單波束及淺地層剖面測量技術(shù)的應(yīng)用

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 劉曉建

0 前言

上海液化天然氣項(xiàng)目海底輸氣管道口徑為914.4 mm(36英寸)，總長度為35.86 km，是目前為止國內(nèi)口徑最大的海底管線。該項(xiàng)目海底管線施工采用專用鋪管船進(jìn)行鋪設(shè)，然后用挖溝施工船采用高壓沖水方式挖出滿足設(shè)計(jì)深度的管溝，使管道在重力的作用下沉到溝里，繼而自然回填。管溝的深度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求將直接影響海底管道的穩(wěn)定性與安全性，因此如何準(zhǔn)確探測出海底管線的鋪設(shè)狀態(tài)顯得非常重要。

由于探測作業(yè)和挖溝作業(yè)的不同步性，由于海流的作用，不同的區(qū)段就會(huì)出現(xiàn)管道在管溝內(nèi)裸露和被淤泥掩埋同時(shí)并存的情況。因此，對于管道在溝內(nèi)的不同情況必須采用不同的探測方法。在本次工程探測中，對裸露的管線采用單波束測深儀測量海床面和管頂?shù)乃畹贸龉芫€埋深；對埋藏在海底的管線采用淺地層剖面儀探測得出管線位置和埋深，或者淺地層剖面儀與單波束測深儀結(jié)合使用來探測管線掩埋狀態(tài)。

1 單波束及淺地層剖面測量技術(shù)原理

1.1 單波束測深儀進(jìn)行管線探測的原理

單波束測深系統(tǒng)通常包括單波束測深儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。早在上世紀(jì)30年代，單波束測深儀就已經(jīng)出現(xiàn)，但是當(dāng)時(shí)主要的水深測量方法還是以鋼線垂直測量為主，直到上世紀(jì)50、60年代經(jīng)過二次世界大戰(zhàn)軍事科技的推波助瀾才逐漸成熟。其原理為：由換能器向水中發(fā)射一個(gè)具有一定空間指向性的短脈沖聲渡(波束)，聲波在水中傳播，遇到海底后，發(fā)生反射、透射和散射.反射回來的回波被換能器接收，已知換能器發(fā)射和接收到回波的時(shí)間間隔ΔT與聲波在水體中的平均傳播速度v，就可以按照下式計(jì)算出聲波的單程旅行距離：

式中：D—換能器到海底的距離水深，m；

v—聲波在水體中的平均傳播速度，m/s；

?T—聲波往返兩次穿過水層的時(shí)間，s。

重復(fù)這一過程就可以對水深進(jìn)行連續(xù)測量。單波束測深儀的工作原理與垂直收發(fā)的地震勘探方法很相似。

同樣，測深儀發(fā)射的聲波遇到海底管道時(shí)同樣會(huì)發(fā)生反射和散射，換能器接收到管道回波后就會(huì)同時(shí)保存在模擬記錄和數(shù)字記錄中，內(nèi)業(yè)處理中結(jié)合模擬記錄和數(shù)字記錄進(jìn)行分析就可得到管線掩埋狀況和管道位置。

1.2 淺地層剖面儀的工作原理

淺地層剖面儀主要由接收/發(fā)射機(jī)、拖魚、連接電纜、記錄儀及后處理設(shè)備組成。海底淺地層剖面儀工作方式與測深儀相似,工作頻率較低，測深儀只能測量換能器到海底的水深，而淺地層剖面儀不僅能測量換能器到海底的水深，還能探測換能器垂直下方的海底一定深度，反映海底地層分層情況和各層底質(zhì)的特征。淺地層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，聲波傳播的聲能逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡為止。測量地層厚度,實(shí)際是測量聲波穿透地層傳播的時(shí)間，如ΔT表示地層上下兩個(gè)界面之間的時(shí)間差，即聲波往返兩次穿過該地層上下兩個(gè)界面的時(shí)間，c表示該地層的聲速，這樣就可按下式算出該地層厚度：

式中：w—地層厚度，m；

c—地層聲速，m/s；

?T—聲波往返兩次穿過地層的時(shí)間，s。

2 海上測量作業(yè)實(shí)施

2.1 海域平面及高程控制技術(shù)

