侧扫声纳和浅地层剖面仪在表层淤泥探测中的应用.docx

1、Vol.51No.5Oct,2014Total220第51卷第5期2014年10月总第220期港工技术PortEngineeringTechnology侧扫声纳和浅地层剖面仪在表层淤泥探测中的应用张惟河，梁思明,杨仁辉(中交广州航道局有限公司，广东广州510220)摘要：侧扫声纳和浅地层剖面仪因其高效和经济的优势，在近海工程物探领域具有广阔的应用前景。本文通过介绍不同表层淤泥探测方法的实际应用，分析各种探测方法的应用优劣点，发现侧扫声纳和浅地层剖面仪相结合的表层淤泥探测系统在科伦坡近岸海底表层淤泥探测中的应用具高效、经济和准确度高的特点，为今后类似海岸工程地质勘察提供了一种参考方法。关键词：侧

2、扫声纳;浅地层剖面仪;表层淤泥探测中图分类号:P332.5文献标志码:A文章编号:1004-9592(2014)05-0086-06ApplicationofSide-scanningSonarandShallowStratumProfilerinSurfaceSiltDetectionofColomboOffshoreSeabedZhangWeihe,LiangSiming,YangRenhui(CCCCGuangzhouDredgingCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong510220,China)Abstract：Duetotheirhighefficiencyandlo

3、wcost,side-scanningsonarandshallowstratumprofilerwillbewidelyappliedtooffshoreengineeringgeophysicaldetectioninfuture.Thepracticalapplicationofdifferentsurfacesiltdetectionmethodsisintroducedindetail,themeritsandfaultsoftheabovedetectionmethodsarealsoanalyzed.Theanalysisresultsshowthatsurfacesiltdet

4、ectionsystemcombiningside-scanningsonarwithshallowstratumprofilerbeingappliedtothesurfacesiltdetectionofColombooffshoreseabedisofhighaccuracy,highefficiencyandlowcost.Theconclusionwillprovidereferencesforsimilarcoastalengineeringgeologicalsurveyinthefuture.Keywords:side-scanningsonar;shallowstratump

5、rofiler;surfacesiltdetection引言通常把游离在海床表层,一定密度以内的底质层称为表层软淤泥层，其组成为粘性细颗粒泥沙。海底表层淤泥具有颗粒粒径小、密度小和固结程度低等特点，若将其作为天然地基或吹填造地材料，将会是一层极为软弱的持力层，在工程施工和运营过程中极有可能出现严重的地基沉降和其它安全事枚稿日期：2014-07-08作者简介：张推河（1986-）,另，助理工程并，主要从事水运工程勘测工作C故。因此，摸清海底表层淤泥的分布状况，是海岸工程地质勘察的工作重点，是海岸工程设计及施工过程中不得不重视的场地因素。研究如何更好、更有效地掌握海底表层淤泥的分布情况对于海岸工程

6、设计施工具有重要意义。目前国内外对海底表层淤泥探测的方法主要有人工潜水探摸和钻探取样、泥浆密度仪探测、双频测深仪探测、Silas淤泥探测以及浅地层剖面仪探测等。从探测效果上看.以上探测方法各有特点和优势。但是对于特定区域（测区面积大、表层淤泥区在海底呈斑状分布、淤泥厚度大和容重大），如在科伦坡近岸海底表层淤泥探测中普遍存在效率低、准确度较差、成本过高和使用局限性较大等问题。针对科伦坡项目这一情况，我们将侧扫声纳和浅地层剖面仪结合起来成功应用,取得了较好的效果，为今后类似海岸工程海底表层淤泥探测提供了一种参考方法。1不同探测方法介绍1.1人工潜水探摸和钻探取样人工潜水探摸和钻探取样能够很直观的了

7、解海底底质类型，并在一定程度上探清表层淤泥的厚度分布情况。但是其为点式作业,工作效率极低，成本高，还易受风浪、水深条件等海洋环境的约束，如果水深过大时潜水人员无法潜到海底进行探摸，而淤泥厚度过厚时也无法摸透其厚度。当需要大面积调查时,人工潜水探摸和钻探取样工作量非常大，不是合适的选择方法。1.2泥浆密度仪探测泥浆密度仪能够对某个点淤泥垂向上进行任意密度划分，并能测定其厚度（图1）,但是其缺点也同样明显.跟人工探摸一样为点式作业,效率极低,易受海洋环境的约束。同时由于密度计本身重量有限，当测区淤泥厚度和密度较大时，密度计很难靠自重使音叉头接触到硬底位置，无法准确测量该点的淤泥厚度。图1浮、淤泥密

