淺地層剖面技術(shù)在水庫淤積探測中的應用

崔雙利，馬麗麗，劉元鋒，李 沖，劉 慧，王一地

(1.遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003；2.遼寧江河水利水電設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 淺地層剖面技術(shù)原理

淺地層剖面技術(shù)是基于水聲學原理，通過探測器連續(xù)發(fā)射聲波在水下及水底沉積層傳播，對接收到反射信號進行處理，獲得水底淺部地層介質(zhì)聲學特性，從中分析得到關(guān)于水底地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。以往使用的探測器主要采用線性調(diào)頻脈沖Chirp淺剖聲吶[1]，其換能器大而笨重，對地層的分辨率低。目前普遍采用的是經(jīng)過線性調(diào)頻發(fā)展起來的非線性參量陣SBP剖面聲吶[2]，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波(即差頻波)[3]，大大地提高了淺剖設(shè)備的性能。

聲波在水中及水底沉積層傳播過程中，遇到聲阻抗變化界面發(fā)生反射。關(guān)于聲波在各層面反射強弱，張金成等[4]利用不同海灣多次試驗證實，聲波對于含水量比較大而稀軟的黏土層具有很強的穿透力和微弱的反射作用。聲波遇到海底面為砂層或基巖、風化殼類硬質(zhì)地層時難以穿透，反射十分強烈。通過測量聲波到達水底的時間和穿過水底兩界面地層之間的時間差，與水中聲速和地層的聲速乘積，算出水深和地層厚度。

2 水庫淤積探測應用

建于1974年的遼寧省柴河水庫是以防洪為主兼顧灌溉、發(fā)電、城市供水及養(yǎng)魚等綜合利用的大(2)型水庫。水庫建在遼河一級支流柴河上，流域面積1355 km2，最大壩高42.3 m，興利庫容為3.36億m3。自投入使用以來已運行40余年，其間經(jīng)歷了多次較大的洪水，流域內(nèi)的山體、河床遭到不同程度沖刷，大量的泥沙帶入庫區(qū)，降低了水庫的蓄水能力，改變了水庫的庫容曲線，給水庫的調(diào)度工作帶來了不利影響。按照《水庫水文泥沙觀測規(guī)范》(SL 339—2006)[5]對水庫淤積測量的要求，本次采用SES-2000 light plus參量陣淺地層剖面儀對水庫淤積進行測量。以獲取發(fā)生變化的水庫泥沙淤積總量及分布狀態(tài)等數(shù)據(jù)，為制定水庫合理地運行、調(diào)沙及清淤方案奠定基礎(chǔ)。水上探測工作歷時10 d，共完成庫區(qū)15 km范圍內(nèi)76條測線的水下剖面數(shù)據(jù)采集。

2.1 數(shù)據(jù)處理及解釋

對得到的淺剖聲吶數(shù)據(jù)進行地質(zhì)解釋首先需要數(shù)據(jù)處理，然后進行地質(zhì)解釋和分析。數(shù)據(jù)處理包括增強有效信息，抑制隨機噪音，壓制非目標體的雜亂回波，提高圖像的信噪比和分辨率。此項工作通過處理軟件完成。淺地層剖面的圖像解釋是根據(jù)地層巖性變化反映在聲波阻抗變化上。凡聲波阻抗存在差異的界面上都能發(fā)生聲波反射[6]。對于砂層或基巖層等硬質(zhì)地層，聲波反射強烈甚至難以向下穿透，反映在圖像上為明顯線狀圖形；對于軟泥沉積層聲波穿透力強反射較弱，反映在圖像上為點或線狀的圖形特征，將這些具有相同特征的點和線連續(xù)在一起構(gòu)成軟泥沉積層的巖性界面。因此淺地層剖面探測所獲得剖面圖像是地層剖面的真實反映。

針對采集獲得的76條測線數(shù)據(jù)，處理后生成了各條測線水底剖面圖像和三維坐標數(shù)據(jù)。以某測線圖像為例作說明，如圖1所示。圖像中，水底層是高頻聲波形成反射面，即圖像顯示第一層；第二層是低頻(非線性差頻)聲波獲得的反射面，為水底淤積分層，厚度0.4～0.6 m。同時獲得的水底剖面各層的大地坐標、水底層深度、軟土淤積層深度及厚度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為進一步計算軟土淤積層體積，即庫區(qū)測量范圍內(nèi)淤積量提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 柴河水庫淺剖探測某測線剖面圖像

2.2 淤積量計算

淤積計算方法采用斷面法。根據(jù)淺剖聲吶測線斷面數(shù)據(jù)，計算兩斷面間相應水庫水位條件下，兩層至水面分別圍成的立體方量，而后通過兩層間方量的對比，獲得兩斷面間淤積量。如式(1)所示[7]，通過相關(guān)軟件完成淤積量計算。

(1)

式中：V為總淤積量，萬m3；Vi為第i個斷面到第i+1個斷面間淤積量，萬m3；Vyi為第i個斷面到第i+1個斷面間淤積層至水面體積，m3；Vdi為第i個斷面到第i+1個斷面間水底層至水面體積，m3。

