淺地層剖面探測(cè)技術(shù)在水閘底板探測(cè)中的應(yīng)用

潘紀(jì)順，張嘉樂(lè)，張?jiān)蕽?，?鑫

（華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046）

研究水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)水利工程不停水檢修意義重大。運(yùn)用電磁波理論的激光雷達(dá)等光學(xué)檢測(cè)設(shè)備在水下檢測(cè)應(yīng)用中會(huì)受到極大限制，因?yàn)樗w本身的電阻率十分低，常規(guī)的電磁波信號(hào)在水中的衰減極快。而彈性波信號(hào)可在水中傳播，水體屬于流體，其剪切模量幾乎為0，只有壓縮模量存在，因此利用彈性波中的聲波在水中的傳播規(guī)律研究水下結(jié)構(gòu)狀態(tài)，是解決目前水下問(wèn)題的主要手段[1]。

淺地層剖面儀是一種于20 世紀(jì)60 至70 年代問(wèn)世的水下聲波探測(cè)設(shè)備，淺地層剖面儀的操作原理為通過(guò)發(fā)射低頻聲波，這些聲波具備穿透海底的能力，當(dāng)?shù)皖l聲信號(hào)穿越不同物質(zhì)分界面時(shí)，由于界面物理特性的不同，導(dǎo)致波速、振幅和返回時(shí)間等方面的差異，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底淺部地層結(jié)構(gòu)及其分布的測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，淺地層剖面儀已成為一種非常有效的勘探手段之一。本文探討了淺地層剖面儀的操作原理和應(yīng)用方式，通過(guò)案例展示了它的實(shí)際效用。相比于傳統(tǒng)的鉆孔取樣方法，淺地層剖面探測(cè)技術(shù)具有簡(jiǎn)化操作、高速勘測(cè)、連續(xù)圖像記錄及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等多方面的優(yōu)勢(shì)[2]。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，調(diào)頻聲脈沖、聲參量陣的不斷發(fā)展并應(yīng)用到淺地層剖面探測(cè)技術(shù)上，使得淺地層剖面探測(cè)不僅在探測(cè)能力上得到了加強(qiáng)，而且在數(shù)據(jù)采集及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理上也得到了進(jìn)一步提升，淺地層剖面探測(cè)技術(shù)也逐漸成為海洋淺層地質(zhì)勘探的常用手段。目前，我國(guó)使用的淺地層剖面探測(cè)儀器、設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件大多來(lái)自國(guó)外，國(guó)內(nèi)的淺地層剖面儀與國(guó)外相比仍存在較大差距。

淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)是由震源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、記錄與控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)這4 個(gè)主要部分構(gòu)成的[2]。

產(chǎn)生聲波的裝置即為震源系統(tǒng)，按照產(chǎn)生聲波的方式不同可以將震源系統(tǒng)劃分為4 種形式，分別為參量陣震源、電火花震源、電磁式震源、壓電換能器震源。

將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的系統(tǒng)為接收系統(tǒng)（水聽(tīng)器），接收系統(tǒng)主要由檢波器組成，檢波器被密封在油纜里，檢波器在油纜里按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列，接收系統(tǒng)的性質(zhì)也與檢波器的排列規(guī)律、數(shù)量及質(zhì)量有關(guān)。

安裝了處理信號(hào)相關(guān)軟件的計(jì)算機(jī)或者特殊處理器為記錄與控制系統(tǒng)，記錄與控制系統(tǒng)的主要作用：將淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)的4 個(gè)主要構(gòu)成部分組成一個(gè)整體，記錄發(fā)射信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的特定頻段范圍內(nèi)的調(diào)頻聲波信號(hào)同時(shí)接受有效的返回信號(hào)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或特殊處理器上，在計(jì)算機(jī)或特殊處理器上實(shí)時(shí)顯示剖面探測(cè)的結(jié)果。

進(jìn)行斷面定位測(cè)量、船體姿態(tài)記錄、聲速剖面測(cè)量等工作時(shí)所使用的設(shè)備及相關(guān)處理軟件統(tǒng)稱為輔助系統(tǒng)。RTK 移動(dòng)測(cè)量定位儀為目前常用的斷面定位測(cè)量系統(tǒng)，船體姿態(tài)變化的記錄通過(guò)姿態(tài)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)確的聲速測(cè)量對(duì)淺地層剖面探測(cè)意義重大，對(duì)剖面時(shí)深轉(zhuǎn)換的有效進(jìn)行具有重要意義。