8、度模型剖面1.3双频测深仪探测双频测深仪的工作原理与浅地层剖面仪类似,有2个丁.作频率，例如210kHz（高频）和33kHz（低频）,其中低频声波的穿透能力要好于高频声波，但穿透能力也是非常有限的。张俊、顾亚平等人在双频测深仪对淤泥层测定的研究中发现，在一定发射功率下，高频卢波（210kHz）一般在泥沙密度为1.2Um，左右的界面处反射，而低频声波（33kHz）能够穿透密度1.3t/m3左右的泥层，遇到1.4t/m3以上密度的泥层时一般无法穿透叫而在疏浚岩土分类标准JTJAT320-96中提到淤泥密度最大可达到1.661/m3,因此在淤泥密度大于1.4t/m3时，双频测深仪探测淤泥厚度是受限制

9、的。在某项目工程中同时应用了双频测深仪和浅地层剖面仪进行淤泥厚度探测，将双频测深数据和浅剖淤泥厚度数据进行比较，结果见表U表1双频测深数据与浅剖成果比测结果测点比溯点位置坐标双频探测淤泥厚度/m浅剖探测淤泥厚度/m差值/mXlmy/m1549762.93745857.70.20.8-0.62549755.33745872.00.30.9-0.63549750.03745887.40.30.9-0.64549746.13745903.00.21.0-0.837549711.43745838.80.31.1-0.838549704.93745862.10.40.9-0.539549694.2374

10、5892.60.30.9-0.640549680.03745921.50.30.8-0.5由表1可知，双频测深仪所测得淤泥厚度值比浅剖测得的淤泥厚度要小很多，说明双频测深仪的低频声波没能完全穿透淤泥层，而是在淤泥层中某一对应的密度层就发生了反射，无法准确测得该区域的淤泥厚度。浅地层剖面仪工作频率要比双频测深仪小很多，一般为210kHz,理论上在淤泥中最大穿透深度可达100m左右，能够完全穿透表层淤泥并进行表层淤泥厚度划分。1.4Silas淤泥探测Silas淤泥探测系统是点式与走航式结合进行的淤泥探测系统。Silas软件有先进的信号采集、滤波功能，能保证获得清晰的浮、淤泥层声学剖面，同时利用泥浆

11、密度仪获得代表点（标定点）断面的密度（粘度）柱状图，为Silas软件根据声学反射信息来推断、划分剖面上其它点的密度和粘度提供依据.最后Silas软件可任意给定一个密度值，该值被输入后，此密度层面即可连续划分出来。但是该套系统是泥浆密度测量与双频测深的组合产物，泥浆密度仪探测和双频测深仪探测过程中存在的问题依然存在于这套系统内，例如无法探测厚度大和密度大的淤泥层。同时该套系统在新测区淤泥探测前都要进行表层淤泥采样，然后再对泥浆密度仪进行标定，1：作较为繁杂，且受淤泥采样条件限制较多。1.5浅地层剖面仪探测一个0.1m分辨率的浅剖系统能区分开最小0.1m厚的层，若层面间距小于0.1m则会被系统处理

12、成一个层面。在一个常规的浅剖系统中，它的分辨率限值是由它的发射脉冲长度来确定的。如ChirpIII声学剖面系统，正是它的发射脉冲的带宽决定了系统的理论分辨率。常规浅剖系统的理论距离分辨率计算公式为：距离分辨率=燮哮渥其中脉冲长度等于带宽的倒数。举个例子说,ChirpIII工作中使用带宽为5kHz的脉冲的持续时间，大约是200xl0-6s(l/5000Hz=0.0002s),以1550m/s的速度传播在200x10"s的时间里，声波大约会前进0.3mo考虑到一个来回的行程，结果是一个0.15m距离的单程,这就是它的距离分辨率。另外,除了穿透波束的频率和带宽，其它能影响系统分辨率的相关因

13、素还有如波束的水平宽度、拖鱼的拖曳速度、拖鱼和水底之间的距离、信号处理的特性等。因此理论上一般的浅地层剖面仪(2-10kHz)垂向探测分辨率约为0.10.3m,再考虑到上述其它影响系统分辨率的因素，我们认为浅地层剖面仪在工作中垂向探测分辨率最小约为0.3m。也就是说在淤泥探测中，当淤泥层厚度小于0.3m时，浅剖仪就将无法有效地识别出淤泥层，而在淤泥层厚度普遍大于0.3m的测区，其边界区域由于处于厚度收敛状态，一般会有个尖灭的过程,其淤泥厚度也可能小于0.3m,故很难划分淤泥边界位置。侧扫声纳根据海底底质的不同，声波会有不同强弱信号反射,即粗粒沉积几乎为镜面反射，而淤泥却不能反射声波到换能器，因