由于淤積總量是探測剖面間各塊淤積量累加，其精度取決于探測時測線布置密度。通過對76條淤積剖面計算得出柴河水庫在100 m水位時，測區(qū)范圍內(nèi)淤積總量為704萬m3，約占水庫最大庫容的1.1%。同時將測區(qū)內(nèi)單塊淤積量及每塊平均面積淤積量進行排序，得到水庫淤積量較大和集中區(qū)域。淤積較嚴重位置在4～15#測線區(qū)間，淤積厚度在0.6～0.9 m左右，淤積量約占統(tǒng)計淤積總量的39%。

2.3 聲波鉆機取樣

庫底鉆孔取樣目的是針對淺剖探測結(jié)果，通過抽取庫底淤積地層原狀樣，驗證淺剖探測的準確性。水底取樣采用聲波鉆機完成。常規(guī)水底取樣設(shè)備適合在較堅硬和成巖較好的地層中，鉆取水底表層底泥極易擾動，聲波鉆進采用了超聲波能量耦合原理，將高頻振動力、回轉(zhuǎn)扭曲力和鉆進壓力三者和為一體，實現(xiàn)鉆進成孔工藝過程[8]，具有鉆進速度快、樣品連續(xù)、完整、低擾動等特點。

根據(jù)76條有效測線測於剖面分析結(jié)果，在整條測線淤積均較嚴重，淤積剖面起伏較大，或淤積剖面顯示河床底部分層效果不明顯的測線上進行鉆進取樣。共在淺剖7條測線上，布置10個水底取樣孔。通過淺剖測得剖面數(shù)據(jù)提取每個取樣孔點坐標，聲波鉆機水上取樣作業(yè)首先依靠GPS定位系統(tǒng)找到取樣點位置，再拋錨定位水上作業(yè)平臺進行取樣作業(yè)(如照片1所示)。

取得樣品裝在透明的硬質(zhì)塑料取樣管內(nèi)，取樣管長3.0 m，直徑0.56 m。底泥樣品從取樣管提取是在實驗室進行的。樣品提取過程中進行深入細致的地質(zhì)描述。提取樣品分三段，第一段(取樣管最上層)為黑色稀泥(有機物)水狀物質(zhì)，第二段(中間層)為污染成黑色的粉細砂，該兩段進行化學性能指標試驗，第三段(底層)為未被污染原狀細砂。

2.4 取樣結(jié)果與淺剖結(jié)果對比分析

(1)同一位置水底高程比較。通過比對淺剖探測和鉆孔取樣在同一位置兩者的水底高程值，從而以鉆具下到水底位置水深驗證淺剖聲吶測得水底深度的準確性。兩者比對及差值結(jié)果見表1。差值為正表明鉆具下到水底位置位于淺剖測值下方，負值表明鉆具下到水底位置位于淺剖測值上方。通過比對兩者差值最小值為-0.08 m，最大值為0.21 m，多數(shù)在0.1～0.2 m區(qū)間且為正值，表明鉆具測值要比淺剖測值深些，這跟鉆具靠自重下到水底時，慣性作用使鉆具貫入底泥一定距離有關(guān)。從比較結(jié)果分析，試驗階段庫水位在100 m高程，各位置水深測值介于3～20 m之間，兩者測深誤差率在5.8%～0.7%之間，多數(shù)誤差率<2%，說明以鉆具取樣過程中測得水底高程，來驗證淺剖聲吶探測得到水底高程結(jié)果較為接近，證明淺地層剖面聲吶高頻探測水深結(jié)果是準確可靠的。

表1 淺剖與鉆孔取樣水底高程及淤積厚度對比 m

(2)同一位置淤積厚度比較。同樣將取樣管量測的水底淤積厚度值與淺剖聲吶測得淤積厚度值比較，可以驗證淺剖探測淤積厚度結(jié)果的準確性。通過對同一位置兩種方法獲得淤積厚度值比較(詳見表1)，從中看出兩者厚度差值范圍在0.02～0.27 m之間，基本上同一處淤積厚度值是接近的。差值偏離較大者如2#孔的0.27 m，經(jīng)分析除取樣管樣品分層產(chǎn)生誤差外，還有2#孔實際取樣位置與淺剖測點位置坐標有偏差，導致位置不同水底淤積厚度值不同。但整體驗證得到淺剖聲吶低頻探測水底淤積層厚度結(jié)果是較準確的。

3 結(jié) 論

(1)通過淺剖聲吶探測，該庫水底淤積層測線剖面分層清晰，界面處有較強呈不連續(xù)點或線狀反射，形成各剖面厚度不等的淤積層，嚴重區(qū)域厚度達0.6～0.9 m。通過聲波鉆機取樣查明該層巖性為呈黑色泥狀粉細砂(取樣管一、二層)，以下為原地層細砂。

(2)探測精度比較：水底取樣進一步驗證了淺剖聲吶高頻波探測水深、差頻波探測淤積層厚度誤差均較小，證明淺地層剖面技術(shù)探測水庫淤積是準確可靠的。

(3)探測效率比較：柴河水庫2009年由于受到技術(shù)水平和設(shè)備能力限制，采用鑿冰眼下探尺的測量方法，冬季測量整個庫面76條測線耗時近3個月，20余人參與。而使用淺地層剖面儀探測同樣多測線，僅用5～6人10 d內(nèi)完成。測量費用僅是原來的1/3。因此應用淺地層剖面儀探測只需較短的時間和較少的費用便獲得水庫現(xiàn)狀淤積數(shù)據(jù)，達到了快速準確探測水庫淤積的目的。為水庫淤積測量提供一種技術(shù)先進且數(shù)據(jù)可靠的新方法。