物探技術(shù)在航道工程勘察中的應(yīng)用實踐

摘 要：物探技術(shù)是海洋調(diào)查的重要手段，近年來在航道工程勘察中得到了廣泛應(yīng)用。文章結(jié)合連云港港30萬噸級航道工程的勘察實踐，重點論述雙頻測深、旁側(cè)聲納、淺地層剖面法和水域淺層地震反射波法等物探技術(shù)在工程中取得的應(yīng)用成果，包括探明了海底沉船、海底地形、地層分界面、淤泥層厚度、地層異常區(qū)域（地層突變、凹陷等）的分布情況。實踐表明，海洋物探技術(shù)可在沉船等海底障礙物探查、海底地形測繪、海底地層劃分、不良地質(zhì)體勘查等方面發(fā)揮重要作用，并具有高效、經(jīng)濟、成果可靠等優(yōu)點，可以為以后同類工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：物探技術(shù)；航道工程；工程勘察；地層分界

1 概述

連云港港30萬噸級航道工程在防波堤建設(shè)中擬采用預(yù)制的桶式直立混凝土結(jié)構(gòu)下沉至海底淤泥層下1～2m，作為防波堤的堤基，如預(yù)制構(gòu)件無法按設(shè)計要求下沉到預(yù)定深度將會嚴重影響工程施工進度和施工質(zhì)量。為了確保工程建設(shè)安全、順利地進行，需在工程實施前，查明施工海域內(nèi)海底可能存在的沉船等海底障礙物和不良地質(zhì)體的分布情況以及海底地形、淤泥層厚度、海底下部地層界面起伏變化等情況，為工程后續(xù)施工方案的確定提供依據(jù)。

傳統(tǒng)方法通常采用鉆探的手段來探摸測區(qū)內(nèi)是否存在沉船等障礙物以及海底地層界面的起伏變化情況，但由于受海上作業(yè)條件、費用、工期等條件限制，布置的鉆孔十分有限，僅僅采用鉆探手段根本無法查明海底障礙物的分布以及海底地層界面的起伏變化情況。在連云港港30萬噸級航道工程建設(shè)中，我們根據(jù)擬解決問題的性質(zhì)、不同探測對象及測區(qū)地質(zhì)地球物理條件，分析每種海上物探方法的可行性，開展了大量的現(xiàn)場方法試驗，最終確定采用雙頻測深、旁側(cè)聲納、淺地層剖面、地震反射波法以及GPS RTK實時導(dǎo)航定位等多種水域物探方法進行綜合探查來解決上述難題。

2 物探方法與技術(shù)

地球物理有效探測的前提是探測目的物與周圍介質(zhì)間存在一定的物性差異。根據(jù)物探工作目的、探測目的物與周圍介質(zhì)的物性差異，考慮各種物探方法的特點及適用條件，本次探測采用雙頻測深、旁側(cè)聲納、淺地層剖面和地震反射波法等多種水域物探方法進行綜合探查，使各種物探方法優(yōu)勢互補，提高探查資料綜合解釋的準確度。

在本次探測工作中，雙頻測深主要用于探查水深及海底地形。該方法的工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當聲波遇到海底（或障礙物）而反射回換能器時，根據(jù)聲波往返的時間及所測海水中聲波傳播速度，就可以求得海底（或障礙物）與換能器之間的距離。

旁側(cè)聲納主要用于探測凸出水底的障礙物、疑存物及海底的地形地貌。該方法利用發(fā)射探頭發(fā)射聲納信號，發(fā)出的信號呈扇形向下傳播，當信號到達海底時，就會產(chǎn)生反射和散射，接收器接收來自海底的返回聲納。根據(jù)接收到的聲納信號的時間及角度，經(jīng)過計算處理即可描繪出該扇形區(qū)域海底的相對深度變化，從而得到海底的起伏地貌及海底沉船等障礙物的位置、形態(tài)及尺寸。

淺地層剖面主要用于探測水底淺部地層及障礙物的分布情況。該方法是一種基于水聲學原理的連續(xù)走航式探測水底淺部地層結(jié)構(gòu)的地球物理方法[1]。它利用聲波在海水和海底地層中的傳播、反射特性來探測水底地層結(jié)構(gòu)，通過發(fā)射換能器在水中發(fā)射一短促的聲脈沖，脈沖在向下傳播過程中遇到海底及各地層界面時，由于界面兩側(cè)波阻抗的差異，導(dǎo)致一部分能量被反射回來，而被接收換能器所接收，通過對反射信號進行處理、成圖，從而得到海底地形地貌、水底淺部地層及障礙物的分布情況。

