質(zhì)剖面儀一方面能測(cè)量換能器到河底的水深，另一方面能探測(cè)換能器垂直下方的海底以下一定深度，反映海底地層分層情況和各層地質(zhì)的特征。

本次使用ChirpⅢ接收機(jī)，淺地層剖面儀采用SonarWiz.Map軟件獲得海底地層分層情況，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)氐貙忧闆r分析海底區(qū)域的海底底質(zhì)情況，給出合理解釋。ChirpⅢ波形理論公式如下：

式中 A為振幅；

？1為開(kāi)始頻率，？2為結(jié)束頻率；

T為延遲時(shí)間；

t為記錄時(shí)間。

為了解決理論Chirp波中太多頻率成分在同一界面處的反射波對(duì)信號(hào)分辨等的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，Chirp波還需要配合相關(guān)的包絡(luò)函數(shù)一起使用，此外，由于采集的信號(hào)與發(fā)出的Chirp波具有很好的相似性，而線性噪音通常不具備相似性，所以對(duì)所獲得的采集信號(hào)進(jìn)行卷積處理后，可以降低噪聲，提高信噪比。

3.工程實(shí)例

那扶河及鎮(zhèn)海灣出海航道位于珠江三角洲西側(cè)，途經(jīng)江門(mén)市境內(nèi)恩平市和臺(tái)山市。該航道全長(zhǎng)約40km，其中橫板～寨門(mén)口為那扶河河段，長(zhǎng)約24km；寨門(mén)口～漭洲島為鎮(zhèn)海灣出海航道，長(zhǎng)約16km。結(jié)合研究海域水深地形條件和航道規(guī)劃情況，整治范圍外延至莽洲島南側(cè)規(guī)劃的莽洲島南航道位置，本項(xiàng)目航道整治里程約44.5km。

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集結(jié)合本項(xiàng)目航道中心軸線布置淺剖測(cè)線，并沿中心軸線布置部分勘探鉆孔對(duì)淺剖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。按照相關(guān)技術(shù)要求，本次試驗(yàn)共布置淺剖測(cè)線10條，淺剖航跡線總長(zhǎng)10km，部分測(cè)線如下圖所示。ChirpⅢ淺地層地質(zhì)剖面儀系統(tǒng)使用Sonar Wiz配套軟件進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)使用Hypack Max軟件進(jìn)行水深采集和導(dǎo)航定位。

3.2 數(shù)據(jù)分析

本次使用ChirpⅢ接收機(jī)，使用Sonar Wiz6后期圖像處理。通過(guò)調(diào)整探測(cè)深度與分辨率的協(xié)調(diào)關(guān)系軟件繪圖。

本次采用淺地層剖面探測(cè)來(lái)獲取航道范圍內(nèi)河床的地層結(jié)構(gòu)，聲波穿透深度一般在河底以下0～30m。淺地層剖面儀在泥質(zhì)沉積中可以獲取很好的穿透深度，但是在河底沉積物中砂質(zhì)含量較高、較致密或含淺層氣時(shí)，地層穿透能力明顯降低，反射記錄模糊甚至無(wú)反射。

（1）測(cè)線1地質(zhì)剖面圖。SJ19至SJ20河段，淺地層剖面圖像中聲納穿透效果較好，能清晰地辨識(shí)地層的反射面R0和R1，R0是聲納傳輸?shù)胶哟驳酌娣瓷湫纬桑茢郣1是聲納穿透河床底淤泥層抵達(dá)粘土層反射形成。反射面R0、R1構(gòu)成了層A，該河段層A的厚度超過(guò)了5m。結(jié)合鉆探資料，A層主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混砂，A層下部主要為含砂土和粉質(zhì)粘土。

（2）測(cè)線2地質(zhì)剖面圖。SJ18至SJ19河段，淺地層剖面圖像中聲納在海底穿透效果良好，能清晰地辨識(shí)海底反射面R0和以及第二反射面R1。結(jié)合鉆探資料，該河段底質(zhì)主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粘土和粉砂。其中，聲波穿透淤泥質(zhì)粘土、淤泥后在底質(zhì)較硬的砂質(zhì)界面形成了R1界面。在該河段SJ18號(hào)孔附近（概位：22°51.50110′N(xiāo)，116°23.61615′E）河底面以下8m存在疑似埋藏古河道，見(jiàn)圖5.9～5.10。古河道主道均位于河底5.0m深度，主道寬度約80m，河道走向呈“SW-NE”，與航道夾角約50°。該古河道埋藏較深，不影響航道建設(shè)。

（3）測(cè)線3地質(zhì)剖面圖。SJ16至SJ17河段，淺地層剖面圖像中聲納在河底有一定的穿透效果，能清晰地辨識(shí)河底反射面R0，第二反射面R1不清晰，且R1界面連續(xù)性一般。結(jié)合鉆探資料，該河段底質(zhì)主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粘土和砂土。其中，聲波穿透淤泥、淤泥質(zhì)粘土在底質(zhì)較硬的砂質(zhì)界面形成了R1界面。

（4）測(cè)線5地質(zhì)剖面圖。SJ11至SJ13河段，淺地層剖面圖像中聲納在海底有較好的穿透效果，能清晰地辨識(shí)海底反射面R0和第二反射面R1，但淺剖圖像中R1界面連續(xù)性、清晰度一般。結(jié)合鉆探資料，該河段底質(zhì)主要為淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、細(xì)砂。其中，聲波穿透淤泥質(zhì)粘土、淤泥后在底質(zhì)較硬的砂質(zhì)界面形成了新的界面。

4.結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了整個(gè)航道部分的縱斷面地質(zhì)剖面圖，較為精確的劃分地質(zhì)分層，提高了工程質(zhì)量。

（2）通過(guò)測(cè)線布置、數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)匯編等，同時(shí)結(jié)合場(chǎng)區(qū)地層情況，得出了航道區(qū)域的地質(zhì)情況。

（3）根據(jù)本項(xiàng)目中淺剖的技術(shù)特點(diǎn)以及相關(guān)實(shí)際應(yīng)用效果，可以根據(jù)不同的工程需要，在不同水域進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查。

（4）通過(guò)分析探測(cè)深度與分辨率的協(xié)調(diào)關(guān)系，得出具有參考價(jià)值最佳的勘測(cè)系統(tǒng)、勘測(cè)參數(shù)與勘測(cè)方法。

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