淺地層剖面探測(cè)在水域工程中的應(yīng)用及問(wèn)題分析

武傳鵬，佟 弢

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，各大港口、碼頭和航道等工程也在蓬勃的興建中。在工程前期，需要對(duì)擬建工程場(chǎng)地的海底地層及不良地質(zhì)狀況有詳細(xì)的了解，尤其是海底的軟弱地層、強(qiáng)風(fēng)化巖面、滑坡、斷層等。常規(guī)的地質(zhì)鉆探勘察雖然能準(zhǔn)確的揭露鉆孔位置單點(diǎn)的地層狀況，但它不能全面反映擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地層狀況，因此需要一種可以全面探測(cè)擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)海底地層狀況的手段。

淺地層剖面探測(cè)是一種地球物理探測(cè)方法，它主要利用聲波在海底沉積物中的傳播及反射特性和規(guī)律對(duì)海底地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造進(jìn)行連續(xù)走航式探測(cè)，以獲得海底淺部地層狀況。

淺地層剖面探測(cè)因具有探測(cè)效率高、探測(cè)映像直觀、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于水域工程海底地層和結(jié)構(gòu)探測(cè)。

1 工作原理

淺地層剖面探測(cè)利用聲波反射原理來(lái)進(jìn)行海底地層和結(jié)構(gòu)探測(cè)。聲波在傳播過(guò)程中會(huì)因海底巖土層結(jié)構(gòu)及密度的不同，存在能量衰減、速度及頻譜成分的變化，在地層的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射及透射。ρ1和v1（ρ2和v2）分別為界面上部（下部）介質(zhì)的密度和聲波在該介質(zhì)中傳播的速度。

圖1 聲波的反射及透射

聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，反射系數(shù)R與介質(zhì)的密度ρ和聲波在此介質(zhì)中的傳播速度v密切相關(guān)，其關(guān)系如下：

（z為介質(zhì)的波阻抗，R為反射系數(shù)）

聲波在海底不同地質(zhì)年代、沉積環(huán)境形成的地層中傳播時(shí)，會(huì)因土層的密度ρ及傳播速度v差異，反映出不同的聲學(xué)反射特征，在反射界面處產(chǎn)生比較亮的反射條紋，并且同一地層會(huì)產(chǎn)生明顯的同向軸。

淺地層剖面探測(cè)可根據(jù)以上聲波的反射理論，來(lái)實(shí)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的探測(cè)及識(shí)別。

2 儀器設(shè)備

本文海底淺地層剖面探測(cè)均使用英國(guó)AAE 公司生產(chǎn)的CSP-D2400J震源為主的淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)。本探測(cè)系統(tǒng)由CSP-D2400J 震源、AA300發(fā)射板及托體、24 單元水聽器陣、Coda DA500 工作站組成，見圖2，指標(biāo)參數(shù)見表1。

圖2 探測(cè)系統(tǒng)

表1 設(shè)備參數(shù)指標(biāo)

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 設(shè)備安裝

在淺地層剖面探測(cè)作業(yè)時(shí)，將淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)的Boomer 發(fā)射裝置（震源）及接收裝置（水聽器）分別安裝在船舷左右兩側(cè)，并分別通過(guò)鋼管支出船舷拖曳，以避開船體的干擾。

將導(dǎo)航電腦、淺地層剖面探測(cè)采集系統(tǒng)全部安裝在測(cè)量船駕駛室內(nèi)。安裝完畢后，精確測(cè)量Boomer 發(fā)聲震源、水聽器及GPS 天線之間的相對(duì)位置關(guān)系，并做好記錄。安裝示意圖見圖3。

圖3 探測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖

3.2 工前試驗(yàn)

良好的數(shù)據(jù)采集是至關(guān)重要的。在淺剖測(cè)量正式作業(yè)前，需在測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)震源能量、拖曳長(zhǎng)度和水聽器間距、采集增益及工作船船速等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，選擇獲得最佳資料采集效果的參數(shù)設(shè)置。

3.3 正式采集

調(diào)試好儀器設(shè)備后，按照已布設(shè)測(cè)線進(jìn)行探測(cè)作業(yè)，探測(cè)作業(yè)時(shí)，要有專人實(shí)時(shí)照看采集設(shè)備并瞭望周圍海域狀況，確保采集數(shù)據(jù)清晰有效且不間斷并且保證船只在水域中安全。

