浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用.doc

浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用杨仁辉（中交广州航道局有限公司 广州 510220）内容摘要：目前有多种障碍物的探测手段，包括多波束、侧扫声纳、海洋磁力、浅地层剖面法、拖底扫海和人工探摸等。浅地层剖面法可以对浅地层埋藏障碍物进行探测，选择窄脉冲、高频率并采用匹配滤波技术（Chirp）的浅地层剖面仪，采取一些必要的方法和条件，可以取得比较满意的探测结果。关键词：障碍物；浅地层剖面仪；反射系数；分辨率；天然气管线；扫测；沉船1前言在石油天然气开采、管线铺设、航道开挖、码头、桥梁等海洋工程项目施工区域内，经常存在诸如沉船、礁石、管线、残留物体等影响设计施工的障碍物。这些障碍物需要在设计施工前进行探测，摸清障碍物的类型和分布，采取有效的措施进行规避或清除。目前，有多种障碍物探测的手段，包括多波束、侧扫声纳、海洋磁力、浅地层剖面法、拖底扫海和人工探摸等。每一种探测方法都存在优点和不足，单纯依靠一种方法无法对障碍物进行全面的探测，通常做法是根据区域特点综合多种手段实施作业的。但前述这些手段中大多数都是针对表层障碍物，只有浅地层剖面法可以开展浅地层内的障碍物探测。基于原理和目标的不同，浅地层剖面法对障碍物的探测有着相对特殊的应用方法。2浅地层剖面仪原理浅地层剖面仪（以下简称浅剖仪）又称次海底剖面仪，它是研究海底各层形态构造和其厚度的有效工具，其工作原理与回声测深仪相同1。浅剖仪一般由收发机、换能器、电源等组成，换能器周期性向海底发射低频声波信号，声波遇到海底地层界面时产生反射信号，经收发机接收处理绘制成海底地层剖面图像。浅地层剖面法优点是在同一剖面上能快速不间断地进行扫描探测，对于有一定规模的障碍物的探测，无论其是否有掩护，探测效果都较好，一般常用浅地层剖面法探测障碍物以提供准确的平面位置及埋深2。图2-1 浅剖仪工作示意图2.1反射系数由于声波的海底反射能量大小由反射系数（R）决定，反射系数R为：R=2v2-1v1 2v2+1v1 31 V1，2 V2分别表示一、二层介质的密度和声速, V称为声阻率，简单地说，海底相邻两层存在一定声阻率量差，就能在剖面仪显示器上反映两相邻的界面线，并能分别显示两层沉积物的性质图像特性差异。2.2分辨率浅剖仪的分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率指在纵向上能分辨岩层的最小厚度，横向分辨率指在横向上确定地质体（如断层点、尖灭点）位置和边界的精确程度4。垂直分辨率与反射脉冲宽度相关：垂直分辨率=1 2C式中： C：声速 ：脉冲宽度在特定区域内地层的声速是固定的，所以要获得高垂直分辨率就要使用窄的脉冲宽度，而脉冲宽度过窄会影响穿透深度。所以目前多数浅剖仪都采用匹配滤波技术（Chirp），既获得较窄的脉冲宽度保证垂直分辨率又能穿透较深的地层。水平分辨率取决于第一菲涅尔带的宽度。第一菲涅尔带对水平分辨率影响因素是这个带的半径大小，其半径R可由下式表示：R=1 2v（t f）1 2式中：t：到达反射体的时间（s） V：声源与反射体之间介质的平均速度（m/s） f: 声波信号的频率（Hz）菲涅尔带是一个圆弧带，中心距这个带的边缘是1/4，R小，剖面声图能反映探测反射界面的小隆起和凹陷形态；R大，剖面声图不能反映出所探测反射界面的小隆起和小凹陷地貌形态。3应用分析使用浅剖仪探测障碍物主要关注问题在于两点，一是对障碍物图像识别；二是对障碍物位置确定。根据浅剖仪的原理，障碍物的成像首先取决于障碍物与周围地层的声阻率，声阻率越大图像界限就越明显；其次取决于仪器分辨率，分辨率越好能识别的障碍物的尺寸越小。障碍物的位置确定主要取决于水平分辨率，由于定位仪器的精度是相对稳定的，所以水平分辨率越高定位半径越小，位置越准确。所以在浅剖仪的选择上应偏重于窄脉冲、高频率并采用匹配滤波技术（Chirp）的仪器。比如TELEDYNE公司的Chirp浅地层剖面仪，采用匹配滤波技术（Chirp），有两种换能器选择，2-7kHz和10-20kHz，表3-1为计算得到的参数。图3-1 Chirp浅地层剖面仪 Chirp浅地层剖面仪计算参数 表3-1另外在使用浅剖仪进行探测时还应该注意以下几点：1 采用旁挂式安装，避免拖曳式安装带来的位置误差；2 采用高平潮时段进行作业，保证天气状况良好，换能器远离发动机，船速保持在4节以下，避免作业船姿态和混响影响；3 在对特定障碍物探测时，应尽量横切障碍物。对作业区域扫测时，应垂直潮流方向作业；4 判图时定位点应选择在绕射图像顶点位置。4案例分析4.1天燃气管线探测航道疏浚、码头施工等水运工程建设项目经常会遭遇管线路由这类障碍物，管线经常会横贯整个施工区域。