河底表層泥沙物理特性的快速估算

李長征 李姝昱 王銳 楊勇

摘要：河底泥沙密度、粒徑等是河流動力學(xué)研究的必備物性參數(shù)。機械取樣和淺地層剖面探測是獲取泥沙物性的重要途徑。將取樣測試的泥沙粒徑信息與淺地層剖面探測數(shù)據(jù)結(jié)合起來，研究了一種快速的河底泥沙物性參數(shù)（密度、孔隙度等）檢測方法。利用級配結(jié)果確定表征孔隙度和滲透率關(guān)系的Kozeny-Carman公式，將該式與孔隙介質(zhì)模型結(jié)合計算河底泥沙密度等參數(shù)。采用該方法獲取了三門峽庫區(qū)2個斷面的濕密度和波速等參數(shù)。將泥沙濕密度計算值與取樣測試值對比，發(fā)現(xiàn)2個測點的差異較小，證明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：孔隙介質(zhì)；淺地層剖面；快速估算；物理特性；表層泥沙；河底

中圖分類號：P332.5 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.004

研究河底泥沙物理特性（密度、孔隙度等）對河流動力學(xué)研究和庫區(qū)清淤等有重要意義。目前，河底泥沙物性參數(shù)的獲取方式主要有3種：簡單機械取樣、保真采樣和聲學(xué)探測。簡單機械取樣是在船上吊裝一定質(zhì)量的取樣器到水底，在水底取樣后將樣品運送到實驗室測試巖土力學(xué)參數(shù)。由于在取樣過程中不可避免地對樣品產(chǎn)生較大程度的擾動，使樣品（尤其是稀軟的水底表層淤積物）的原始狀態(tài)發(fā)生變化，因此最終使測量結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。簡單機械取樣為點測方式，速度較慢，取樣較淺（約為30cm），難以滿足底質(zhì)調(diào)查的需求。

以保真為目標的取樣技術(shù)正在逐步完善和發(fā)展。為了避免沉積物樣品原始層序混雜或彎曲樣品形狀的擾動，實現(xiàn)采集到的樣品保壓、保溫、無污染，保證樣品信息記錄的完整性，保真采樣設(shè)備研究經(jīng)歷了從國外研究到國內(nèi)自行設(shè)計和完善階段，浙江大學(xué)和國家海洋局第一海洋研究所設(shè)計的采樣器均可實現(xiàn)10 m以上的巖心采樣[1-2]。2013年，黃河水利科學(xué)研究院設(shè)計了針對河底淤積層的水下采樣器[3-4]，采用自動切割的菊花瓣式的活塞刀口，保證了已取樣品的完整性，目前在細沙區(qū)（粒徑小于0.025mm）能夠獲取10m長的泥沙樣品。

近年來，淺地層剖面儀逐步應(yīng)用在河流底質(zhì)調(diào)查中[5-6]。通過聲學(xué)換能器向水底發(fā)射寬帶調(diào)頻脈沖[7]，脈沖遇到聲阻抗突變界面（水底不同媒質(zhì)層的分界面）反射回到接收換能器，研究人員根據(jù)接收的聲吶信號可大致判斷河底淤積層的結(jié)構(gòu)。然而，河底泥沙淤積層的聲速仍是未知參數(shù)，僅依據(jù)聲學(xué)接收信號難以判斷淤積層的具體厚度，淤積層的其他巖土力學(xué)參數(shù)也不能精確檢測。

隨著聲學(xué)理論的發(fā)展，通過分析聲學(xué)信號獲取表層泥沙物性參數(shù)已具備可行性。本文利用保真取樣獲取的泥沙參數(shù)作為先驗信息，結(jié)合孔隙介質(zhì)聲學(xué)理論快速得到水底淤積泥沙密度等參數(shù)，對提高河底淤積表層探測效率有重要意義。

1 聲學(xué)模型參數(shù)

1.1 模型參數(shù)

Biot M.A.[8]的孔隙介質(zhì)理論較好地解釋了由泥沙顆粒和孔隙水組成的雙相介質(zhì)系統(tǒng)中的聲學(xué)現(xiàn)象。因此，本文基于Biot孔隙介質(zhì)聲學(xué)模型（簡稱Biot模型）計算河底表層泥沙密度等參數(shù)。Biot模型包含的參數(shù)主要分兩類：第一類是各組成相的參數(shù)，該類參數(shù)是物理常數(shù)，可以通過試驗測定或參考相關(guān)文獻，見表1；第二類是與孔隙空間中流體流動相關(guān)的參數(shù)，其中流體黏滯系數(shù)較容易測定，而滲透率、孔隙半徑和有效物質(zhì)常數(shù)較難精確測定，但可以通過經(jīng)驗公式與其他參數(shù)建立聯(lián)系。

現(xiàn)場探測時需要接收信號有足夠的時長，以便有效接收二次波信號。

2.2 泥沙物性參數(shù)計算方法

由表1確定Biot模型第一類參數(shù)，并且第二類參數(shù)相互關(guān)系已知（式（1）～式（6）），因此Biot模型里僅孔隙度和滲透率為未知參數(shù)。理論聲波反射系數(shù)計算公式涉及的輔助公式較多，本文不詳細列出，具體可參見文獻[10]。

