浅地层剖面仪在近海航道工程中的应用.docx

1、文章编号：1002-3682（2010）02-0070-08浅地层剖面仪在近海航道工程中的应用曹双，罗红雨，曾飞（K江下游水文水资源勘测局，江苏南京210011）摘要：采用浅地层剖面仪在中国黄海近海航道工程中进行声学割面探测，可以有效界定工程区域地质构造，尤其是识别坚硬礁岩及灾害性浅层气。根据工程实例进行了典型的地层割面解析分析并对层内物质成分及其沉积环境作了简单的说明C关键词：浅地层割面仪；解析分析；航道工程中图分类号:P631.5文献标识码：A随着江苏省苏北沿海经济的发展，苏北黄海近海城市的发展迫切需要港口航道的支撑，江苏沿海处于南北长达200km的辐射状沙群的尾部，浅滩居多，港池建设需要

2、配合较大工程量的航道开挖。港池航道建设离不开地质调查，在进行海底地质调查时一般采用浅钻、深钻的勘察方法来获取地质资料，但该方法成本较高，既费时又费力，不适宜大范围内进行，且钻孔又不能布置得过密，两层之间地层走向不能正确延伸；而采用英国超声波式DA-50浅地层剖面仪与定点钻孔方法能较好地起到互补作用，浅剖无法得到土层的物理、力学指标，通过钻孔口J以得到，浅剖资料通过鉴别孔口J得到正确解释，地层走向能正确延伸。1工作原理本次地质探测采用的仪器为DA-50超声波式浅地层剖面仪，是利用声波在水中和水下沉积物内传播和反射的特性来探测水底地层的设备。这种仪器是在回声测深技术的基础上发展起来的，它的换能器装

3、在调杳船或拖曳体中。在走航过程中，发射器垂直向水底重复发射大功率低频脉冲声波声波遇到水底及其下面的地层界面时产生反射回波。由于反射界面的深度不同，回波信号到达接收器的时间也不同，而地层介质均匀性的差别大小则决定了回波信号的强弱。接收到的信号经过放大、滤波等处理后送入记录器，在移动的干式记录纸上显现出不同灰度的黑点组成的线条，描绘出地层剖面结构。浅地层剖面仪的地层探测深度通常为几卜米，声波穿透地层的深度受发射器的声源级、工作频率、海底表层的反射系数和散射系数及地层的声吸收系数等因素影响。声源强度相同时，最大探测深度与最高工作频率成反比。一般来说，浅地层剖面仪穿透地层的功率较弱，纵向分收稿日期：2

4、010-01-28作者简介：普双（1980）,男，工程师，主要从事水文泥沙、河道整治、海岸工程、海洋工程方面研究.E-mail：xycaos（张骞编辑）辨率则比较高，可达1530cm；而深地层剖面仪功率较强，分辨率则较低。增大有效频带宽度能提高地层分辨率。地层剖面仪广泛应用于海洋地质调值、港口建设、航道疏浚、海底管线布设以及海上石油平台建设等方面。与钻孔取样相比，利用剖面仪进行地质调查具有操作方便，探测速度快，记录图像连续且经济等优点。CODA50浅地层剖面仪是一种利用3.59.0kHz的超声波向水中发射低频率的声波，同时接收海底地层反射回来的信号。利用软件对回波信号进行处理，来对海底地层进行

5、分析和处理，从而获得对海底状况的调查和勘察，为海洋考查、地球物理勘测、海洋石油和海洋工程等海洋开发活动提供前期的技术资料。这套浅地层剖面仪最大发射功率为10kW,淤泥层分辨率为10cm,在上海长江口水域曾完全穿透8m沙层。结合本次工程需要的探测深度(10m)及地质钻孔资料，此次测地的仪器探测频率设置为3.5kHz,增益基本上在最大增益的2/3处。图1和图2是DA50的主机和水下探头照片。图1浅地层剖面仪主机Fig.1Hostprocessorofsubbottomprofiler图2浅地层剖面仪水下探头Fig.2Underwatersensorsofsubbottomprofiler2勘察实施

6、勘察过程中需要进行平面导航，记录航迹线，以及进行实时高程控制记录。在勘察区域范围内设置控制水位站，其高程从附近高等级水准点引接过来。采用TrimbleDSM212HDGPS进行导航定位，录入航测中心线文件，DA50浅地层剖面仪沿线进行探测，并记录下实际航测线，每隔10s软件自动定位一次并储存座标文件，另外用GPS的RTK测量方式现场每隔10min进行一次实测水面标高。3剖面资料分析3.1单位换算由图解式记录仪显示的地震记录是一幅在空间上失真的地质构造图。这种失真的产生是由于记录系统所显示的测量数据与时间相关，而不是与空间相关：一个轴表示船的走时，另一个轴表示穿过地震波速介质的声波双程传播时间。

7、为了把时间剖面换算成深度剖面，在整个剖面中要求采用精确的地震波速值。本次勘察过程中：海水盐度S为25,水温为9.3P,对应的声波速度为1470m/s；表层沉积物中声波速度1600m/s。水体中声速计算公式为：p=l410+4.211-0.037/+1.14S(1)式中”为温度CC)；S为盐度3地层中声速计算公式为：c=J(K/p)(2)式中，P为介质的密度；K=dp/(dp/p),为体积弹性模量。3.2多次波的判别勘察过程中由爆炸点下面的地质构造产生的直接反射叫做一次“真”波，而在剖面图上看到的由多次反射或者非垂直反射引起的波叫做二次声波。勘察过程中，由于海底的多次反射，本项目各剖面图中也存在

