綜合水域物探技術(shù)在過江管道穿越過程中的應(yīng)用

李利群，王兆景，何惠軍

LI Liqun，WANG Zhaojing，HE Huijun

(浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江 紹興312000)

隨著我國國民經(jīng)濟實力的大幅提升，基礎(chǔ)設(shè)施投入日益加大，對于沿海的省份來說，橋梁、港口碼頭等水域工程項目也越來越多，從而為水上地質(zhì)勘察技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用舞臺，也極大地推動了水上工程勘察技術(shù)的發(fā)展。

常規(guī)的鉆探方法，由于水上施工難度較大，勘探成本相對較高，很難在水上選擇大比例尺的密集性鉆探工作;而水底障礙物形成的多樣性、隨機性和不可預(yù)知性，又增加了單一鉆探方法在水域工程地質(zhì)勘察上的風(fēng)險性。水上物探技術(shù)，由于其自身的便利性和低成本性，以及可進(jìn)行大比例尺的數(shù)據(jù)采集所帶來的高精度和高分辨率，有力地彌補了鉆探方法的不足，因而受到越來越多的工程技術(shù)人員青睞。

1 水域物探方法選擇

利用地下介質(zhì)間的物性差異，利用特定的儀器設(shè)備，觀測、記錄天然或人工激發(fā)的地球物理場變化，通過分析、解釋以解決實際地質(zhì)問題的勘探手段，簡稱物探。而將在水域內(nèi)開展的物探，根據(jù)其應(yīng)用目的的不同，可分為剖面法和測深法［1］。

1.1 剖面物探法

剖面物探法，指研究某一深度范圍內(nèi)介質(zhì)體物理變化規(guī)律的物探方法。在水域勘察中，常用于查明水底地形和水底散落物(障礙物)，一般有淺地層剖面法、旁側(cè)聲納法、多波束探測法和磁探測法。

淺地層剖面法和旁側(cè)聲納法，都屬于聲波探測范疇，即向江、河(淺海)底發(fā)射脈沖聲波，當(dāng)聲波向下傳播遇到聲阻抗界面時，將產(chǎn)生發(fā)射波，通過對接收到的反射波進(jìn)行信號數(shù)據(jù)處理，得到成果解釋圖。而旁側(cè)聲納法相比淺底層剖面法而言，發(fā)射頻率較高，分辨率相對較高。多波束測深系統(tǒng)是當(dāng)今水深測量和水底地形勘測的最先進(jìn)設(shè)備，通過多組換能器多角度發(fā)射接收，對所測水域進(jìn)行全覆蓋無遺漏的測量，能夠客觀全面地反映所測水域的海底地形，廣泛用于掃海查找海底散落物等異常。

磁探測法［2］，利用介質(zhì)體的磁性差異，來探尋沉船、鐵錨等遺落于水底的鐵磁異常體。但由于磁探測設(shè)備易受到船體磁性、海浪、船推進(jìn)器激起尾流等振動的影響。在開展工作前，須通過試驗，選擇使用儀器的最佳條件，遠(yuǎn)離干擾源，以獲得較理想的記錄。另外，在測量過程中，必須同步開展日變觀測。

1.2 測深物探法

測深物探法，指觀測和研究同一測點在不同深度范圍內(nèi)介質(zhì)體物性變化規(guī)律的物探方法，主要用于物性地層的劃分。由于淺層剖面法、多波束探測法測試深度有限，多反映為水底地形和水底淤泥層位。對于探測水下深部情況及基巖面地質(zhì)構(gòu)造，則一般采用水上地震法和水上電法。

水上地震法是通過人工發(fā)射彈性波而獲得反射波信號的勘探方法。一般采用單道走航式地震映像法和水上地震反射波法。其最大特點是人工震源(通常為大功率電火花或機械震源船)能量要克服激流噪聲、水底地層吸收［3］。震源的強弱和偏移距離設(shè)置決定了能夠達(dá)到的勘探深度和分辨率。與陸地不同，橫波一般不在水中傳播，因而獲得的地震資料主要為縱波波列圖。

水上電法主要是指在水上開展電法(電磁法)，通過電阻率的差異劃分水底地層及基巖內(nèi)巖溶等地質(zhì)體。其測試的空間為水下全空間位置，與陸地上半空間模型的工況有較大的不同。同樣，電信號也受到水體的吸收而衰減、地質(zhì)環(huán)境背景影響到其勘探深度。

1.3 定位導(dǎo)航

相比陸域勘探來說，水域勘探的通行較為便利，因而可以利用船只實施高效的走航式觀測——邊航行邊測量，也就給定位導(dǎo)航提出了新的要求。

一般采用動態(tài)的GPS 測量，一方面測試儀器與GPS 連接，進(jìn)行連續(xù)測量;另一方面船只根據(jù)海圖導(dǎo)航儀按設(shè)計航線進(jìn)行航行，盡量減少潮流的偏航影響。

