管溝對(duì)淺地層剖面圖影響的多弧現(xiàn)象形成分析

劉杰，張彥昌，韓德忠

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

管溝對(duì)淺地層剖面圖影響的多弧現(xiàn)象形成分析

劉杰，張彥昌，韓德忠

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

摘要：為保證海底管線的安全，在海底管線外部調(diào)查中，獲得管線的平面位置、埋深、裸露或懸跨高度是調(diào)查的重要內(nèi)容，淺地層剖面儀可以有效地解決這一問(wèn)題［1］。一些管溝明顯地區(qū)，管線儀調(diào)查得到的管線圖像出現(xiàn)多重線弧線現(xiàn)象，對(duì)管頂面的判別，管頂位置及管線埋深、裸露、懸跨高度的判斷造成困難，文章結(jié)合海底管線鋪設(shè)方法以及淺地層剖面儀工作原理，采用分解分析多重線弧狀態(tài)的形成機(jī)理，并提出了在多弧現(xiàn)象中辨別管頂面以及管溝底的方法，以提高管線剖面資料處理的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：管溝；管線儀；剖面圖像

在海底管道鋪設(shè)后，將挖溝機(jī)騎放在海底管線上，采用水下高壓水泵產(chǎn)生的高壓水流對(duì)海管周圍的泥土進(jìn)行噴沖，形成管溝［2］，海管自然下沉進(jìn)入溝內(nèi)，后通過(guò)人工回填或自然回淤對(duì)管道進(jìn)行填埋。在外界水動(dòng)力作用下，有的管溝回填效果較好，與周圍海底高度一致，有的由于海底地形、底質(zhì)影響，沒(méi)有形成較好的回填，在使用淺地層剖面儀進(jìn)行管線狀態(tài)探測(cè)時(shí)，管溝將容易使探測(cè)剖面圖出現(xiàn)多重反射弧。在多重反射弧中準(zhǔn)確識(shí)別出管頂比較難，且目前很難找到相應(yīng)的文獻(xiàn)對(duì)此做出詳細(xì)的分析，本文根據(jù)淺地層剖面儀的工作原理對(duì)剖面多重反射弧成因進(jìn)行分析，并就管線、管溝形成的多弧影影像判讀進(jìn)行探討。

1　淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面儀換能器按一定開角、特定的時(shí)間間隔垂直海底發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過(guò)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。如相鄰地層與地層有一定的密度和聲速差，其兩層的相鄰界面就會(huì)有較強(qiáng)的聲強(qiáng)，在剖面儀終端顯示器上會(huì)反映灰度較強(qiáng)的剖面的界面線。海底管道由鋼材制成，其與海底存在聲阻率量差，為此，在剖面儀終端顯示器也會(huì)反映出界面線（圖1）。

圖1中，由于管線埋深一般比較淺，故不考慮由于海底地層中不同介質(zhì)的波阻產(chǎn)生的在入射、折射方向產(chǎn)生的斯奈爾現(xiàn)象。

淺地層剖面換能器在P1點(diǎn)時(shí)，發(fā)射面波，該面波在PA方向上，垂直海底入射，在地層A1、A2、A3、A4等具有不同波阻層均有反射且能被接收換能器接收，在PC方向上除微弱的不能形成圖像的漫反射外［3］，各地層的反射不能被接收換能器接收，故剖面終端顯示器只能顯示PA、PB方向的界面信息，且這些界面信息會(huì)根據(jù)時(shí)距線長(zhǎng)短融合顯示。

圖1　淺地層剖面工作原理Fig.1Working mechanism of sub?bottom profiler

2　淺地層剖面儀對(duì)海底管線成像原理

海底管線通常有2種形式，一種是單薄管，帶混凝土配重，另一種為復(fù)壁管，內(nèi)管為輸送介質(zhì)，外管為保護(hù)管［4］，兩種均為圓形，測(cè)量船舶（換能器）在其上方附近任何地點(diǎn)（只要反射能量不被吸收、散射完），管線的反射信號(hào)都可以被換能器接收，形成圖像點(diǎn)。

