淺地層剖面探測在水域工程中的應(yīng)用及問題分析

武傳鵬，佟 弢

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，各大港口、碼頭和航道等工程也在蓬勃的興建中。在工程前期，需要對擬建工程場地的海底地層及不良地質(zhì)狀況有詳細(xì)的了解，尤其是海底的軟弱地層、強(qiáng)風(fēng)化巖面、滑坡、斷層等。常規(guī)的地質(zhì)鉆探勘察雖然能準(zhǔn)確的揭露鉆孔位置單點(diǎn)的地層狀況，但它不能全面反映擬建場區(qū)內(nèi)的地層狀況，因此需要一種可以全面探測擬建場區(qū)內(nèi)海底地層狀況的手段。

淺地層剖面探測是一種地球物理探測方法，它主要利用聲波在海底沉積物中的傳播及反射特性和規(guī)律對海底地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造進(jìn)行連續(xù)走航式探測，以獲得海底淺部地層狀況。

淺地層剖面探測因具有探測效率高、探測映像直觀、工程造價低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于水域工程海底地層和結(jié)構(gòu)探測。

1 工作原理

淺地層剖面探測利用聲波反射原理來進(jìn)行海底地層和結(jié)構(gòu)探測。聲波在傳播過程中會因海底巖土層結(jié)構(gòu)及密度的不同，存在能量衰減、速度及頻譜成分的變化，在地層的分界面上會產(chǎn)生反射及透射。ρ1和v1（ρ2和v2）分別為界面上部（下部）介質(zhì)的密度和聲波在該介質(zhì)中傳播的速度。

圖1 聲波的反射及透射

聲波在不同介質(zhì)中傳播時，反射系數(shù)R與介質(zhì)的密度ρ和聲波在此介質(zhì)中的傳播速度v密切相關(guān)，其關(guān)系如下：

（z為介質(zhì)的波阻抗，R為反射系數(shù)）

聲波在海底不同地質(zhì)年代、沉積環(huán)境形成的地層中傳播時，會因土層的密度ρ及傳播速度v差異，反映出不同的聲學(xué)反射特征，在反射界面處產(chǎn)生比較亮的反射條紋，并且同一地層會產(chǎn)生明顯的同向軸。

淺地層剖面探測可根據(jù)以上聲波的反射理論，來實(shí)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的探測及識別。

2 儀器設(shè)備

本文海底淺地層剖面探測均使用英國AAE 公司生產(chǎn)的CSP-D2400J震源為主的淺地層剖面探測系統(tǒng)。本探測系統(tǒng)由CSP-D2400J 震源、AA300發(fā)射板及托體、24 單元水聽器陣、Coda DA500 工作站組成，見圖2，指標(biāo)參數(shù)見表1。

圖2 探測系統(tǒng)

表1 設(shè)備參數(shù)指標(biāo)

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 設(shè)備安裝

在淺地層剖面探測作業(yè)時，將淺地層剖面探測系統(tǒng)的Boomer 發(fā)射裝置（震源）及接收裝置（水聽器）分別安裝在船舷左右兩側(cè)，并分別通過鋼管支出船舷拖曳，以避開船體的干擾。

將導(dǎo)航電腦、淺地層剖面探測采集系統(tǒng)全部安裝在測量船駕駛室內(nèi)。安裝完畢后，精確測量Boomer 發(fā)聲震源、水聽器及GPS 天線之間的相對位置關(guān)系，并做好記錄。安裝示意圖見圖3。

圖3 探測系統(tǒng)安裝示意圖

3.2 工前試驗(yàn)

良好的數(shù)據(jù)采集是至關(guān)重要的。在淺剖測量正式作業(yè)前，需在測區(qū)內(nèi)對震源能量、拖曳長度和水聽器間距、采集增益及工作船船速等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，選擇獲得最佳資料采集效果的參數(shù)設(shè)置。

3.3 正式采集

調(diào)試好儀器設(shè)備后，按照已布設(shè)測線進(jìn)行探測作業(yè)，探測作業(yè)時，要有專人實(shí)時照看采集設(shè)備并瞭望周圍海域狀況，確保采集數(shù)據(jù)清晰有效且不間斷并且保證船只在水域中安全。

