物探技術(shù)在水下管線探測(cè)中的應(yīng)用

陳軍，劉建軍

(1.上海京海工程技術(shù)公司，上海 200122； 2.上海東亞地球物理勘查有限公司，上海 201318)

物探技術(shù)在水下管線探測(cè)中的應(yīng)用

陳軍1，2?，劉建軍1

(1.上海京海工程技術(shù)公司，上海 200122； 2.上海東亞地球物理勘查有限公司，上海 201318)

簡(jiǎn)述了水域磁測(cè)、淺層剖面、側(cè)掃聲吶等物探方法的原理及工作方法，通過(guò)工程物探實(shí)例，展示了這些物探方法在水下管線探測(cè)中的應(yīng)用效果，并簡(jiǎn)要分析了這幾種方法的局限性。根據(jù)物探方法的適用性，合理地選擇將要實(shí)施的方法，取得了滿意的效果。

物探方法；水下管線；磁測(cè)；淺層剖面；側(cè)掃聲吶

1 引 言

近年來(lái)，為了發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)、改善交通，解決民生問(wèn)題，東海大橋等海域橋梁工程及跨江的大橋與隧道等項(xiàng)目陸續(xù)上馬。這些江海施工作業(yè)遇到水下管線的問(wèn)題越來(lái)越多，以東海大橋?yàn)槔?，大橋跨越?條埋設(shè)于海底的光(電)纜。水下管線特別是海底管線，因其特殊的地理環(huán)境造成海底管線施工后的資料與管線在海底的實(shí)際情況相差很大，而海上樁基施工等作業(yè)對(duì)海底管線要求比較高，如果沒(méi)有明確管線位置則可能造成重大工程事故。

目前，探測(cè)水下管線的主要方法為磁法勘探、淺層剖面勘探、側(cè)掃聲吶等物探方法。側(cè)掃聲吶主要探測(cè)裸露于水底面上的管線及采用開(kāi)挖溝槽施工且溝槽痕跡清晰可見(jiàn)的水下管線；淺層剖面則用于探測(cè)具有一定規(guī)模的水下管線，如水下的雨污水管、燃?xì)夤堋⒔o水管等；磁法勘探主要用于探測(cè)具有磁性異常的管線，如光(電)纜、鐵質(zhì)的給水、燃?xì)獾裙芫€。

2 物探探測(cè)原理

2.1 磁測(cè)原理

地球的基本磁場(chǎng)是一個(gè)位于地球中心并與地球自轉(zhuǎn)軸斜交的磁偶極子的磁場(chǎng)，在整個(gè)地球表面，都有磁場(chǎng)分布，而且磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁傾角、磁偏角隨地區(qū)的不同而變化，但對(duì)于某一工程，研究的是局部小范圍的磁場(chǎng)，我們可以把地磁場(chǎng)在該區(qū)域看作均勻分布的，一般在無(wú)鐵磁性物質(zhì)的土層中，其磁場(chǎng)強(qiáng)度就是地磁場(chǎng)，即背景場(chǎng)。自然界各種物體都受地磁場(chǎng)的磁化作用，在其周?chē)a(chǎn)生新的磁場(chǎng)，對(duì)鐵磁性物質(zhì)而言，由于其自身的磁化率非常高，它相對(duì)于其他物質(zhì)而言所表現(xiàn)出的磁性要強(qiáng)得多，這種磁場(chǎng)相對(duì)于天然磁場(chǎng)分布而言，稱(chēng)之為磁異常。由于各種物體的磁性不同，那么它產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也不同；物體空間分布的不同(包括埋深、傾向、大小等)，使其在空間磁場(chǎng)的分布特征也不同。由于探測(cè)范圍內(nèi)磁場(chǎng)的分布特征由該區(qū)內(nèi)的物體分布情況及空間位置來(lái)決定，通過(guò)用專(zhuān)門(mén)的儀器來(lái)測(cè)量、記錄測(cè)區(qū)磁場(chǎng)分布，根據(jù)所測(cè)得的磁場(chǎng)分布特征就可以推斷出地下各種磁性物體的形狀、位置和產(chǎn)狀。

任何物探方法都有一定的地球物理前提條件，磁測(cè)方法也不例外，當(dāng)其周?chē)休^強(qiáng)的干擾磁場(chǎng)時(shí)，測(cè)試的磁場(chǎng)不穩(wěn)定，測(cè)試效果差，無(wú)法獲得正確結(jié)論，因此必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、磁性差異和干擾情況，合理地選擇磁測(cè)方法及儀器設(shè)備。選擇磁測(cè)方法及儀器設(shè)備的原則是避開(kāi)強(qiáng)干擾場(chǎng)，壓制較弱干擾場(chǎng)，突出探測(cè)物體的磁異常。對(duì)于在水面上實(shí)施的磁測(cè)，采用加長(zhǎng)探頭距船體的距離，消除船體干擾磁場(chǎng)的影響，選擇海磁測(cè)試總場(chǎng)△T。