油气管线、海底电缆等具有非常重要的社会经济价值，一旦破坏必然造成十分严重的经济损失和安全事故。所以设计施工前对管线路由的探测就显得很重要，其中部分管线是埋藏于海底以下，这就需要使用到浅剖仪。珠江口某航道需要进行疏浚维护，某天燃气管线与该航道相交，为了避免疏浚施工过程中对天燃气管线造成破坏，施工单位组织对该管线进行探测。4.1.1探测设备浅剖仪采用Syqwest 公司的StrataBox3510，这是是一款便携式的水下地层成像系统，系统包括主机、换能器和数据采集计算机，它能以6cm 的分辨率穿透水下地层40m 深度。定位DGPS采用天宝DSM232，测深采用HY1600单频测深仪。 图4-1-1 STRATABOX 系统组成浅剖仪器支架固定安装在船舷，DGPS 天线固定在安装支架上，与Stratabox 换能器处在相同的平面位置上。图4-1-2物探仪器安装位置图4.1.2调查过程调查方式是走航式，按照规范要求50m 的间隔垂直管道布设了21 条长度500m 的测线。船速一般控制在4 节左右，在跨越管道时，船速不大于1 节， HY1600 数字测深仪进行了同步测深。由于调查期间的海况较差，调查船很难沿计划测线测量，同时也不能够很好地控制船速，第一航次测量的结果不是十分理想。为了准确地探明海管跨越航道的状况，安排了第2 航次地质勘察，采用高平潮时段施测，取得了较好的效果。图4-1-3天然气管线探测测线布设图4.1.3分析浅地层剖面仪探测时，由于石块和碎石层对声波的强反射，直径达330cm380cm、厚度约1m 的石块层对地震探测的声波有屏蔽作用（声波无法穿透石块），因此，用地震探测海底管线具体位置的难度较大，地震只能够探测到石块的顶面，此外在声学图像上可以清晰辨别人工开挖面、海底面、流泥及淤泥底面、粉质粘土的底面等。几乎所有的浅地层剖面中，都可以清晰地分辨出管线埋设时代人工开挖面及管线埋设后的保护层顶面的声学反射界面，根据人工开挖面和保护层顶面确定海底管线埋设的位置，包括平面位置和埋设状况。图4-1-4天然气管线剖面图像经过对本次天然气管线的探测，摸清了施工区域内管线的具体位置和埋设深度。设计和施工单位根据探测资料明确了设计和施工方案，避免了存在的风险。4.2航道障碍物扫测水运工程建设项目在设计施工前一般都会对项目区域内进行大面积的障碍物探测，尤其是在设计论证阶段。这种探测不同于对特定障碍物的探测，往往无法确定障碍物的类型、埋藏状态和大致范围，所以只能对整个区域按照较小比例布线施测。然后对疑似障碍物进行加密探测，最后通过人工探摸、挖掘等方式进行验证。江苏某航道工程位于出海口，由于常年淤积早年间该区域存在的沉船、回填石等物体都已经被埋藏，无法确定具体位置，海事部门也没有这些障碍物的资料。业主、设计单位会同施工单位组织进行了航道障碍物的扫测。4.2.1探测设备浅剖仪采用TELEDYNE 公司的Chirp，定位DGPS采用天宝DSM232，测深采用ODOM单频测深仪。图4-2-1 物探仪器安装位置图浅地层剖面仪托鱼安装在调查船的右舷，单波束测深仪的探头安装在调查船的左舷，DGPS天线固定在安装支架上，与单波束测深仪探头平面位置相同。4.2.2调查过程调查分两个步骤，首先根据调查区域水域特点此次调查采用沿航道方向施测，共布设35条测线，测线间隔10m。经过初步分析，筛选疑似障碍物，然后对疑似障碍物所在位置进行加密探测，以便进一步确定。调查过程中船速保持在4节以下，进行加密施测时船速控制在1-2节，施测时间都选择在高平潮时段。图4-2-2 扫测布线图4.2.3分析与对地层反射图像分析类似，对于障碍物的分析也是根据反射特征进行判断的。有所不同的是前者主要关注的是连续反射，后者要关注的是孤立的反射特征。障碍物与自然地层是不整合的，所以在图像上就会形成较明显的灰度反应，有些孤立的障碍物还会存在绕射波。但并不是判断障碍物的绝对依据，有时断层棱点、地层尖灭点、自然不整合面和噪声在剖面图上也会有这样的表现。因此在初步分析后还要进行加密探测，用来排除假图像。这是与特定障碍物探测在图像判别的最大不同点。图4-2-4 沉船反射图像图4-2-5 孤立石块反射图像在本次探测中发现了4个疑似障碍物，经过加密探测排除了其中一个噪声干扰，后经施工船挖掘验证有两个为沉船，另外一个为孤立石块。5总结海洋工程中对障碍物探测的手段比较多，通常都是采用几种方式综合应用的。浅地层剖面法是相对比较特殊的，这是因为它除了可以对海底表面障碍物进行探测外，还可以探测埋藏障碍物，在这一点上是其他探测手段无法达到的。虽然浅剖仪设计研制的初衷并不是针对这项工作，但是随着应用方向的不断扩展和实际使用的不断积累，浅剖仪在障碍物探测方面的应用必然会越来越频繁。当然现阶段浅剖仪对障碍物的探测还存在许多的不足，一是图像干扰较多，许多自然地质现象和噪声会造成误判；二是剖面图像反应不直观，多数情况下只能定量的判断，无