3.4 數(shù)據(jù)復(fù)核

數(shù)據(jù)采集完成后，應(yīng)及時檢查所采集數(shù)據(jù)的定位信息是否有中斷、參數(shù)設(shè)置是否有錯誤、航跡線與布設(shè)測線是否偏差過大，是否有漏測測線，如有以上情況，需要及時復(fù)測，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及完整性。

4 數(shù)據(jù)處理

使用Coda 或SonarWiz-5 等專業(yè)軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，步驟如下：

1）數(shù)字處理：包括基本增益和基本補(bǔ)償、TVG可變增益、水底散射壓制、多次波壓制、噪音消除和數(shù)字化濾波。

2）在原始映像圖上劃出清晰的反射界面，劃分反射界面應(yīng)遵循以下3 個原則：

同層的劃分應(yīng)反射連續(xù)、清晰，并可區(qū)域性追蹤；

不同層之間發(fā)射界面應(yīng)存在顯著差異；

主測線與檢查線交點(diǎn)處反射界面應(yīng)重合。

3）提取坐標(biāo)、高程等數(shù)據(jù)，水位變幅超過±0.5m時應(yīng)進(jìn)行高程校正。

4）根據(jù)聲波在水下探測層中的速度，計(jì)算水下各探測層厚度，并進(jìn)行層厚校正。

5）繪圖。

5 工程實(shí)例

廣東惠州某地因港區(qū)規(guī)模和泊位等級的提升，航道等級也急需提升。準(zhǔn)確確定海底強(qiáng)風(fēng)化巖頂面，為水域疏浚提供合理的資料支持成為本工程的重點(diǎn)。根據(jù)前期鉆孔資料顯示，上部覆蓋區(qū)多為淤泥質(zhì)土（未鉆到強(qiáng)風(fēng)化巖頂面），局部地區(qū)存在礁石，應(yīng)用淺地層剖面探測，成功地探測出了上部淤泥區(qū)厚度和強(qiáng)風(fēng)化巖頂面，為清淤方量及巖石炸礁量計(jì)算提供了有力支持。典型的探測映像圖見圖4。

圖4 惠州某航道典型淺地層剖面探測映像圖

廣東陽江某地新建調(diào)峰儲氣庫碼頭，需對上部覆蓋層進(jìn)行探測，確定海底土層特性和厚度及強(qiáng)風(fēng)化巖頂面高程，應(yīng)用淺地層剖面探測作業(yè)，獲得典型的探測映像圖見圖5。

圖5 陽江某碼頭典型淺地層剖面探測映像圖

本項(xiàng)目最終成果只劃分海底面、第一層、第二層及基巖面（圖5 中黑色線）幾個反射界面較明顯的地層，圖中藍(lán)色線劃出的地層反射界面清晰度較差且不連續(xù)，不是連續(xù)的地層，最終結(jié)果并未給出。

結(jié)合最終鉆孔勘察資料可知，海底與第一層為淤泥質(zhì)土等軟土層，第一、二大層之間為粉土、黏土、細(xì)砂等層，第二層和基巖頂面之間為中粗砂、殘積土及全風(fēng)化巖等土層。最終探測成果與鉆孔勘察成果吻合度較高，準(zhǔn)確性良好。

6 問題分析及解決方法

淺地層剖面探測在數(shù)據(jù)采集和資料處理中，會有多種干擾因素的產(chǎn)生，不同的處理方法會影響數(shù)據(jù)的采集效果及處理結(jié)果。

6.1 數(shù)據(jù)采集的主要問題及解決辦法

1）定位精度不準(zhǔn)確

產(chǎn)生原因：在數(shù)據(jù)采集的過程中，震源激發(fā)和接收設(shè)備的拖曳會由于船體行進(jìn)過程中的拐彎、洋流、海浪等原因，造成定位的不準(zhǔn)確。