2.2 淺層剖面探測(cè)原理

淺層剖面是利用聲波在水中和水下地層中的傳播和反射特性來(lái)探測(cè)水底地層構(gòu)造。發(fā)射機(jī)給聲發(fā)射換能器一強(qiáng)功率電脈沖，從而在水中產(chǎn)生一個(gè)短促的聲脈沖，當(dāng)此探測(cè)脈沖在向下傳播途中遇到海底和各地層界面時(shí)，由于界面兩側(cè)聲阻抗的不同，而有一部分能量被反射回來(lái)，并被接收換能器所接收，反射聲信號(hào)在換能器中被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳入主機(jī)，經(jīng)信號(hào)處理、成圖，反映出地下各種地質(zhì)體的分布情況。

2.3 側(cè)掃聲吶探測(cè)原理

側(cè)掃聲吶是利用專(zhuān)用的探頭發(fā)射聲吶信號(hào)。聲吶探頭發(fā)出的信號(hào)呈扇形向下傳播，扇形在水平角方向?yàn)?.6°～1.9°，而在垂直角方向?yàn)?2°，當(dāng)聲吶信號(hào)到達(dá)江底時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射和散射。接收器接收來(lái)自江底的返回聲吶，儀器設(shè)備根據(jù)接收到的聲吶信號(hào)的時(shí)間及角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理就可以描繪出該扇形區(qū)域江底的相對(duì)深度變化，從而得到江底的地貌起伏情況和存在江底(海底)的沉船及其他近表面的物體等的具體位置、形態(tài)和尺寸。

3 水上工作方法

各種物探方法均采用連續(xù)測(cè)量的工作方式，測(cè)點(diǎn)定位采用動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)將物探儀器與GPS的定位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與定位的統(tǒng)一。各種方法均采用連續(xù)工作方式進(jìn)行，工作前把設(shè)計(jì)的航跡坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)中，施工時(shí)在工作艙和控制室分別設(shè)一航跡顯示屏，以便測(cè)量人員和船只駕駛員隨時(shí)注視和調(diào)整航向，船只的航跡圖同時(shí)顯示在屏幕上，便于測(cè)量人員根據(jù)航跡與測(cè)線的對(duì)比，隨時(shí)調(diào)整航向，確保航行測(cè)線滿足設(shè)計(jì)要求。定位時(shí)，將動(dòng)態(tài)GPS接收探頭置于船中心，信標(biāo)接收機(jī)置于工作艙中，為保證工作精度，定位采用差分方法，同時(shí)將動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)收到的信號(hào)經(jīng)差分計(jì)算之后，輸入到各測(cè)量設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位目的。同時(shí)，為了消除潮位的影響，需要在測(cè)區(qū)附近進(jìn)行潮位觀測(cè)，潮位觀測(cè)每10 min一次，早于物探作業(yè)開(kāi)始，晚于物探作業(yè)結(jié)束。

3.1 磁法探測(cè)水上工作方法

水域探測(cè)主要受測(cè)試船本身的發(fā)動(dòng)機(jī)、船體等金屬物質(zhì)的磁場(chǎng)影響，因此選用噸位較小的木船，拖纜長(zhǎng)度通過(guò)試驗(yàn)定為50 m，削弱了船體的影響。選用海上磁測(cè)方法探測(cè)海底光、電纜產(chǎn)生的磁異?！鱐，通過(guò)對(duì)測(cè)試的線狀局部磁異常及地質(zhì)背景磁場(chǎng)的分析，確定光、電纜的形態(tài)、走向及具體位置。水域采用水域?qū)Ｓ玫母呔却帕x，測(cè)量參數(shù)為△T。為保證工作精度，數(shù)據(jù)采樣率為10次/秒，船的航速控制在10.0 km/h內(nèi)，將保證至少20.0 cm左右的采樣點(diǎn)。在船上的操作員及時(shí)記錄測(cè)線周?chē)拇煌ê郊案浇哆叺膶?shí)際情況，以排除由于過(guò)往船只或附近磁性物體的影響，同時(shí)記錄測(cè)線號(hào)及本測(cè)線的開(kāi)始工作時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。當(dāng)天工作結(jié)束或本測(cè)線工作結(jié)束后，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行處理。