3.4 數(shù)據(jù)復(fù)核

數(shù)據(jù)采集完成后，應(yīng)及時(shí)檢查所采集數(shù)據(jù)的定位信息是否有中斷、參數(shù)設(shè)置是否有錯(cuò)誤、航跡線與布設(shè)測(cè)線是否偏差過(guò)大，是否有漏測(cè)測(cè)線，如有以上情況，需要及時(shí)復(fù)測(cè)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及完整性。

4 數(shù)據(jù)處理

使用Coda 或SonarWiz-5 等專業(yè)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，步驟如下：

1）數(shù)字處理：包括基本增益和基本補(bǔ)償、TVG可變?cè)鲆妗⑺咨⑸鋲褐啤⒍啻尾▔褐啤⒃胍粝蛿?shù)字化濾波。

2）在原始映像圖上劃出清晰的反射界面，劃分反射界面應(yīng)遵循以下3 個(gè)原則：

同層的劃分應(yīng)反射連續(xù)、清晰，并可區(qū)域性追蹤；

不同層之間發(fā)射界面應(yīng)存在顯著差異；

主測(cè)線與檢查線交點(diǎn)處反射界面應(yīng)重合。

3）提取坐標(biāo)、高程等數(shù)據(jù)，水位變幅超過(guò)±0.5m時(shí)應(yīng)進(jìn)行高程校正。

4）根據(jù)聲波在水下探測(cè)層中的速度，計(jì)算水下各探測(cè)層厚度，并進(jìn)行層厚校正。

5）繪圖。

5 工程實(shí)例

廣東惠州某地因港區(qū)規(guī)模和泊位等級(jí)的提升，航道等級(jí)也急需提升。準(zhǔn)確確定海底強(qiáng)風(fēng)化巖頂面，為水域疏浚提供合理的資料支持成為本工程的重點(diǎn)。根據(jù)前期鉆孔資料顯示，上部覆蓋區(qū)多為淤泥質(zhì)土（未鉆到強(qiáng)風(fēng)化巖頂面），局部地區(qū)存在礁石，應(yīng)用淺地層剖面探測(cè)，成功地探測(cè)出了上部淤泥區(qū)厚度和強(qiáng)風(fēng)化巖頂面，為清淤方量及巖石炸礁量計(jì)算提供了有力支持。典型的探測(cè)映像圖見圖4。

圖4 惠州某航道典型淺地層剖面探測(cè)映像圖

廣東陽(yáng)江某地新建調(diào)峰儲(chǔ)氣庫(kù)碼頭，需對(duì)上部覆蓋層進(jìn)行探測(cè)，確定海底土層特性和厚度及強(qiáng)風(fēng)化巖頂面高程，應(yīng)用淺地層剖面探測(cè)作業(yè)，獲得典型的探測(cè)映像圖見圖5。

圖5 陽(yáng)江某碼頭典型淺地層剖面探測(cè)映像圖

本項(xiàng)目最終成果只劃分海底面、第一層、第二層及基巖面（圖5 中黑色線）幾個(gè)反射界面較明顯的地層，圖中藍(lán)色線劃出的地層反射界面清晰度較差且不連續(xù)，不是連續(xù)的地層，最終結(jié)果并未給出。

結(jié)合最終鉆孔勘察資料可知，海底與第一層為淤泥質(zhì)土等軟土層，第一、二大層之間為粉土、黏土、細(xì)砂等層，第二層和基巖頂面之間為中粗砂、殘積土及全風(fēng)化巖等土層。最終探測(cè)成果與鉆孔勘察成果吻合度較高，準(zhǔn)確性良好。

6 問(wèn)題分析及解決方法

淺地層剖面探測(cè)在數(shù)據(jù)采集和資料處理中，會(huì)有多種干擾因素的產(chǎn)生，不同的處理方法會(huì)影響數(shù)據(jù)的采集效果及處理結(jié)果。

6.1 數(shù)據(jù)采集的主要問(wèn)題及解決辦法

1）定位精度不準(zhǔn)確

產(chǎn)生原因：在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，震源激發(fā)和接收設(shè)備的拖曳會(huì)由于船體行進(jìn)過(guò)程中的拐彎、洋流、海浪等原因，造成定位的不準(zhǔn)確。