計算過程和方法：①利用機械取樣器對表層淤積泥沙取樣后，通過實驗室測試得到樣品的粒徑d；②將粒徑d代入式（7）；③從淺地層剖面數(shù)據(jù)中提取各測點的聲波反射系數(shù)；④聯(lián)合式（7）和式（12），以及參考文獻[10]中的水-沙界面反射系數(shù)，得到孔隙度和滲透率；⑤由式（9）計算泥沙的濕密度等參數(shù)。

3 探測實例

3.1 探測儀器

利用美國Edgetech公司生產(chǎn)的3200-XS型淺地層剖面儀進行現(xiàn)場探測，儀器包括拖魚、拖纜和甲板單元。拖魚型號為SB-216S，由1個發(fā)射換能器、2個接收換能器組成。發(fā)射信號的波束角（-3dB）為24°。換能器之間用隔聲板隔開，其作用是阻止向下傳播的聲波對接收信號產(chǎn)生干擾，且盡量減小表面反射。換能器向其正下方水底發(fā)射調(diào)頻信號，該信號具有較強的地層穿透能力，在遇到阻抗不同的界面時將發(fā)生反射。接收換能器收到水底泥沙的反射信號，信號經(jīng)拖纜傳送到甲板單元。利用匹配濾波技術(shù)對回波信號脈沖進行壓縮，并在顯示器上顯示出來。

試驗中用船體牽引拖魚，為了得到較穩(wěn)定的信號，選擇風(fēng)浪較小且水面平靜的情況下探測。為了降低隨機噪聲的影響，GPS與甲板單元的主機相連，拖魚在行進過程中，GPS數(shù)據(jù)與反射信號被記錄在同一文件中，因此可提取每個測點對應(yīng)的GPS坐標。

3.2 探測結(jié)果

2015年11月，在黃河三門峽庫區(qū)進行了機械取樣和淺地層剖面儀探測試驗。根據(jù)現(xiàn)場淤積泥沙特征，選取的線性調(diào)頻信號頻帶為700～12000Hz，脈沖重復(fù)頻率為5Hz，拖魚水平行進速度約為1.2m/s。測量時根據(jù)水流情況船速作相應(yīng)改變。垂直水流方向，連接左右岸的直線段為1個斷面（兩個斷面之間的距離約為2km），取樣和探測以斷面為單元進行研究。

對三門峽庫區(qū)斷面2和斷面11進行了探測，測線方向為左岸至右岸，測線長度為197m，斷面2水深約為25m。圖2為斷面2主河槽的聲納探測圖像，由圖像可見清晰的河底反射信號和表層泥沙底界面的反射信號，其中表層泥沙厚度為3.8～6.0m。斷面11的測線方向為右岸至左岸，測線長度約為201m，聲吶圖像見圖30主河槽水深約為15m，可見泥沙層界面的反射和多次波。表層泥沙厚0.5～2.0m，第2層泥沙厚4.5～5.0m。

在斷面2和斷面11分別選取6個、8個測點，提取到聲波反射系數(shù)。泥沙參數(shù)計算結(jié)果見表2和表3。斷面2的反射系數(shù)較斷面11的小，對應(yīng)較大的孔隙度和較低的泥沙密度。斷面2的泥沙干密度大部分低于1000kg/m3，斷面11的泥沙干密度為1100～1649kg/m3。在斷面2和斷面11進行了機械取樣，取樣點的位置分別為A和B，測試到的泥沙中值粒徑分別為0.0110、0.0237mm。A、B點樣品的測試密度分別為1270、2150kg/m3，與附近測點密度計算結(jié)果差異較小。

4 結(jié)語

在黃河三門峽庫區(qū)進行了水底泥沙的機械取樣和淺地層剖面探測，基于Biot模型將取樣測試的級配結(jié)果和聲吶數(shù)據(jù)結(jié)合起來，計算了表層泥沙的密度和波速等參數(shù)，并與取樣測試的結(jié)果進行了對比，結(jié)果證明了本文計算方法的正確性。研究發(fā)現(xiàn)：①機械取樣對泥沙的級配測試結(jié)果影響較小，因此級配測試結(jié)果可作為聲學(xué)反演的先驗信息；②本文提出的計算方法能夠計算得到河底泥沙的密度、波速和表層淤積厚度等參數(shù)，這對取樣測試結(jié)果起驗證作用；③本文的探測方法能夠減少取樣工作量，并且得到多個泥沙物性參數(shù)。

本文采用的計算方法基于以下前提條件：①計算時考慮了聲學(xué)反射信號的弱頻率獨立性；②在探測過程中忽略了拖魚在水下姿態(tài)變化的影響；③利用的Kozzy-Carman方程為經(jīng)驗公式。考慮以上因素，計算中將產(chǎn)生一定誤差。

獲取較深層泥沙物性參數(shù)還存在一定的挑戰(zhàn)性，期望通過進一步研究結(jié)合機械取樣得到更多的泥沙（聲吶圖像識別的第二層和更深層）物性參數(shù)，以滿足河流研究和治理的需求。

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