2 工程概況

工程項目為天然氣管道穿越，位于甌江入?？冢瑢儆谒姿淼拦こ?。工作要求是查明水底是否存在沉船、不明散落物等不利于隧道施工的障礙物，并基本了解水下地層的分布情況。管道走向南北，沿山前斜地通過并穿越甌江。本區(qū)的地貌形態(tài)明顯受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的制約作用，特別是東西向的河流對地貌的形成起到了決定的作用，見圖1。

圖1 工區(qū)區(qū)域地質(zhì)略圖

根據(jù)工區(qū)的鉆探資料揭示，水上穿越段地層自上而下，可分為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、碎(卵)石土，基巖頂面埋深可達(dá)120 m 以上。

3 應(yīng)用效果

本工區(qū)主要選用了4 種物探方法:多波束探測法、水上磁法、水上地震映像法和水上高密度電阻率法。

3.1 多波束探測法

圖2 為多波束法的彩像圖，通過對異常體進(jìn)行統(tǒng)計，可分別識別出海底障礙物異常和微地貌特征。其中a)圖位于CK50 +305 位置處，異常體長10 m、寬2.3 m，推測為沉船所致;b)圖位于CK50 +434處，異常體直徑100～200 mm，1～1.5 m 長，疑為散落物影像;c)圖是測線左側(cè)停泊的一艘大型貨船鐵錨鏈所致。總體看來，旁側(cè)聲納法的測試成果較為直觀，且觀測精度較高。

圖2 多波束典型異常彩像圖

3.2 磁測剖面

磁測線沿隧道設(shè)計中心線左右兩側(cè)，按20 m 測線距布置測線4 條，測試成果見圖3。從整體上來看，磁測異常表現(xiàn)為南高北低的特征，在測線的850～1250 m 段，有一寬達(dá)400 m，正負(fù)異常交替出現(xiàn)的磁異常，經(jīng)對比分析為測線左側(cè)停泊的大型貨船所引起;而在測線的350 m 處(即CK50 +305 位置)，有一個高于正常場100 nT 的正異常，表明下部含有較強的鐵磁性體，結(jié)合多波速法探測成果，推測為沉船所致。

圖3 磁測異常剖面圖

3.3 水上地震法

沿隧道設(shè)計中心線開展了單道地震映像法，采用連續(xù)的走航式測量法，激發(fā)方式為重錘錘擊船底，測試成果見圖4。

在圖4 的地震映像波列圖上，出現(xiàn)兩條清晰的反射波同相軸(T1 和T2)，結(jié)合工區(qū)的鉆探資料，其對應(yīng)的分別為淤泥質(zhì)土底面界面和中風(fēng)化基巖頂面界面，推測淤泥質(zhì)土底面標(biāo)高在-40.5～31.6 m 之間，中風(fēng)化基巖頂面標(biāo)高在-130. 4～-103. 9 m之間。

3.4 水上高密度電法

水上高密度電法需采用專用的水中纜線，可根據(jù)探測目標(biāo)的深度不同選擇電極距，測試時將纜線沉入水底，中間利用錨繩固定，測試成果見圖5。

由圖5 可以看出，電阻率自上而下具有較明顯的分層性，分別對應(yīng)于淤泥層、粉質(zhì)黏土層和粉砂層，且地層分布較緩。另外，根據(jù)測線數(shù)據(jù)可知，水下淤泥質(zhì)土的視電阻率值均不小于15 Ω·m，平均值在8 Ω·m 左右，為管道的保護(hù)設(shè)置提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

圖4 地震映像法測試成果圖

圖5 高密度電法測試成果圖

4 結(jié) 語

通過本工程的應(yīng)用，表明水上物探技術(shù)可以有效地補充鉆探技術(shù)，從而進(jìn)一步查清水底障礙物的水平分布，并基本查明水底地層的垂向分布。另外，不同的物探方法有不同的適用條件范圍，對于一個水域勘察項目來說，首先要考慮水深情況和不同地質(zhì)背景。有針對性地選擇適合本工區(qū)的物探方法組合，發(fā)揮各種方法的長處。

通過工程實踐，也發(fā)現(xiàn)了一些值得注意的工作細(xì)節(jié)。測試成果易受到外界不勻質(zhì)物性體的干擾:本工程中停在測線左側(cè)的一艘大型貨船帶來的磁性干擾、其固定鐵錨形成的多波束彩像圖上的異常;以及潮水潮位變化，等等。對物性地層也要有一定的認(rèn)識，即物探所能分辨的層面是指物性上存在明顯差異的界面，而不是常規(guī)鉆探中所認(rèn)識的地層層面，如本工程中，地震映像法只能有效分辨出3 個界面差異較大的地層，而不能細(xì)分出粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和碎石土層及其內(nèi)部亞層等。然而對于細(xì)節(jié)的把握處理會影響到測試成果的質(zhì)量。

［1]呂邦來.海底管線的地球物理探測技術(shù)探討［J］. 水運工程，2009(7 ):146 -150.

［2]戴云舟.海洋磁力儀應(yīng)用［C］//中國航海學(xué)會航標(biāo)專業(yè)委員會測繪學(xué)組學(xué)術(shù)研討會學(xué)術(shù)交流論文集. 北京:中國航海學(xué)會，2006:138 -140.

［3]劉云禎.工程物探新技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2006.