綜合物探技術(shù)在海底管線探測的實踐

于洋 王俊剛 李建委 王家文 梁詠杰 徐建龍

1.國能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司；2.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司

1.物探設(shè)備介紹

多波束測深系統(tǒng)：多波束測深系統(tǒng)與慣導(dǎo)相結(jié)合，可以獲取高精度、高密度的水下三維點云，可以直觀的獲取水下坡度、水底底質(zhì)、水下地貌等信息[1]。包括換能器陣列、定位系統(tǒng)、收發(fā)機和處理單元、羅經(jīng)和聲速剖面儀及后處理系統(tǒng)。

磁力儀：磁力儀主要為3種，分別為質(zhì)子旋進式、機械式、光泵式，儀器指標(biāo)主要包括靈敏度、精度、分辨率、量程等[2]。

淺地層剖面儀：由處理單元和換能器組成，通過換能器向水下垂直發(fā)射聲波信號，再由換能器接收回波信號，經(jīng)信號處理可獲取海底淺部地層結(jié)構(gòu)。一般淺地層剖面測量頻率大于3000Hz，垂向分辨率可達厘米級，穿透深度幾十米[3]。

2.工程實例

本工程水域位于珠江口，水底標(biāo)高為-7m，航道設(shè)計疏浚深度為-9.4m。區(qū)域底質(zhì)為淤泥、淤泥混砂。海底管線為石油輸氣管線，管線為東西走向，管徑為900mm的金屬管，管線下部為50cm砂墊層，管線周邊為30-50mm的碎石墊層，管線上部為330-380mm的石塊作為覆蓋保護層，保護層的厚度為3m，保護層的上部為自然回填。按照工程要求，需要探測出管線保護層頂標(biāo)高。外業(yè)實施按照對測區(qū)進行多波束掃測，管線區(qū)域進行1:200比例尺掃測，利用磁力儀沿垂直管線進行走航探測，確定管線的平面位置，然后利用拖曳式淺地層剖面儀進行泥面與管線拋石頂標(biāo)高劃分，結(jié)合多波束的泥面高程進行改正，最后計算出管線的保護層頂標(biāo)高。

2.1 多波束獲取管線區(qū)域三維地形

采用德國ATLAS FANSWEEP20多波束測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)由FANSWEEP 20主機操作站和發(fā)射換能器陣、接收換能器陣、RTK、TSS公司的M A R SH姿態(tài)傳感器、GPS定位儀、海鷹公司的聲速剖面儀、電腦以及ATLAS控制軟件處理單元、Hypack海洋測繪導(dǎo)航軟件組成。

圖1 CARIS多波束數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2 管道引起的磁異常點特征圖

（1）水位觀測。工程區(qū)水域?qū)掗?，無遮擋，水位站控制范圍為上下游2km。測深前將測深儀與水位觀測時間進行同步。水深測量前10min開始，水深測量后10min結(jié)束，水位觀測時間間隔為10min。水位觀測記錄采用人工及HY-01型自計水位儀自動記錄方式進行。

（2）多波束測深系統(tǒng)安裝和校準(zhǔn)。本工程多波束測深系統(tǒng)固定安裝在專用測量船上，在干船塢內(nèi)進行安裝及系統(tǒng)參數(shù)測量，測量時采用徠卡TCRA1201全站儀進行高精度測量，測量的相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)記錄存檔，水深測量時輸入測深系統(tǒng)進行系統(tǒng)固定改正。

使用多波束水深測量前進行系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗及航行試驗。穩(wěn)定性試驗選擇在測區(qū)水深20m處平坦區(qū)域，對水深進行重復(fù)測量，并利用單波束測深儀進行水深比對；在進行多波束校準(zhǔn)之前，需要針對各個校準(zhǔn)項設(shè)計相應(yīng)的測線，然后將測線數(shù)據(jù)導(dǎo)入校準(zhǔn)軟件，在軟件中對數(shù)據(jù)進行分析，計算出校準(zhǔn)參數(shù)，最終完成校準(zhǔn)工作。本次測量中多波束測深系統(tǒng)采用了PPS秒脈沖時間同步，統(tǒng)時延值（latency）為0ms，無需測量。根據(jù)規(guī)范要求，在測區(qū)布設(shè)相應(yīng)的測線，計算縱搖偏差（Pitch）、橫搖偏差（Roll）、艏向偏差（Gyro）校準(zhǔn)參數(shù)。

（3）多波束數(shù)據(jù)處理。后處理順序為：定位點數(shù)據(jù)檢查-姿態(tài)數(shù)據(jù)檢查-聲速改正-線模式編輯-潮位改正-合并數(shù)據(jù)-面模式編輯數(shù)據(jù)處理等。處理后數(shù)據(jù)利用CARIS GIS對管線區(qū)域按照1:200比例尺水深壓縮。

2.2 磁力儀獲取管線平面位置

采用加拿大Sea SPY標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進式磁力儀，量程為18000 nT-120000nT，作業(yè)區(qū)域地磁場矢量與傳感器長、短軸夾角均大于6度，自動進行南、北球轉(zhuǎn)換；分辨率為0.001nT，靈敏度為0.015nT；采樣頻率為0.1-4 H z；絕對精度為0.2nT。

1）測線布設(shè)：管道探測區(qū)域測線垂直于管道方向布設(shè)，測線間距50m，單條測線長200m。

2）儀器安裝及平面定位：GPS定位天線與換能器中心不在同一豎直面，通過偏移校正歸算，使GPS定位點與聲吶數(shù)據(jù)統(tǒng)一。設(shè)備主機和導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在駕駛室內(nèi)。平面定位采用SPS351接收機獲取實時差分數(shù)據(jù)。