2.1.1 平面控制

由于管線探測工作都是水上作業(yè)，在利用單波束和淺剖進(jìn)行海底管線探測時(shí)，我們一般都采用GPS來進(jìn)行平面定位。

平面定位主要分3種方式：

(1)RBN-DGPS方式；

(2)RTK-DGPS方式；

(3)星站差分定位方式。

對管線絕對位置要求較高(cm級(jí)定位精度)的海底探測項(xiàng)目應(yīng)采用RTK-DGPS方式，其定位測高的精度較高。由于要架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，調(diào)查費(fèi)用相對高些，同時(shí)考慮到GPS基準(zhǔn)站控制范圍及海上客觀條件的影響，其適用于沿海距離較近的區(qū)域。

海上作業(yè)范圍較大，處于遠(yuǎn)海作業(yè)時(shí)，應(yīng)采用星站差分定位方式，由于其在海上使用費(fèi)用較高，一些大的海上石油勘探公司用得多些。

對管線絕對位置要求相對稍低(dm級(jí))的沿海工程項(xiàng)目可采用RBN-DGPS方式進(jìn)行平面定位。本次作業(yè)采用的RBN-DGPS定位方式，使用RBN-DGPS信標(biāo)接收機(jī)接收交通部大戢山無線電差分站的差分信號(hào)進(jìn)行定位。

2.1.2 高程和水位控制技術(shù)

水深測量的精度直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而合理的潮位控制是得到準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)的重要保障，高程和水位應(yīng)該采用工程所在附近的驗(yàn)潮站進(jìn)行水深改正。

高程基準(zhǔn)一般選用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，水深?shù)據(jù)必須經(jīng)過潮位改正進(jìn)而換算到當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵婊鶞?zhǔn)面下的水深值。本次探測作業(yè)選用的基準(zhǔn)與國家85高程基準(zhǔn)的關(guān)系見圖1。

圖1 當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵媾c國家高程基準(zhǔn)面關(guān)系示意

根據(jù)海域特點(diǎn)，本次調(diào)查使用了蘆潮港和小洋山兩個(gè)臨時(shí)驗(yàn)潮站，建立臨時(shí)驗(yàn)潮站的同時(shí)，在每個(gè)驗(yàn)潮站附近埋設(shè)工作水準(zhǔn)點(diǎn)，工作水準(zhǔn)點(diǎn)高程采用Leica公司數(shù)字水準(zhǔn)儀DNA10從水準(zhǔn)點(diǎn)按四等水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行高程引測，驗(yàn)潮站零點(diǎn)高程從工作水準(zhǔn)點(diǎn)上接測。

水域測量時(shí)，驗(yàn)潮采用人工驗(yàn)潮的方式進(jìn)行，每10 min讀數(shù)一次，讀數(shù)精確到cm。水位觀測于測量前10 min開始觀測，測量結(jié)束后10 min結(jié)束觀測。

2.2 測量范圍及測線布設(shè)

測線的布設(shè)直接影響管線的測量，一般來說測線布設(shè)間距必須控制在管線允許的懸跨范圍內(nèi)，管道軸線兩側(cè)的測量范圍能夠較好的覆蓋整個(gè)管溝，上海液化天然氣項(xiàng)目海底管線管道允許懸跨的距離為40 m左右，故測線布設(shè)間距選擇為30 m一個(gè)斷面。為了覆蓋整個(gè)管線的溝寬，管道軸線兩側(cè)各取50 m范圍。

2.3 測量過程實(shí)施

在測量前，必須按規(guī)范要求進(jìn)行工前儀器比對，同時(shí)校對驗(yàn)潮人員與測量人員的北京時(shí)間，確認(rèn)無誤后方可實(shí)施測量。

在實(shí)際檢測過程中，應(yīng)隨時(shí)標(biāo)示出海底管線的大致位置，便于內(nèi)業(yè)人員處理資料。如發(fā)現(xiàn)海底管線出露或懸空時(shí)，即在該測線兩側(cè)各加一條加密測線，直至準(zhǔn)確控制其出露或懸空范圍?，F(xiàn)場初步解釋管道狀態(tài)，及時(shí)提供管道懸空、出露狀態(tài)的有關(guān)信息和數(shù)據(jù)。

2.3.1 單波束水深測量作業(yè)

