水域綜合工程物探方法應用探討

冉根領

摘要：隨著水下工程的日益增多，水域工程物探成為熱點。本文對各種物探方法的優缺點進行了較深入分析，并結合實例說明在應用方法技術合理、抗干擾措施得當的前提下，物探應用效果是良好的。

關鍵詞：水域;綜合工程物探;地震映像;瞬變電磁

Abstract： With an increasing in water area engineering， geophysics in water become hot spots of geophysical prospecting. The advantages and disadvantages of geophysical exploration methods have been compared with each another. A practical example shows that geophysical application effect is good with a reasonable method and anti-interference measures.

Key words： water area;integrated engineering geophysics;seismic imaging;transient electromagnetic

0? 引言

近年來隨著國家基礎建設的快速發展，越來越多的工程涉及到江、河、湖、海等區域，如橋梁、碼頭、大壩以及水下穿越工程項目。水域工程因其所處的工作環境及作業條件的復雜性，地質勘察工作顯得尤為重要，水域勘察的工程可行性研究階段、初堪、詳勘及施工期勘察階段主要以工程物探、鉆探及原位測試為主[1]。

水域工程物探的主要任務是第四紀地質、基巖地質調查、不良地質結構調查、水底遺存物探測、水深測量[2]。近幾十年快速發展起來的水域淺層地震勘探技術[3]、淺地層剖面探測技術[4]、瞬變電磁技術[5]、高密度電法[6]、探地雷達[7]為獲取水下地層信息提供了強有力的手段，各方法在水域條件下有其適用條件，本文就水域工程物探方法工作難點、方法優缺點并結合部分方法實例進行探討。

1? 水域勘察中的工程物探方法

水域條件下的地層可大致劃分為水層、淤泥層、松軟土層、砂卵石層、基巖。水下各地層的主要物性如表1。

說明：數據主要來源于文獻收集，地震映像法在長江某過江隧道勘察中的應用（楊占東）、地震映像法在沌口長江公路大橋勘察中的應用（楊俊杰）、擬建長江大橋橋址區水上物探方案研究（王雙六）、淺層地震反射法在武漢長江隧道水上勘察中的應用（廖全濤）、瞬變電磁法在水域地質勘察中的應用（張銀松）、高密度電法在水域工程勘察中的應用（祝杰）、高密度電法在水底隧道工程勘察中的應用研究（黃佳坤）、Sir-20說明書、探地雷達方法與應用（李大心）、勘察科學與技術（2007第二期）、福州閩江河道軟土的電阻率試驗研究（唐大振）.

水域中使用的工程物探方法主要分為三類：地震波類、電法類、電磁法類。

地震波類方法以地震映像、地震反射、聲吶探測為主，其中聲吶主要用于探測水深、水底地形測量。水中地震勘探的優勢：水、飽和土層的縱波衰減較小，地層界面反射波頻率高，因此地震波法的勘探精度較高;水中地震波的激發和接收一致性較好，可獲得可靠的數據;水中只能傳播縱波，避免了面波干擾。水中地震勘探作業的難點：水流影響，定位困難造成信號疊加效果差;存在波浪、行船產生的機械振動等干擾;水面和水底兩個強反射界面之間的多次反射波干擾。

電法類方法以高密度電法為主。水域高密度電法有兩種測量方法，一種為電極與河床直接接觸，其優點是測量結果較準確，勘探深度較大，缺點是施工條件復雜，滾動排列存在誤差;另一種是漂浮電極，也可固定電極進行勘探，其優點是施工條件較簡單，缺點是勘探深度較淺，測量結果受水面環境等因素影響較多。目前采用最多的施工簡單的漂浮電極裝置，其在淡水淺水區應用較多，據黃佳坤[8]祝杰[6]等人的實際項目水深小于10m的情況下勘探深度達到水面下60m，當水深較大或淤泥層較厚時不宜采用高密度電法。

電磁法類方法以瞬變電磁法及探地雷達為主。水域瞬變電磁法一般采用小線框裝置，它具有的橫向分辨率高、抗干擾能力強、施工方便快捷等優點近年來廣泛應用于水上地質勘探[5][8]。探地雷達在淡水水域的探測深度小，只能獲取水底下淺層信息，100MHz天線能分辨深度為水面下5～7m。

2? 水域綜合物探方法工程應用

水域勘察的物探方法設計時，需考慮方法的可操作性、經濟、高效適用等問題，結合水上物探特點設計最佳方法和合適工作量，條件允許的情況盡量利用兩種物性差異。目前應用最多并且施工方便的是水域地震映像及水域瞬變電磁法，本文將就這兩種方法進行探討。

2.1 地震映像

地震映像法為地震反射波法中的共偏移距特殊形式，它是通過人工激發地震波遇到不同介質的分界面時，產生一定能量的反射波，經檢波器接收后，通過計算機和人工對接收到的地震波的時間、相位和振幅等信息進行分析處理和解釋后，計算出各層介質的速度和埋深;沿測線不斷移動激發點及檢波點，通過地震儀記錄可獲得一條最佳偏移距地震反射時間剖面，再現地下地層結構形態。

水域地震映像的震源主要有炸藥、電火花震源、錘擊。炸藥震源的頻譜豐富、通帶范圍大、主頻達1400Hz，有氣泡效應問題會覆蓋部分有用信號;電火花震源頻率范圍100～1000Hz;錘擊震源的頻寬相對較窄，主頻約700Hz。

水域地震映像數據采集參數選擇：①偏移距參數可依據圖1反射系數-入射角曲線圖[10]及水深來大致估算并結合針對性的現場試驗來選擇;②檢波器頻率結合干擾波的頻率可選擇100Hz左右水下檢波器;③檢波器入水深度可依據現場不同水深處地震波振幅強弱來選擇。