8、二次波现象，由于本次勘察深度为海底以下10m范围内，二次波在调查范围之外，勘察范围内的波基本全是'真”波，见图3。图3第1类声波反射图Fig.3Adiagramforthefirstkindofacousticreflection3.3特征图形解析3.3.1波图像连续、灰度变化不明显由图4可见，此类波形F海底呈现波浪形态，主要原因是外业勘察过程中，天气较恶劣、风浪较大，海况较差，船舶在航测过程中颠簸、摇摆幅度较大所致，我们结合地形图图4第2类声波反射图Fig.4Adiagramforthesecondkindofacousticreflection将可以得到平滑概化后海底线.且比较逼真

9、准确度较高。海底线以下10m范围内，回波形态连续均匀光滑，灰度相近，色差较小，说明该类勘察分析范围内的地质组成密度比较相近,两钻孔点之间浅剖图形如果呈现这种形态，地层地质参数可以线性插值过渡连接。3.3.2波图像连续、有灰度变化，层次明显由图5可见，海底线之下，回波形态可以按照相对灰度分为深一浅一深一浅-深-浅几层。说明该剖面处地质密度有一定的变化,其变化趋势大致为:大一小一大一小一大一小。图5第3类声波反射图Fig.5Adiagramforthethirdkindofacousticreflection3.3.3波图像不连续、有灰度变化，有空白区域由图6可见，该剖面左侧很显然有个长度约3m的

10、断裂带，产生该现象的主要原因是勘察过程中，风浪较大，海况较差，船只前后颠簸、左右摇摆的幅度较大，由于船舷较高，拉杆长度有限，浅剖仪探头湿端入水深度仅有0.85m,不可避免地会产生探头斜射或部分露出水面的情况，因而在回波图上出现断裂带。波形出现断裂不连续的情况在其他局部剖面中也常有发生，基本出自同一原因：海况差、探头斜射或露出水面。图6第4类声波反射图Fig.6Adiagramfortheforthkindofacousticreflection图6中椭圆形区域是回声空白区域，也就是此处很可能存在一个小范围浅地层气块。浅层气的形成主要有2种：一是在古洼地、古湖泊或古河道、古潮汐通道内浅埋的有机质

11、经腐败细菌分解转化为甲烷或沼气；二是深部石油气沿沉积物孔隙、裂隙或断层向上运移，这种上升运移过程中有时会因致密覆盖层的阻挡而沿孔隙比大的砂层水平位移。在浅地层探测中所发现的浅层气一般属于第一种情况。浅地层气块在近海航道工程中的主要危害在尸航槽整治、疏浚、开挖的过程中，气体上方覆盖层被机械破坏，气体得以释放，若气块体积较大且内部压力较大，大量气体瞬间释放到水体中，冲击顶托上方水面和施工船舶，易造成工程事故。4解析剖面图的绘制将剖面探测的数据生成报告，提取主要信息：时间，水深，定标线号；导出水位仪水位数据；导出船上定点高程数据。将时间统一到北京时间，然后按照时间排列，将定标号、水深对应起来；用水位

12、过程线来校核船上定点商程变化过程线；根据船上定点高程变化过程线将水深换算到统一基面F。将船舶航测的时间单位换算成距离单位(速度x时间：每10S发射一次超声波)并在航迹图上进行校核。然后以距离为横轴，高程为纵轴，绘制一定比例剖面图轮廓图。在轮廓图的基础上各条线的全剖面图分别进行完善和解析。对于任一条全剖面，首先根据定标线号在轮廓图上找出钻孔点位置，将钻探成果按照比例移骨到轮廓图上，再将所选择的局部剖面图解析成果移置到轮廓图上，最后结合全断面剖面回放，完成整个剖面的分层解析。由于勘察过程中浅剖仪发射功率较大且频率较低、波长较长，声波的穿透能力较强，由于海底匕部浅层为含水率较高的浮泥，声波较易穿透，

13、可能导致得出的水深较深，而海底及各地质层的实际高程偏低。5结语在近海航道工程建设调查中，浅地层剖面仪在圈定地层单元尤其是查明海底以下对航道开挖、疏浚会有重大安全影响的坚硬地质及危险浅层气因素方面具有不可替代的作用，它与地质钻孔探测相结合为近海航道工程的设计和施工提供科学、准确的工程数据，同时缩短前期工作时间，节约了成本。参考文献：口郭炳火.中国近海及邻近海域海洋环境M.北京：海洋出版社.2004.2 张金城，蔡爱智，郭一飞.浅地层剖面仪在海岸工程上的应用口.海洋工程.1995,13(2):20-22.3 VINCENTWG,KRUGERCH.Introductiontophysicalgasd

14、ynamicsM.NewYork：KriegerPublishingCompany,1965.4 夏美永.米晓利.浅海剖面仪在海洋工程中的应用J.物探装备,2002,12(1):3032.ApplicationofSubbottomProfilerinEngneeringforWaterwayinNear-shoreSeaCAOShuang,LUOHong-yu,ZENGFei(HydrographicSurveyBureanforChangjiangRiverLoxverBasin,Nanjing210011,China)Abstract：Subbottomprofilercanbeusedforwaterwayengineeringinthenear-shorewatersoftheYellowSeatocarryoutacousticprofilingsurveyandtoefficientlydeterminethegeologicalstructuresinthesurveyedarea.Itisespeciallyhelpfultoidentifyunderwaterhardrocksorharmfulsubbottomgasdistribution.Apractical