14、此可以快速进行海底表层土质分类和划分相应土质边界，引入侧扫声纳结合浅地层剖面仪同时对海底表层淤泥进行探测，能够解决浅地层剖面仪探测淤泥中存在边界位置划分不准确的问题。2系统介绍2.1侧扫声纳海底地貌无法像陆地上那样在可见光下直观可视，必须透过海水这层介质去获取海底地貌数据。侧扫声纳是海底地貌测量常用的方法,其原理是声学换能器向沿着航迹的两侧海底发射低入射角高频声脉冲扇形波束，接收单元接收回波信号，数据处理单元分析记录声波往返走时和反射声脉冲强度，形成以灰度强弱显示的二维海底地貌图气侧扫声纳类似于水下相机一样对海底进行拍照成像，是利用声波在不同沉积物的声阻抗差异特性，接收强弱不同的海底回波信号，

15、单个ping接收的是一条反映海底底质特性的很小方块或者像素序列，每个像素序列都包含有一个坐标和反射强度信息，一系列连续的像素序列最终形成高分辨率的海底图像。利用侧扫声纳的“拍照”功能，可应用于海底底质分类、海底矿产资源评价、障碍物探测和地质灾害调查等。2.2浅地层剖面仪浅地层剖面仪是探知地层垂向结构和性质的声学设备，在一定程度上能够反映海底浅部地层的分层情况和各层底质的特征。其工作方式与测深仪相似，换能器按一定的时间间隔垂直向下发射声脉冲，声脉冲到达第一个强声阻抗界面即海底时，部分声能被反射返回接收单元，另一部分声能则穿透地层继续向下传播，当遇到一个新的强声阻抗界面时，就会有部分声能返回接收单

16、元，如此不断进行，直至声波能量损失耗尽为止，声波的传播过程见图2。图2声波的传播示意声波在遇到声阻抗界面时就会发生反射,反射能量强弱由介质的反射系数(R)决定。R二入射脉冲振幅二代3-2岭一反射脉冲振幅一PM+022P0,伽2分别表示一、二层介质的密度和声速，由上式可知要得到声强反射，介质必须要有大的声速和密度差，即当IX趋近于0时，两层的相邻界面就会几乎无声强反射，而当IRI趋近于1时，两层的相邻界面就会有较强的声强反射，在浅地层剖面仪终端显示器上会反映灰度较强的剖面的界面线浅地层剖面仪就是利用声波在不同介质中传播，遇到声阻抗界面会发生反射的原理进行工作，可应用于海底表层淤泥以度的探测、海底

17、管线调查、海底矿产资源评价、障碍物探测和地质灾害调查等。3应用分析3.1应用实例为了掌握科伦坡港口城项目吹填区表层淤泥的实际空间分布情况，保障后续匚程设计和施匚顺利开展，相关单位于2013年8月对其海底表层开展了淤泥探测作。经过综合比较分析现有的淤泥探测方法，最终确定使用侧扫声纳和浅地层剖面仪作为探测手段。侧扫声纳测定淤泥的平面分布情况，浅地层剖面仪测定淤泥的厚度分布情况.并且通过与人匚潜水探摸取样资料比对验证这套系统探测成果的可靠性。本次探测内容主要包括侧扫声纳测址、浅地层剖面探测以及水深测量（单波束和多波束），定位设备使用TrimbleDGPS系统，以HYPACK软件辅助导航。在实地探测前

18、，通过不断调试设备参数，反复比较各参数对声纳图像和浅剖图像质量的影响，确定最佳的作业参数，按照计划测线进行走航式测址。图3声纳镶嵌分析侧扫声纳和浅地层剖面数据都采用Sonarwiz5软件进行后处理分析，主要进行杂波剔除、增益调节、海底跟踪，图像分析等步骤.最终获得声纳镶嵌图和浅层剖面图。声纳镶嵌图中有声学空白区（见图3）,对应的浅层剖面图中有声学空白层（见图4）,结合该区域海底底质类型（中粗砂、淤泥、礁石）和海底地形悄况初步判断该I乂域的声学空白区域很可能为淤泥分布区域。图4浅层剖面分析3.2应用分析物探图谱中的声学空白区和表层声学空白层很口J能是淤泥分布区域，是本次淤泥探测最主要的研究对象侧

19、扫声纳图像中出现的声学空白有2种原因,一种是由于海底地形的遮蔽（图5）,声波无法到达某一位置而形成的肓区；另一种是海底底质为声能强吸收物质，侧扫声纳声波到达该类型土质时,声能大量损耗，几乎无法返回换能器而出现声能空白。Sa区海旨)M图5侧扫声纳发射声波受到遮蕊形成声学空白区示意声学空白区4=1等深线（多波束）：U图6测区水深由图5可知，若海底有较大的凸起或凹陷地形都会造成侧扫声纳声波受到遮蔽，其图像中就会出现声学空白区。但由图6反映的测区多波束水深情况来看,该区域海底地势较为平坦,并无较大的凸起或凹陷地形，同时侧扫声纳测量为全覆盖扫测，若海底存在较大的地形起伏，也不会造成整块区域的声学空白，应