在本次的調(diào)查中，單波束測深儀采用了較為先進(jìn)的加拿大產(chǎn)Knudsen engineering 320M測深儀。20M回聲測深儀應(yīng)用高頻或低頻通道，或兩者同時(shí)使用，頻率3.5～250 kHz。320M顯示出高分辨率的記錄，量程0～100 m，分辨率為1 cm，用32級(jí)灰度功能可以精確地描繪出海底剖面和海底以下沉積層的結(jié)構(gòu)。熱敏式打印機(jī)可以用 21.6 cm(8.5″)塑膠打印紙，確保得到永久性和高質(zhì)量的記錄, 通過串行口校正數(shù)據(jù)可記錄于內(nèi)存中。

測量時(shí)將單波束換能器與定位天線安裝于一處，并測定船舶吃水和換能器吃水，安裝后按要求與GPS進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，確認(rèn)GPS輸送給測深儀的同步注記信號(hào)正常。

本次調(diào)查使用美國HYPACK公司的HYPACK MAX專用測量軟件進(jìn)行進(jìn)行導(dǎo)航并在測量過程中實(shí)時(shí)采集 GPS定位數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)。定位采用Trimble DSM232信標(biāo)機(jī)接收設(shè)在大戢山的無線電差分站的差分信號(hào)，數(shù)據(jù)采集時(shí)實(shí)時(shí)查看其差分鎖定情況，確保數(shù)據(jù)采集的整個(gè)過程中都能收到較穩(wěn)定的差分信號(hào)。

在每條測線上當(dāng)單波束測深儀的換能器通過管頂上方水面區(qū)域時(shí)，測量船的船速都應(yīng)當(dāng)控制得比較慢，一般在3～4節(jié)左右，這樣能夠在每條斷面上管線埋設(shè)的溝槽部位采集到更多的數(shù)據(jù)，有利于內(nèi)業(yè)處理中對管線位置的判讀，同時(shí)把測深紙記錄速度調(diào)到最快，這樣管線埋設(shè)溝槽的位置能在測深紙上打印得更加清楚。

2.3.2 淺地層剖面儀作業(yè)

在本次施工的調(diào)查中，淺地層剖面儀是由美國Benthos公司生產(chǎn)的Chirp III型淺地層剖面勘探的儀器。Chirp III具有重量輕，方便攜帶和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，可在小船上應(yīng)用。系統(tǒng)的設(shè)置十分方便，可以使用多種拖魚和震源源，Chirp III是一個(gè)雙頻同時(shí)工作系統(tǒng)，使用的頻率范圍為：2～7 kHz 和10～20 kHz。選擇不同的頻率及Chirp帶寬可以讓用戶按照所需要的水底沉積物探測深度和對沉積物/物標(biāo)的分辨率來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。適用于淺部地層的詳細(xì)分層及目標(biāo)探測，能較好的反映海底管線的出露、懸空及埋深情況。

淺剖設(shè)備須嚴(yán)格按要求進(jìn)行安裝，并且與導(dǎo)航定位系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，使導(dǎo)航定位輸出的信號(hào)在淺剖系統(tǒng)中正常接收。

本次測量采用Sonar Wiz. MAP軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用HYPACK MAX6.2專用測量軟件進(jìn)行導(dǎo)航。每次到達(dá)工區(qū)測量時(shí)做好試驗(yàn)，設(shè)置最佳的工作參數(shù)，保證測量質(zhì)量。記錄儀器工作參數(shù)、換能器與定位天線的相對位置。在作業(yè)中盡可能保持船速低、勻速直線航行。

淺地層剖面儀的數(shù)據(jù)經(jīng)后處理輸出圖像，在模擬剖面記錄上，判讀海底管線的狀態(tài)，獲取海底管線的位置和掩埋、出露等數(shù)據(jù)，描述并分析海底管線的狀態(tài)，以及可能存在的各種不利因素對海底管道的影響。

3 測量數(shù)據(jù)分析

3.1 單波束數(shù)據(jù)分析

通過HYPACK MAX6.2軟件的單波束數(shù)據(jù)處理模塊對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，加入潮位文件，并剔除假水深，形成編輯文件。使用編輯后的斷面數(shù)據(jù)文件結(jié)合探測記錄的模擬信號(hào)來判讀管頂坐標(biāo)、管頂水深、左右兩邊海床面水深、溝底深度等，其中海床深度等于左邊海床水深及右邊海床水深的平均值，管線的埋深即是管頂?shù)乃钪禍p去平均海床面水深所得到的值，然后通過溝底的水深減去管頂?shù)乃钪档玫焦茼斨翜系椎纳疃取?/p>