解決方法：盡量選擇側(cè)托或者利用合理的裝置把設(shè)備與船體固定、接收裝置盡量在背流的一側(cè)、選擇在海況、天氣較好的條件下作業(yè)。

2）機(jī)械波干擾

產(chǎn)生原因：數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于船體震動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)、螺旋槳與水流的沖擊、船速（航速＞7 節(jié)時(shí)，噪音顯著增大）等原因生成的震動(dòng)及噪音，會(huì)對(duì)采集數(shù)據(jù)造成一些低頻的干擾，使得探測(cè)圖像清晰度差。

解決方法:選用馬力較小的木船進(jìn)行探測(cè)作業(yè)、嚴(yán)格控制船速、盡量不要頂流作業(yè)。

3）電信號(hào)干擾

產(chǎn)生原因：數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)定、發(fā)射機(jī)的高壓電流、設(shè)備連接線的接觸不良及傳輸電纜的漏電等原因，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

解決方法：發(fā)電機(jī)輸出電壓要通過(guò)穩(wěn)壓器連接到設(shè)備，發(fā)電機(jī)及設(shè)備采集裝置要接地，各連接線直接盡量不要搭接，經(jīng)常對(duì)電纜進(jìn)行查看，保證其不會(huì)漏電。

6.2 數(shù)據(jù)處理中的主要問(wèn)題及解決辦法

1）直達(dá)波干擾

產(chǎn)生原因：信號(hào)由震源產(chǎn)生不經(jīng)過(guò)界面發(fā)射直接到達(dá)接收裝置而成，在探測(cè)圖像上，表現(xiàn)為與0線平行的一條直線，多出現(xiàn)在水深較淺的海域，會(huì)造成直達(dá)波與海底地層的發(fā)射界面重合的現(xiàn)象。

解決方法：淺地層剖面探測(cè)時(shí)，應(yīng)同步進(jìn)行水深探測(cè)，利用單波速水深探測(cè)的結(jié)果來(lái)識(shí)別海底。

2）多次波反射干擾

產(chǎn)生原因：由于水深條件、能量選擇、海底地層性質(zhì)及密實(shí)度的不同，聲波在兩個(gè)能量較強(qiáng)的發(fā)射面之間來(lái)回傳播產(chǎn)生，一般為水深的整數(shù)倍，多次反射往往比初次反射還要強(qiáng)。

解決方法：處理時(shí)利用預(yù)測(cè)反褶積法、參考當(dāng)?shù)劂@孔資料及區(qū)域地質(zhì)資料聯(lián)合判斷。

3）速度選擇不當(dāng)

產(chǎn)生原因：聲波在海底地層的傳播中，因海底以下土層的不均勻性，聲波在傳播的過(guò)程中并非以某一個(gè)固定速度傳播，而是時(shí)時(shí)刻刻在變化的。

解決方法：通過(guò)對(duì)鉆孔土層的擬合對(duì)比，盡量合理的選擇速度參數(shù)。

4）地層界面的選擇

產(chǎn)生原因：采集效果差，資料處理人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等因素。

解決方法：保證采集的映像圖清晰；對(duì)海底的追蹤參考同步測(cè)深資料或已有的測(cè)區(qū)海測(cè)圖；對(duì)海底以下土層，盡量選擇反射結(jié)構(gòu)基本相似且連續(xù)的界面，來(lái)劃分大層，劃分的大層應(yīng)與鉆孔資料進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果應(yīng)大體一致。再根據(jù)需求劃分細(xì)層，細(xì)層可能會(huì)與鉆孔資料不能一一對(duì)應(yīng)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)淺地層剖面探測(cè)的原理、采集和處理、產(chǎn)生的問(wèn)題及解決辦法做了描述。淺地層剖面探測(cè)比傳統(tǒng)鉆探更能在區(qū)域內(nèi)反映海底淺部的地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，為水域工程施工提供可靠的資料支持。

探測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明：淺地層剖面探測(cè)對(duì)區(qū)分淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土和強(qiáng)風(fēng)化巖頂面的項(xiàng)目中分辨率最好，對(duì)密實(shí)度差異較大的粉土、粘性土及砂類土的分辨率較好，對(duì)密實(shí)度差異較小的粉土、粘性土及砂類土的分辨率一般，對(duì)風(fēng)化巖及強(qiáng)風(fēng)化巖頂面的分辨率較差，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖之間的差異基本不能分辨，淺地層剖面探測(cè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要來(lái)選擇使用。