3）測量過程：將磁力儀在船只甲板連接調(diào)試正常后，下水后，觀察設(shè)備信號，將拖魚壓力傳感器值歸零，投放拖魚至最佳位置，注意電壓值、信號強度、磁場值、深度等信息。各信號正常后，測量船只沿設(shè)計的測線進行測量，采用連續(xù)走航式探測采集數(shù)據(jù)，船速控制在5節(jié)左右，拖魚盡量貼近海底，采樣頻率設(shè)定為1Hz。測量時調(diào)節(jié)磁力顯示尺度，保證能分辨出磁性物體的磁力異常。

4）探測成果：此次磁力探測因管道引起的磁力異常點較明顯，可以明確探測出管道的位置，每條測線異常點（既管道位置）根據(jù)磁力異常點連線即為海底管線的平面位置。

2.3 淺地層剖面儀獲取管線覆蓋層厚度

采用英國GeoPulse Pipeliner，聲能水平可達200db，發(fā)射頻率為2KHz-14KHz調(diào)頻脈沖波，可穿透海底地層深度達50m（淤泥），如遇粘土、殘積土、礫砂等高聲阻地層則其穿透深度將降低，分辨率為0.1m-0.5m，地層淺部分辨率較高、深部分辨率較低。采集軟件為SonarWiz5專業(yè)采集處理軟件，配合GeoPulse Pipeliner記錄海底地層反射。

1）測線布設(shè)：管道探測區(qū)域測線垂直于管道走向布設(shè)，測線間距50m，單條測線長200m。

2）儀器安裝及平面定位：發(fā)射聲波震源和接收地層反射的水聽器陣列被安裝在測量船左側(cè)、水面下2m處。由于淺地層換能器位于船左中部，螺旋漿噪聲對地層反射信號影響較少，可提高記錄圖像信噪比。GPS天線在地層反射源中心一側(cè)，在采集軟件中進行坐標(biāo)改正，就能準(zhǔn)確利用GPS實時定位換能器中心的位置。平面定位采用SPS351接收機，工作方式為實時差分方式。

3）測量過程：進場前對所有儀器進行靜態(tài)校準(zhǔn)。正式探測前，進行全系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試，檢查各儀器工作狀態(tài)，進行最佳參數(shù)比較選取與確認，選擇在特定環(huán)境條件下獲取最佳質(zhì)量聲圖的參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)場資料采集儀器值班人員負責(zé)記好班報，包括進入測線開始時間和完成測線時間、定標(biāo)號、儀器工作狀態(tài)與條件、工作儀器參數(shù)選取、過往船只和水上作業(yè)情況、測線兩邊地形地貌特征、特殊聲圖映象現(xiàn)場注釋、工作時突發(fā)事件及影響測量工作因素等。本次淺地層剖面儀聲源置于水面下2m。發(fā)射能量為全功率，頻率3.5Hz，觸發(fā)0.40s，掃描80ms，延遲0.08s（配合設(shè)備數(shù)據(jù)處理滯后時間）。施測時船速盡可能慢，一般控制在3-4節(jié)左右，以10m等距離定標(biāo)。

4）淺地層探測聲圖數(shù)據(jù)解釋：淺地層聲波探測是通過安裝在調(diào)查船甲板上的主機，控制安裝在水下的聲學(xué)震源（電聲換能器）垂直向海底發(fā)射圓柱形聲波，海底地層信息（海底反射波）通過接收水聽器（聲電換能器）接收，控制主機通過對地層信息信號放大、濾波等數(shù)據(jù)處理后，通過SonarWiz5軟件記錄出海底地層剖面聲圖及坐標(biāo)位置，在剖面圖上計算出每一個定位點的各聲學(xué)界面即沉積地層之間的厚度數(shù)值。由于剖面記錄的是時間分量，因此還要進行深度轉(zhuǎn)換，得到海底至物理分層頂面的厚度。

管線探測區(qū)域因管道鋪設(shè)時上方設(shè)立有保護層，無法直接探測到管道位置，平面位置采用磁力探測到管道位置，厚度采用淺地層探測數(shù)據(jù)，同時根據(jù)1:200的多波束海床高程數(shù)據(jù)，可以計算出每個管線點的頂標(biāo)高。管溝位置在聲圖共有8條測線可體現(xiàn)出管溝與航道交叉。測線點聲圖見圖3、圖4，圖中紅線為海床面、藍色線為物理分層線。

圖3 管線處物理分層示意圖

圖4 管線處物理分層示意圖

3.結(jié)語

（1）工程海域底質(zhì)為淤泥、含沙量較少，覆蓋層厚度約3m，利用多波束測深+磁力探測+淺地層剖面設(shè)備相結(jié)合，能夠獲取較準(zhǔn)確的管線覆蓋層的三維坐標(biāo)。砂層較密實的場區(qū)，淺地層剖面儀穿透能力有限，可以采用單道地震結(jié)合磁力的方法進行管線探測。

（2）該案例采用拖曳式淺地層剖面儀，需要結(jié)合多波束采集海底高程改正。

（3）受潮汐、水流、涌浪、行船等影響，在數(shù)據(jù)采集過程中，需要調(diào)整最佳采集參數(shù)，確保能獲得高信噪比的原始數(shù)據(jù)。