1 工作原理

淺地層剖面探測(cè)技術(shù)利用聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)的不同特性，當(dāng)聲波遇到不同介質(zhì)之間的邊界（稱為聲阻抗界面）時(shí)，它會(huì)發(fā)生反射和透射。在下一個(gè)邊界處，透射波繼續(xù)產(chǎn)生反射波和透射波，通過(guò)反演分析反射波的時(shí)間、振幅和頻率等信息[2]，可以推斷多層介質(zhì)的厚度、類型等特性。根據(jù)聲波的這些特性，可以對(duì)地下不同層位進(jìn)行分析和解釋，從而提高地震數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)認(rèn)知的準(zhǔn)確性。反射波的能量強(qiáng)度可以通過(guò)振幅的大小來(lái)表示，而聲波的振幅則是由界面的反射系數(shù)所決定的，以兩層水平介質(zhì)為研究對(duì)象

式（1）中Ar為反射波振幅，Ai為入射波振幅，R為反射系數(shù)，式（2）中ρ1、v1、ρ2、v2分別為上層介質(zhì)和下層介質(zhì)的平均密度和聲波傳播速度，平均密度與聲波傳播速度乘積為介質(zhì)的聲阻抗[2]。從（1）（2）這2 個(gè)公式可以看出，相鄰介質(zhì)的聲阻抗差異越大，反射系數(shù)R的絕對(duì)值就越大，反射波的能量也就越強(qiáng)，在淺地層剖面圖像中，灰度越高，識(shí)別也就越容易。

2 工程案例

2.1 工程概況

水閘位于某河流沿岸，由于受潮汐水位影響產(chǎn)生水位差，打開(kāi)閘門有很大水流作用，為準(zhǔn)確獲取水閘底板狀況，確保工程安全，對(duì)水閘底板進(jìn)行全面檢測(cè)，主要檢測(cè)表面破損及混凝土底板下的脫空情況。

2.2 探測(cè)方法

水閘底板檢測(cè)使用淺地層剖面儀，淺地層剖面儀由甲板單元和水下單元這2 個(gè)主要部分組成，水下單元通常稱為拖魚，拖魚懸掛在水中通過(guò)一根電纜與甲板單元相連。拖魚內(nèi)部裝有寬頻帶發(fā)射陣列和接收陣列，當(dāng)發(fā)射陣列發(fā)送的特定頻段范圍內(nèi)的調(diào)頻脈沖信號(hào)遇到不同的波阻抗界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射脈沖，這些反射脈沖信號(hào)被拖魚內(nèi)的接收陣列接收并放大，然后通過(guò)電纜傳送到船上的甲板單元，經(jīng)過(guò)數(shù)控放大器進(jìn)一步放大，接著通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后送到數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行相關(guān)處理[3]。最后，處理后的信號(hào)被傳送到工作站，以進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理（圖1）。

圖1 淺地層剖面儀工作方法圖

2.3 探測(cè)過(guò)程

對(duì)于露天區(qū)域有定位信號(hào)的地方進(jìn)行檢測(cè)，將GPS 移動(dòng)站的數(shù)據(jù)線與船上3200-XS 淺地層剖面儀相連[4]，自動(dòng)定位淺地層剖面儀拖魚的位置；在測(cè)區(qū)內(nèi)控制船只進(jìn)行覆蓋檢測(cè)，儀器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)；時(shí)時(shí)觀測(cè)淺地層剖面儀剖面影像圖，發(fā)現(xiàn)缺陷，加密與重復(fù)檢測(cè)，如果同一位置反復(fù)出現(xiàn)缺陷信號(hào)，可判斷此次有缺陷，否則異常信號(hào)為船顛簸、后退等原因造成。

對(duì)于洞內(nèi)區(qū)域沒(méi)有定位信號(hào)的地方進(jìn)行檢測(cè)，在測(cè)區(qū)內(nèi)控制船只進(jìn)行覆蓋檢測(cè)。時(shí)時(shí)觀測(cè)淺地層剖面儀剖面影像圖，發(fā)現(xiàn)缺陷，加密與重復(fù)檢測(cè)，如果同一位置反復(fù)出現(xiàn)缺陷信號(hào)，可判斷此次有缺陷，否則異常信號(hào)為船顛簸、后退等原因造成，同時(shí)標(biāo)記缺陷起始與結(jié)束位置，根據(jù)剖面影像圖判斷缺陷性質(zhì)、讀取深度。

2.4 儀器設(shè)備

水閘底板檢測(cè)采用的淺地層剖面儀為美國(guó)EdgeTech 公司生產(chǎn)的3200-XS 淺地層剖面儀，斷面定位測(cè)量使用的RTK 移動(dòng)測(cè)量定位儀為上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)公司生產(chǎn)的RTK 移動(dòng)測(cè)量定位儀[3]，其定位精度為平面：±（10+1×10-6D）mm，高程：±（20+1×10-6D）mm。