3.1.1 管道頂點(diǎn)位置的確定

管道的頂點(diǎn)在探測時(shí)不發(fā)生變形，模擬記錄上得到的管道反射曲線的頂端就是管道的管頂位置。管道的位置可以通過檢索垂直剖面上的極值點(diǎn)獲得，單波束模擬的地形剖面圖2至圖5分別代表海底管道相對于海底的幾種位置情形，圖中海底管道箭頭所指凸起的頂端就是海底管道管頂?shù)奈恢谩?/p>

圖2 管道敷設(shè)在海床面的地形剖面

圖3 管道穿越管溝的地形剖面

圖4 管道穿越管溝的地形剖面

圖5 被完全掩埋的管道地形剖面

3.1.2 管道掩埋狀況的判斷

管道掩埋狀態(tài)可用垂直于海底管道的海底地形剖面來表示。通常情況下，海底管道的管徑是已知的，這樣就可以通過管道頂部和平均海床面的距離來判斷管道掩埋的狀態(tài)。如果海底管道直接敷設(shè)在海底面，并且呈一定的裸露狀態(tài)，那么單波束就非常容易檢測到海底管道，如圖 2，并且可以認(rèn)為地形剖面上的最大值就是管道頂部。如果海底管道敷設(shè)在管道溝中，情況較復(fù)雜，圖3和圖4分別代表垂直管道溝測線的海底地形剖面，在這些位置，海底管道其實(shí)都是裸露在海底管道溝中，換句話說，就是海底管道溝并沒有被完全自然回填；圖 5代表管道被完全掩埋，圖中識(shí)別不出海底管道，需要借助淺地層剖面儀等物探設(shè)備來進(jìn)一步探測管道溝中的管道。

3.1.3 管道懸空狀態(tài)的判斷

海底管道懸空與否是海底管道檢測中需要查明的重要問題之一，由于水深記錄上的管道具有側(cè)向變形，管道溝也因溝壁的變形和溝底數(shù)據(jù)的缺少而變淺變窄，只靠單波束測深儀器本身難以給出全面的判斷。在水深記錄上，如果管頂至海底的垂向距離大于管徑，就可以斷定管道處于懸空狀態(tài)。

3.2 淺剖儀測量數(shù)據(jù)分析

通常淺剖圖像在管線位置會(huì)產(chǎn)生管線的一個(gè)反射弧(類似拋物線線形式)，此時(shí)在管線反射弧的頂端即為實(shí)際的管線位置，通過查找該點(diǎn)的位置來作為管線的實(shí)際位置，管線的埋深通過標(biāo)尺量取管線頂端到海底表面之間的距離來作為實(shí)際管線的埋深。圖6至圖9為部分有代表性的淺地層剖面圖像。

圖6 淺地層剖面1

圖7 淺地層剖面2

圖8 淺地層剖面3

圖9 淺地層剖面圖4

通過圖像可以直觀地看出管道掩埋狀態(tài)，圖6、圖9中管道已被回填土完全掩埋；圖7中管道敷設(shè)在海床面上；圖8中管道敷設(shè)在管道溝內(nèi)，沒有被自然回填，裸露在溝中。

4 結(jié)論

單波束測深技術(shù)是通過測量管道與海底面的相對高差來探測海底管道掩埋狀況的，對尚未完全掩埋的海底管道，可以使用單波束測深技術(shù)確定管線位置和掩埋狀況，對完全掩埋的海底管道無效。要分析完全掩埋的海底管道的狀況，需要配合淺地層剖面儀等物探設(shè)備進(jìn)行探測。使用淺地層剖面儀對管道掩埋狀態(tài)進(jìn)行探測，彌補(bǔ)了單波束技術(shù)的局限性，是一種有效的海底管道綜合狀態(tài)調(diào)查手段。

單波束測深儀結(jié)合淺地層剖面儀在上海液化天然氣項(xiàng)目一期工程海底管線施工項(xiàng)目中充分發(fā)揮了設(shè)備自身的特點(diǎn)，完成了對管線狀態(tài)的準(zhǔn)確探測，形成了對管線狀態(tài)測量及數(shù)據(jù)處理的一整套方法和流程。也為以后管線綜合探測提供了一種切實(shí)可行的方案。