3.2 淺層剖面探測(cè)水上工作方法

淺層剖面勘查的聲波震源為水下拖曳的電火花聲源系統(tǒng)，該系統(tǒng)和接收器以固定的間距(0.5 m左右)裝在同一容器中，習(xí)慣上稱(chēng)之為拖魚(yú)。工作時(shí)將拖魚(yú)放入水中，通過(guò)信號(hào)電纜和裝在船上的信號(hào)采集器相連接。淺層剖面工作采用船側(cè)懸掛式工作方式，發(fā)射和接收探頭被固定在船側(cè)水下2.0 m深處，工作頻率為2 kHz～7 kHz，掃描長(zhǎng)度32 ms。工作中連續(xù)采樣、實(shí)時(shí)顯示。室內(nèi)對(duì)實(shí)際的測(cè)量資料進(jìn)行航跡分析、測(cè)線定位、帶通濾波、縱向?yàn)V波等處理。

3.3 側(cè)掃聲吶探測(cè)水上工作方法

該方法是將側(cè)掃聲吶掃描拖曳探頭放入水中，并固定在船側(cè)進(jìn)行工作，拖纜長(zhǎng)度一般小于50.0 m。為增加分辨率，工作頻率為325 kHz，脈沖長(zhǎng)度小于0.01 ms。水平聲速角為0.6°，垂直聲速角為32°。工作過(guò)程中，量程一般設(shè)置為50.0 m。通過(guò)處理器將側(cè)掃數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示在監(jiān)視器上，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄在硬盤(pán)上并實(shí)時(shí)打印記錄。側(cè)掃聲吶工作采用船側(cè)懸掛式工作方式，側(cè)掃聲吶探頭吊掛在船側(cè)水下3.0 m深處，隨著船的運(yùn)動(dòng)，側(cè)掃探頭在尾槳的作用下呈水平狀。

圖1 側(cè)掃聲吶工作示意圖

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 磁法探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例為筆者采用磁法探測(cè)技術(shù)在蘆洋大橋(現(xiàn)稱(chēng)東海大橋)成功探測(cè)海底光電纜的資料。數(shù)據(jù)處理以測(cè)線剖面處理為主，平面處理為輔。對(duì)進(jìn)行分析的磁測(cè)剖面依次進(jìn)行圓滑、插值、網(wǎng)格化處理，然后對(duì)所得剖面的磁異?！鱐進(jìn)行化極處理、求取其導(dǎo)數(shù)等處理，轉(zhuǎn)化為磁異常梯度。綜合磁異常曲線、磁異常梯度曲線，進(jìn)行極值點(diǎn)與拐點(diǎn)的分析研判，確定單個(gè)異常點(diǎn)(光、電纜)位置。多條測(cè)線平行排列，就構(gòu)成磁異常的平剖面圖，把多條測(cè)線的解釋結(jié)果相連就構(gòu)成光、電纜的線位。同時(shí)，把全部有用的磁測(cè)數(shù)據(jù)按其平面坐標(biāo)，繪制磁異常平面圖，并分別進(jìn)行化極處理、向上延拓、向下延拓，以達(dá)到壓制干擾、突出異常的目的。

圖2為1431測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁測(cè)剖面圖，其中實(shí)線為實(shí)測(cè)磁異常曲線，異常形態(tài)特征為以負(fù)異常為主、正異常為輔，正負(fù)異常間有較明顯的梯度變化，負(fù)異常寬度約為60.0 m，各測(cè)線的負(fù)異常的幅值在－1100 nT～－1500 nT之間，正異常幅值在600 nT～800 nT之間。與無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體正演異常結(jié)果相比，梯度相對(duì)變化較緩，負(fù)值相對(duì)寬度較大、幅值較大，推斷該異常為疊加異常，直接從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中較難推斷出電纜的位置。經(jīng)過(guò)對(duì)磁異常向下延拓8.0 m、化向磁赤道，經(jīng)計(jì)算得到剩余磁場(chǎng)異常(圖中虛線部分)，虛線圖中出現(xiàn)了明顯的正、負(fù)峰值，中間有一平臺(tái)，已經(jīng)將疊加異常很好的分離，推斷極大值和極小值所對(duì)應(yīng)的位置為方向相反的兩條動(dòng)力電纜的位置。