2.5 數(shù)據(jù)處理與資料解釋

數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

根據(jù)聲波傳播理論，聲波只在遇到具有顯著波阻抗差異的邊界時(shí)發(fā)生反射。在河水中，由于懸浮顆粒的分布逐漸變化，聲波在水中傳播時(shí)不會(huì)形成明顯的反射界面，只有當(dāng)聲波遇到水與泥沙、水與混凝土、或者泥沙與混凝土等邊界時(shí)才會(huì)引發(fā)反射現(xiàn)象[5]。這個(gè)現(xiàn)象可以通過(guò)圖3 進(jìn)行詳細(xì)分析和解釋。

圖3 反射波界面

1）水與泥沙之間的邊界通常相對(duì)平滑，介質(zhì)相對(duì)均勻，因此它是一個(gè)明顯的反射邊界。在波形圖上表現(xiàn)為反射波的出現(xiàn)后持續(xù)時(shí)間較短，形成一個(gè)平整的界面[5]。

2）水與碎石或泥沙與碎石之間的邊界相對(duì)較不平整，碎石呈塊狀，因此聲波可以部分穿透[6]。在波形圖上表現(xiàn)為反射波的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，形成一個(gè)不太平整的界面。

3）脫空區(qū)域在剖面圖上與聲納檢測(cè)中的管線相似，因此當(dāng)聲波正好位于脫空區(qū)域正上方時(shí)，會(huì)形成一個(gè)弧形的反射。

2.6 探測(cè)成果

2.6.1 一號(hào)水閘檢測(cè)成果與分析

一號(hào)水閘檢測(cè)范圍如圖4 所示，檢測(cè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)混凝土底板有破損與底板下脫空情況。在露天區(qū)域有施工廢料、礫石、碎石等淤積物，由于底板淤積物并非淤泥，對(duì)聲納探測(cè)來(lái)說(shuō)，與底板混凝土性質(zhì)相似，所以底板與淤積物不容易區(qū)分，且淤積物相當(dāng)于底板的耦合介質(zhì)使聲納繼續(xù)向下傳播，如果遇到脫空，在行進(jìn)過(guò)程中圖形會(huì)有弧狀反射形成[7]。

圖4 一號(hào)水閘檢測(cè)范圍

在涵洞及閘門臨近河流一側(cè)的底板由于變窄水流大沒(méi)有淤積物，剖面圖中影像光滑，典型的剖面圖如圖5、圖6 所示。

圖5 一號(hào)水閘實(shí)際檢測(cè)典型波形圖1

圖6 一號(hào)水閘實(shí)際檢測(cè)典型波形圖2

2.6.2 二號(hào)水閘檢測(cè)成果與分析

二號(hào)水閘檢測(cè)范圍如圖7 所示，檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)涵洞下底板相對(duì)兩側(cè)混凝土底板低7 cm，臺(tái)階在結(jié)構(gòu)接縫處，每次經(jīng)過(guò)臺(tái)階時(shí)都會(huì)有臺(tái)階的特征影像，臺(tái)階的典型影像剖面圖如圖8、圖9 所示，根據(jù)理論分析臺(tái)階式沉降應(yīng)在沉降的一側(cè)有單邊的斜面影像[8]，因?yàn)樘筋^有一定的波束角，在沉降側(cè)臺(tái)階的反射會(huì)被探頭接收，而在正常一側(cè)臺(tái)階不會(huì)有入射聲納的反射，在沉降側(cè)探頭由遠(yuǎn)到近接近臺(tái)階反射距離就由大到小，反之探頭由近到遠(yuǎn)離開(kāi)臺(tái)階反射距離就由小到大，而在臺(tái)階正常一側(cè)并沒(méi)有反射，這樣在影像圖中就會(huì)形成一個(gè)單邊的斜面影像，初步分析可能為橋面過(guò)往車輛的荷載造成的沉降。

圖7 二號(hào)水閘檢測(cè)范圍

圖8 二號(hào)水閘實(shí)際檢測(cè)典型波形圖1

圖9 二號(hào)水閘實(shí)際檢測(cè)典型波形圖2（船探測(cè)時(shí)在臺(tái)階處往復(fù)運(yùn)動(dòng)）

另外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)底板混凝土淤積物很少，所以剖面圖中影像光滑，典型的影像剖面圖如圖8、圖9 所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用淺地層剖面探測(cè)技術(shù)進(jìn)行水閘底板的檢測(cè)，實(shí)踐證明其效果顯著。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展將注重以下方向：更深的地下穿透能力、更高的地質(zhì)分辨率、更高的工作效率，以及將二維探測(cè)擴(kuò)展至更高維度的探測(cè)。為了顯著提高工作效率和探測(cè)的準(zhǔn)確性，淺地層剖面探測(cè)技術(shù)將與其他聲學(xué)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行集成[2]。