20、该为零星分布的，因此可以排除该区域侧扫声纳图像中出现声学空白区是由于海底地形的遮蔽造成的。由于海底底质的不同，侧扫声纳声波会有不同强弱信号反射,即粗粒沉积儿乎为镜面反射，而淤泥却不能反射声波到换能器叫结合该海域地质背景资料即该海域海底表层土质主要为中粗砂、淤泥以及礁石，因此可初步判定声纳图像中出现的声学空白区域很有可能为淤泥分布区。针对声纳图像中出现的声学空白区域对应处理浅地层剖面数据发现，浅剖图像对应在该区域位置出现约1m厚的声学空白层，而声波在其它区域的海底面反射强度明显强于该区域的声波反射强度。浅剖图像中出现的约1m厚的声学空白层，表明该层位土质密实度较小,物质成分单一，进一步有力的说明

21、了淤泥区存在的可能性。为了更直观的确定声学空白区的土质类型和验证该套系统探测成果的可靠性,在声学空白区域进行了9个点的人工潜水探摸取样和2个点的钻探取样,在强反射区域进行了3个点的人工潜水探摸取样，探摸取样点和钻探取样点位均布置在浅地层剖面航迹线上,各点位分布情况如图7所示。声学空白区：U浅剖主测线（东西向）r探摸取样点，。浅剖主测线（南北向"钻探点|。图7人工探摸和钻探取样点位分布人工探摸和钻探取样情况与侧扫声纳和浅地层剖面探测结果进行比较.两者比测结果统计情况详见表2。表2人工探摸和钻探取样情况与物探成果比测结果194640.8193483.6黑色、淤泥1.00.9-0.1295

22、104.0193397.1黑褐色、淤泥0.80.90.1394387.4193232.9黑色、淤泥1.10.80.3494631.1193231.1黑色、淤泥0.80.80594886.5193232.5黑色、淤泥1.01.10.1695138.2193232.9黄羯色、淤泥混砂0.80.7-0.1794639.7192986.1黑色、淤泥0.90.90894879.2192984.4黑色、淤泥0.90.8-0.1994637.1192730.8黑色、淤泥1.00.8-0.2BBH0194663.7193431.8黑色、淤泥0.80.90.1BBH0394666.1193032.7黑色、淤泥1

23、.00.9-0.11095582.5192984.4黄色、中粗砂0001195107.9192726.1黄色、中粗砂0001294627.8192501.8黄色、中粗砂000探换和钻探位置取样点位置坐标编号XlmYim表层土样描述厚度差tff/m探摸费就淤泥声学空白区强反射区由表2可知，声纳图像所反映的声学空白区域内人工探摸和钻探取样所揭露的土质为淤泥，与前面分析推测的结果一致，表明侧扫声纳和浅地层剖面仪相结合的淤泥探测系统的探测结果真实可靠。在淤泥区的中心区域，浅地层剖面所获得的淤泥厚度与对应点人工探摸和钻探取样淤泥厚度吻合度较高，而在淤泥区的边界区域，浅地层剖面所获得的淤泥厚度与对应点人工

24、探摸淤泥厚度吻合度相对较差，这种情况是由于淤泥分布区边界附近淤泥厚度变化较大或者由于其厚度较小，超出了浅剖仪的垂向分辨率，这样浅剖仪很难准确的找到淤泥分布区的边界位置。在浅剖数据实际后处理过程中边界区域淤泥厚度的划定是根据侧扫声纳锁定的空白区进行人工绘制淤泥底界，与人工探摸淤泥厚度会有定的偏差。4结语1）侧扫声纳和浅地层剖面仪组合成的淤泥探测系统为走航式测量，可以对淤泥层进行连续层厚划分,并能有效锁定淤泥边界位置，同时与探摸取样情况吻合较好，是目前较为高效、经济、准确的淤泥探测方法。建议对于探测面积大旦未知是否存在淤泥的区域，可先用侧扫声纳对测区进行小比例尺的扫测,确定淤泥大致分布范围后，再用侧扫声纳和浅地层剖面仪有针对性的进行布线探测，可以更好的提高作业效率、节省成本。2）与其它表层淤泥探测方法相比，该方法更加适用于厚度和密度较大的淤泥探测，能够更准确地找到淤泥底界高程位置。3）该套淤泥探测系统也存在一定的局限性:对于表层土质的定类需要同时借助人工水下取