圖2　管溝3個(gè)反射點(diǎn)位置圖Fig.2Three reflection positions on pipeline trench

3　海底管溝的淺地層剖面圖像形態(tài)分類及成因分析

淺地層剖面作業(yè)時(shí)，管溝存在3個(gè)重要的聲脈沖反射點(diǎn)，分別位于管溝兩側(cè)坡頂和溝底（圖2），可以根據(jù)淺地層剖面換能器位于管溝正上方時(shí)，兩坡頂與溝底的時(shí)矩長(zhǎng)短進(jìn)行分類：（1）時(shí)矩線長(zhǎng)度相同型管溝；（2）坡頂時(shí)矩線長(zhǎng)于溝底型管溝；（3）溝底時(shí)矩線長(zhǎng)于坡頂型管溝。在剖面儀終端顯示器也會(huì)出現(xiàn)如圖3的3種聲學(xué)反應(yīng)形態(tài)。

這些淺地層聲學(xué)反應(yīng)形態(tài)突出表現(xiàn)為連續(xù)的海底反射線出現(xiàn)交叉，同時(shí)出現(xiàn)了第二條弧線，形成淺地層剖面影像的“多反射弧”狀態(tài)，如圖3所示，對(duì)管溝的淺地層剖面形態(tài)進(jìn)行區(qū)分，關(guān)鍵點(diǎn)就是溝底最深處的反射點(diǎn)與連續(xù)海底反射交叉點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系：溝底最深處的反射點(diǎn)O′位于交叉點(diǎn)，屬于類型1；位于交叉點(diǎn)上，屬于類型2；位于交叉點(diǎn)下，屬于類型3。

以上3種類型反射特征的形成機(jī)理，在于淺地層剖面儀換能器本身存在的開角及其終端顯示方式。如圖1所示，換能器發(fā)射面波后，只要聲波遇到垂直反射，信號(hào)均能被接收換能器接收，如在PA、PB方向上接收到2個(gè)返回信號(hào)，剖面儀信號(hào)處理系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)返回時(shí)間t以及聲速v按式（1）計(jì)算時(shí)距D，而信號(hào)處理系統(tǒng)卻無(wú)法知道返回信號(hào)的角度，只能將該次探測(cè)結(jié)果根據(jù)時(shí)距D以深度的形式在終端顯示出來(lái)

為此，可以了解到剖面儀終端顯示的信號(hào)并不一定是由剖面儀下方物體的發(fā)射。根據(jù)時(shí)距D，以類型3為例，演示淺地層剖面多弧聲學(xué)反射形成過(guò)程（圖4）。

按測(cè)量船前進(jìn)方向，位于P1點(diǎn)時(shí)，離管溝較遠(yuǎn)，關(guān)鍵反射點(diǎn)A、O、B不能形成被換能器接收的反射，僅下方海底的反射信號(hào)被接收，形成圖3下方的海底線；當(dāng)船行至P2點(diǎn)時(shí)關(guān)鍵反射點(diǎn)A、O、B均能形成可被接收的反射，A點(diǎn)成像于A′點(diǎn)，O、B點(diǎn)形成于B″附近，成像點(diǎn)A′與B″之間無(wú)可被接收的反射，形成空白；行至P3點(diǎn)，關(guān)鍵反射點(diǎn)A、O、B均形成可被接收的反射，O點(diǎn)成像于O″，A、B點(diǎn)成像于O′點(diǎn)（O″與O′的相對(duì)關(guān)系與測(cè)量船換能器至A、B和溝底O的時(shí)距長(zhǎng)度有關(guān)）；測(cè)量船到達(dá)P4、P5點(diǎn)就是前面P2、P1的成像逆過(guò)程，將成像點(diǎn)A′、O′、A″，B″、O′、B′以及B″、O″、A″連起來(lái)形成弧線，共3條，便完成了由于管溝影響形成淺地層剖面穿越管溝時(shí)的“多弧影像”。

圖3　三種類型管溝對(duì)應(yīng)的淺地層剖面聲學(xué)反應(yīng)Fig.3Three kinds of trench and their corresponding sub?bottom acoustics reflection

圖4　多弧成像原理示意圖Fig.4Sketch of multi curves imaging principle

4　多弧影像的判讀

圖5　多弧影像示意圖Fig.5Sketch of multi curves

圖6　典型多弧圖像實(shí)例Fig.6Typical multi curves on sub?bottom profiler image

由于海底管道為圓形（即在剖面方向上任何位置都能形成垂直反射），為鋼制材料（能夠?qū)β暡ㄐ盘?hào)形成較強(qiáng)反射），測(cè)量船在較遠(yuǎn)的地方就能收到回波（不同的淺地層剖面換能器開角不同，收到反射信號(hào)的距離也會(huì)有所差別），據(jù)式（1）時(shí)距線公式及終端影響顯示原理，由海底管線形成的回波曲線會(huì)較早的被發(fā)現(xiàn)，且在“距海底較深的位置”，如圖5的3點(diǎn)所指的弧線。