解決方法：盡量選擇側(cè)托或者利用合理的裝置把設(shè)備與船體固定、接收裝置盡量在背流的一側(cè)、選擇在海況、天氣較好的條件下作業(yè)。

2）機(jī)械波干擾

產(chǎn)生原因：數(shù)據(jù)采集過程中，由于船體震動、發(fā)動機(jī)震動、螺旋槳與水流的沖擊、船速（航速＞7 節(jié)時，噪音顯著增大）等原因生成的震動及噪音，會對采集數(shù)據(jù)造成一些低頻的干擾，使得探測圖像清晰度差。

解決方法:選用馬力較小的木船進(jìn)行探測作業(yè)、嚴(yán)格控制船速、盡量不要頂流作業(yè)。

3）電信號干擾

產(chǎn)生原因：數(shù)據(jù)采集過程中，發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)定、發(fā)射機(jī)的高壓電流、設(shè)備連接線的接觸不良及傳輸電纜的漏電等原因，會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

解決方法：發(fā)電機(jī)輸出電壓要通過穩(wěn)壓器連接到設(shè)備，發(fā)電機(jī)及設(shè)備采集裝置要接地，各連接線直接盡量不要搭接，經(jīng)常對電纜進(jìn)行查看，保證其不會漏電。

6.2 數(shù)據(jù)處理中的主要問題及解決辦法

1）直達(dá)波干擾

產(chǎn)生原因：信號由震源產(chǎn)生不經(jīng)過界面發(fā)射直接到達(dá)接收裝置而成，在探測圖像上，表現(xiàn)為與0線平行的一條直線，多出現(xiàn)在水深較淺的海域，會造成直達(dá)波與海底地層的發(fā)射界面重合的現(xiàn)象。

解決方法：淺地層剖面探測時，應(yīng)同步進(jìn)行水深探測，利用單波速水深探測的結(jié)果來識別海底。

2）多次波反射干擾

產(chǎn)生原因：由于水深條件、能量選擇、海底地層性質(zhì)及密實(shí)度的不同，聲波在兩個能量較強(qiáng)的發(fā)射面之間來回傳播產(chǎn)生，一般為水深的整數(shù)倍，多次反射往往比初次反射還要強(qiáng)。

解決方法：處理時利用預(yù)測反褶積法、參考當(dāng)?shù)劂@孔資料及區(qū)域地質(zhì)資料聯(lián)合判斷。

3）速度選擇不當(dāng)

產(chǎn)生原因：聲波在海底地層的傳播中，因海底以下土層的不均勻性，聲波在傳播的過程中并非以某一個固定速度傳播，而是時時刻刻在變化的。

解決方法：通過對鉆孔土層的擬合對比，盡量合理的選擇速度參數(shù)。

4）地層界面的選擇

產(chǎn)生原因：采集效果差，資料處理人員的個人經(jīng)驗(yàn)等因素。

解決方法：保證采集的映像圖清晰；對海底的追蹤參考同步測深資料或已有的測區(qū)海測圖；對海底以下土層，盡量選擇反射結(jié)構(gòu)基本相似且連續(xù)的界面，來劃分大層，劃分的大層應(yīng)與鉆孔資料進(jìn)行對照，結(jié)果應(yīng)大體一致。再根據(jù)需求劃分細(xì)層，細(xì)層可能會與鉆孔資料不能一一對應(yīng)。

7 結(jié)語

本文通過對淺地層剖面探測的原理、采集和處理、產(chǎn)生的問題及解決辦法做了描述。淺地層剖面探測比傳統(tǒng)鉆探更能在區(qū)域內(nèi)反映海底淺部的地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，為水域工程施工提供可靠的資料支持。

探測經(jīng)驗(yàn)表明：淺地層剖面探測對區(qū)分淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土和強(qiáng)風(fēng)化巖頂面的項(xiàng)目中分辨率最好，對密實(shí)度差異較大的粉土、粘性土及砂類土的分辨率較好，對密實(shí)度差異較小的粉土、粘性土及砂類土的分辨率一般，對風(fēng)化巖及強(qiáng)風(fēng)化巖頂面的分辨率較差，對強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖之間的差異基本不能分辨，淺地層剖面探測應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要來選擇使用。