淺層地震反射波主要用于探測水底淺部、深部地層及障礙物的分布情況。該方法通過在水中激發(fā)一地震波，當?shù)卣鸩ㄏ滦袝r遇到不同地層分界面及障礙物時，便會產(chǎn)生反射回波，并由水聽器接收反射波。最后，根據(jù)反射波的走時和波速，換算得到不同反射波的深度，進而確定不同地層分界面及障礙物。本次物探工作采用水域走航式地震反射波法，利用24道漂浮電纜接收，1m道間距，采用機械聲波連續(xù)沖擊震源及CDP多次覆蓋疊加技術(shù)。

本次海上物探工作導(dǎo)航、定位采用GPS RTK技術(shù)實現(xiàn)坐標的實時測量。作業(yè)時，在岸上架設(shè)GPS接收機和無線電通訊發(fā)射系統(tǒng)作為基準站，在工作船上固定GPS接收機和無線電通訊接收系統(tǒng)作為流動站?；鶞收緦⒔邮盏乃行l(wèi)星信息及基準站的信息通過無線電通訊系統(tǒng)傳遞給流動站，流動站在接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時也接收到了基準站傳遞的信息。流動站通過實時處理、計算接收到的衛(wèi)星信息及基準站信息，即可實時求得移動站的三維坐標，精度可達厘米級[2]。

3 典型探測成果分析

3.1 海底地形地貌

圖1為根據(jù)雙頻測深和GPS測得的水底高程數(shù)據(jù)繪制出的一期航道開挖后的海底高程三維效果圖，非常直觀地反映了航道開挖后海底高程的起伏變化情況；圖2為一期航道開挖后的旁側(cè)聲納探測成果圖，左半幅圖為航道開挖留下的施工痕跡，右半幅圖為未經(jīng)開挖的原狀海底，非常清晰地反映了海底的地形地貌。

3.2 海底障礙物（沉船）

圖3為徐圩港區(qū)防波堤測區(qū)內(nèi)，海底沉船的淺剖探測成果圖。圖中在剖面右側(cè)部分海底出現(xiàn)較大起伏（圖中實線標示處），且聲波在該處被屏蔽，不能向下傳播，海底以下沒有有效的聲波反射，因此推斷此處存在海底障礙物，后經(jīng)鉆探驗證，確認該處為一艘沉船。

3.3 地層分界

圖4為徐圩港區(qū)防波堤測區(qū)內(nèi)，某條物探測線的海底地層淺層地震探測成果圖。圖中清晰可見多組能量很強的反射同相軸，依據(jù)測線附近的鉆孔資料，分別對應(yīng)為海水、淤泥、砂質(zhì)粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土等地層的分界面，很好地反映了海底地層的分布情況，60m深的地層也能清晰反映，淺層地震有效探測深度在該海域大于60m。

3.4 地層異常區(qū)

圖5為徐圩港區(qū)防波堤測區(qū)內(nèi)，海底地層凹陷區(qū)的淺剖探測成果圖，由圖可見，淺剖剖面很好地反映了海底20m深度范圍內(nèi)淤泥層、粘土層以及每一層內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)，圖中標示處地層反射波能量較弱，根據(jù)其形態(tài)分析，可能為古河道或其它類似地形地貌所致。圖6為海底地層突變帶的淺剖探測成果圖，圖中標示處左側(cè)地層反射波組十分清晰且連續(xù)，右側(cè)地層反射波組消失，地層在該處突然缺失，發(fā)生突變。

4 結(jié)束語

本次物探工作根據(jù)擬解決問題的性質(zhì)、不同的探測對象及測區(qū)地質(zhì)地球物理條件，針對性地選用雙頻測深、旁側(cè)聲納、淺地層剖面和地震反射波法等多種水域物探方法進行綜合探查，采集的數(shù)據(jù)信息量大，對海底沉船等障礙物和海底地形地貌、淤泥厚度、地層分界面等反映清晰，為后續(xù)港口航道建設(shè)的設(shè)計與施工提供了很好的基礎(chǔ)資料，達到了物探工作的預(yù)期目的。

物探工作完成后，由第三方單位對本次物探工作確定的沉船位置、淤泥層厚度及地層分界面等成果采用鉆探方法進行驗證。經(jīng)驗證，鉆探驗證結(jié)果與物探成果非常一致，表明探測結(jié)果準確、可靠，采用的物探技術(shù)具有良好的應(yīng)用效果，可以為以后同類工程提供借鑒。

參考文獻

[1]劉鐵虎，許楓.淺水區(qū)淺地層剖面測量典型問題分析[J].物探化探計算技術(shù)，2002，24（3）：215-219.

[2]黃永進，胡繞.高密度地震映像法在青草沙水庫堤基檢測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學報，2010，7（4）：428-432.

作者簡介：丁大志（1978，6-），男，江蘇連云港人，工程師，從事港口與航道的建設(shè)管理工作。