海底管道的淺地層剖面調(diào)查，通常關(guān)心的是管線的埋深情況，在由管溝形成多弧情況下，首先要做的是從多弧中區(qū)分出海底和管頂?shù)幕【€，根據(jù)海管弧線出現(xiàn)較早，影像表現(xiàn)出來(lái)2個(gè)弧線下擺較長(zhǎng)，可以很方便地區(qū)分出海管的弧線，再沿弧線跟蹤，可發(fā)現(xiàn)圖5中3號(hào)點(diǎn)位置為管頂。管溝坡頂將在影像中形成交叉，可知1號(hào)點(diǎn)并非溝底，剩下的2號(hào)點(diǎn)就是管溝溝底，所顯示的管道處于埋藏狀態(tài)。當(dāng)遇到其他兩種管溝圖像樣式時(shí)，同樣可以依據(jù)以上方式進(jìn)行判斷。

圖6為某處于管溝中的裸露混輸管道淺地層探測(cè)工程實(shí)例，該次管線調(diào)查調(diào)查了29.6 km12”/18”混輸管線，獲得290多條剖面文件，依照本節(jié)的判讀方法，結(jié)合側(cè)掃聲納，得到該混輸管線存在裸露2 000處，裸露總長(zhǎng)度11 800.8 m，裸露比例為探測(cè)總長(zhǎng)度的39.4%，裸露狀態(tài)非常嚴(yán)重。存在懸空874處，懸空總長(zhǎng)度6 619.8 m，懸空比例達(dá)到探測(cè)總長(zhǎng)度的22.2%，懸空狀態(tài)十分嚴(yán)重。在淺地層剖面圖像出現(xiàn)多重弧線的位置，均能在側(cè)掃聲納影像上看到管溝，超過(guò)50%的淺地層圖像為類似圖6的情況，調(diào)查成果在后期管線填埋處理的潛水探摸中得到印證。

5　結(jié)論

在海底管道調(diào)查中，管溝對(duì)淺地層剖面的影響在新鋪設(shè)的管道中比較常見(jiàn)，同時(shí)，與調(diào)查區(qū)域的水深和由管溝的深度、跨度存在關(guān)系，它們直接關(guān)系到A、B兩個(gè)關(guān)鍵反射點(diǎn)的形成，在調(diào)查過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)側(cè)掃聲納顯示管線裸露和管溝，而淺地層剖面顯示為多弧，可以認(rèn)定為管溝影響。工程中還會(huì)受到比如海況、水質(zhì)、海底底質(zhì)等影響，剖面影響效果不會(huì)像圖5描述的那樣清晰明顯。了解多重反射弧形成原理以及表現(xiàn)樣式，對(duì)資料處理人員判讀海管相對(duì)于海底的狀態(tài)［5］，準(zhǔn)確量取管線裸露、懸跨高度能夠起到很大的幫助，減少判斷錯(cuò)誤的幾率。

參考文獻(xiàn)：

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［6］趙冬巖.海底油氣管道工程［M］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)出版社，2007.

中國(guó)港口博物館在浙江寧波落成開放

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中圖分類號(hào)：P 229；P 24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-8443（2014）05-0554-04

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-03-10

作者簡(jiǎn)介：劉杰（1980-），男，山東省日照人，工程師，主要從事海洋測(cè)繪勘察工作。Biography：LIU Jie（1980-），male，engineer.

Analysis of multi?curve′s cause on sub?bottom profiler image

LIU Jie，ZHANG Yan?chang，HAN De?zhong
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Tianjin 300456，China）

Abstract:In order to guarantee the subsea pipeline′s safety，the subsea pipeline′s position，buried depth，exposure or free?span status are important parts in subsea pipeline investigation.Pipeline detector is an effective equipment to solve this problem.For the area where new trench or trench that is not backfilled well exists，multi parabolic curves are produced on sub?bottom profiler image for a single pipeline，which makes it difficult for further interpretation，such as distinguishment of pipeline top，pipeline position and pipeline′s buried depth and its rela?tive status with seabed.In this paper，the subsea pipe installation and working mechanism of sub?bottom profiler were analyzed，and the cause of multi?curve state was investigated.A new method to distinguish trench bottom and pipeline top on sub?bottom profiler image was also proposed to improve the accuracy in sub?bottom profiler data pro?cessing.

Key words:pipeline trench;sub?bottom profiler;sub?bottom profiler image