圖2 1431測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖

圖3 為6397測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖，其中實(shí)線為實(shí)測(cè)磁異常曲線，正異常峰值明顯，正負(fù)異常間有較明顯的梯度變化。與無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體正演異常結(jié)果相比，受斜磁化的影響曲線形態(tài)不對(duì)稱(chēng)，推斷為一根動(dòng)力電纜引起的，為了準(zhǔn)確推斷出電纜的位置，通過(guò)對(duì)磁異常做了向下延拓8.0 m、化向磁赤道，并計(jì)算出剩余磁場(chǎng)異常(圖中虛線部分)，圖中正極值所對(duì)應(yīng)的位置為動(dòng)力電纜的位置。

圖3 6397測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖

4.2 淺層剖面探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例為筆者采用淺層剖面技術(shù)在黃浦江探測(cè)合流污水倒虹管獲得的資料。在某越江隧道工程的綜合物探中，在淺層剖面的實(shí)測(cè)剖面圖上，發(fā)現(xiàn)的異常中，有不少異常反映的深度基本一致，而且這些異常的分部基本呈一條直線，根據(jù)這些異常并結(jié)合已知資料得知，這些異常正是排在一起的兩根直徑大于2 000 mm的合流倒虹管的反映。圖4為淺層剖面上反映該合流倒虹管的異常點(diǎn)之一。

圖4 合流倒虹管的淺層剖面探測(cè)原始圖

4.3 側(cè)掃聲吶應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例為上海京海工程技術(shù)公司上級(jí)單位中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所采用側(cè)掃聲吶探測(cè)得到的資料。圖5是一段裸露于海底面上的電纜的側(cè)掃聲吶圖像。該電纜為多年前采用水力噴射埋設(shè)方式鋪設(shè)，但是由于鋪設(shè)時(shí)未能準(zhǔn)確地將該電纜放入噴射處溝槽內(nèi)，從而導(dǎo)致該電纜露在海底面上。

圖5 海底管線的側(cè)掃聲吶圖像

5 結(jié) 論

通過(guò)前文所列探測(cè)實(shí)例，我們可以看出應(yīng)用磁測(cè)、淺層剖面、側(cè)掃聲吶對(duì)水下管線進(jìn)行探測(cè)的效果比較明顯。應(yīng)用這三種物探方法基本能夠探明水下管線的狀況。同時(shí)，這幾種物探方法的局限性也十分明顯。對(duì)于埋于水底面以下的管線，側(cè)掃聲吶是無(wú)法探測(cè)出來(lái)；而對(duì)于水底面以上光(電)纜，應(yīng)用淺層剖面則無(wú)法達(dá)到探測(cè)目的；對(duì)于磁信號(hào)干擾強(qiáng)烈區(qū)域的水下管線則不能應(yīng)用磁測(cè)進(jìn)行探測(cè)。因此，在實(shí)施水下管線探測(cè)工作前，應(yīng)充分分析已有資料，了解管線的性質(zhì)、規(guī)模，調(diào)研其埋設(shè)方式，然后再根據(jù)各物探方法的適用性來(lái)選擇合適的一種或多種物探方法實(shí)施探測(cè)工作。

[1] 劉建軍.磁法勘探技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)與商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，2009，46:241～244

[2] 肖都.海洋物探方法技術(shù)在工程勘查領(lǐng)域的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2007，29(1):280～284

[3] 劉建軍，馬文亮，盧秋芽等.工程物探在地鐵越江隧道勘查中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2007，29(1):275～279

[4] 劉建生，馬蔭生，錢(qián)耀中.物探技術(shù)在大橋建設(shè)工程中的應(yīng)用[J].上海地質(zhì)，2006，(2):1～4

[5] 劉保華，丁繼勝，裴彥良等.海洋地球物理探測(cè)技術(shù)及其在近海工程中的應(yīng)用[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2005，23(3): 374～384

The Application of Geophysical Technology in the Detection of Underwater Pipeline

Chen Jun1，2，Liu JianJun1
(1.Shanghai Jinghai Geo－Technique Commoany，Shanghai 200122，China；2.Shanghai East Asia Geophysical Exploration Co.，Ltd.Shanghai 201318，China)

The paper introduces principles of the magnetic surveys，shallow profile，side－scan sonar geophysical prospecting methods and working methods in water areas.With cases of engineering geophysical prospecting show application effects of these geophysical methods in underwater pipeline detecting and a brief analysis limitations of the several methods.Based on the applicability of geophysical methods，reasonably selected geophysical methods to be implemented。Some quite satisfactory results were obtained.

geophysical methods underwater pipeline；magnetic surveys；shallow profile；side－scan sonar

1672－8262(2011)01－156－03

P631

B

2010—06—20

陳軍(1979—)，男，工程師，主要從事工程物探、工程檢測(cè)及工程監(jiān)測(cè)的應(yīng)用與研究工作。