浅地层剖面仪在葛洲坝下游河床组成勘测中的应用.docx

1、文章编号：1006X)081(2012)07-0028-03浅地层剖面仪在葛洲坝下游河床组成勘测中的应用IE杜林霞全小龙聂金华张黎明（长江水利委员会长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌443000）摘要：为探究浅地层剖面仪在探测河床地质结构、沉积物及冲刷特征时的作用，介绍了该剖面仪的工作原理及系统组成，对探测试验的典型剖面图进行了解释和分析。在坝下游测量中，结合使用剖面图和常规测量方法，提高了对河床组成分析和河床上工程监测的准确度。此外，还探讨了浅地层剖面仪在实际应用中的制约因素。结果显示，该剖面仪在葛洲坝下游河床勘测应用中存在明显优势，可为有效监测河床变化提供参考。关键词：河床变形；地质勘测；

2、地质结构；剖面仪；葛洲坝水利枢纽中图法分类号:TV147文献标志码:A收稿日期：2012-06-01作者简介：杜林霞，女，长江水利委员会长江三峡水文水资源勘测局，工程师.葛洲坝下游是研究三峡蓄水后对长江河段冲刷的关键性区域。该区域的河床组成对河道后续演变的预测至关重要，也能为关键性河段采取整治工程设计提供依据。随着声学仪器不断改进,单波束、多波束测深系统以及水声纳系统均可为水下测量获取测深数据提供有力支持。然而对于河床地质结构、沉积物和冲刷特征，却无法从这些系统的测深数据中获取，引入浅地层剖面仪进行探测可获取这些方面的特性。1剖面仪概况1.1工作原理浅地层剖面测量是一种基于水声学原理的连续走航

3、式探测水底浅部地层结构和构造的地球物理方法1"O浅地层剖面仪是基于声波在界面上产生反射这种性质设计的，其工作方式与测深仪类似。测深仪只能测量换能器到河底的水深，而浅地层剖面仪不仅能测量河底水深，还能探测换能器垂直下方的海底一定深度，反映河底地层分层情况和各层地质的特征。浅地层剖面仪的换能器按一定时间间隔垂直向下发射大功率低频声脉冲，声脉冲穿过水体触及河底以后，部分声能被反射返回换能器;另一部分声能继续向地层深层传播，同时回波陆续返回，声波传播的声能逐渐损失，直到声波能量损失耗尽为止。测量地层厚度，实际是测量声波穿透地层传播的时间，如表示地层上下两个界面之间的时间差，即声波往返两次穿过

4、该地层上下两个界面的时间”表示该地层的声速，这样就可按下式（1）算出该地层厚度3-4】:M（1）式中w为地层厚度,m；V为地层声速,m/s；AT为声波往返两次穿过地层的时间,s。1.2Chirpffl系统ChirpHI是美国Benthos公司推出的浅地层剖面系统。采用线性脉冲调频方式,重量轻，方便携带、运输，适合在小型船舶上测量使用。系统的设置方便，可使用多种拖鱼和声源。探测系统组成见图1。为了将Chirpn浅地层剖面仪更好地应用于长江江底探测，需要对原拖鱼式换能器体进行改进。原拖鱼式换能器（见图2（a）安放在测船尾用缆绳拖行测量，但在长江测量时，来往船只和河流中大量浅滩会对其安全性构成威胁，

5、因此改为固定在船弦两侧，能大大提高安全性和探测效果。改装后的电缆便携式PC工作站换能器GPS导航系统图1浅地层剖面仪探测系统示意Chirpin浅地层剖面仪换能器见图2(1)0(a)拖鱼式换能器(b)改装后的换能器图2ChirpHI浅地层剖面仪换能器2资料采集与处理沿预先设计的断面测线进行GPS平面定位，并利用美国BenthosDSP-6641Chirp111浅地层剖面仪同步水下探测，将探测的图形数据通过通讯线路接存储在导航的计算机硬盘中,作为原始资料保存。测量时，测船速度小于2节,断面线偏航距离小于2m,尽量匀速前进。在图像采集和处理过程中，根据断面水深和地质结构的不同，调整仪器的发射间隔、延

6、迟时间、带通滤波、TVG(时变增益)、AGC(自动增益)等参数，以获得理想的穿透深度和分辨率，从而最终得到较为清晰的剖面图像资料。3坝下游河床的应用3.1河床地质概况葛洲坝下游研究区位于湖北宜昌市境内宜昌-杨家脑河段，属于江汉沉降区边缘宜都隆起丘陵区,全河段发育有46级阶地，河段内泥沙堆积特征明显，洲滩发育。近几十年来，由于受三峡水库蓄水和药洲坝水利枢纽工程的影响，河段内天然水文动力条件、沉积物补给均发生改变。两大工程导致清水下泄，给坝下游河床表层沉积物带来了一定程度的冲刷,并引起r水位下降。该区域河漫滩和河流河床表层沉积物主要由砂、卵石、淤泥或其混合物组成，少数地方有基岩裸露。3.2应用和解

7、释浅地层剖面在解释沉积地层结构时，主要通过反射波的波组形态和表层的最大穿透深度变化，以区分岩层和表层沉积物特征。由于沉积物的物质硬度、物质密度、含水性、含气程度及侵蚀构造不同，波组形态和穿透深度呈现不同的浅剖图和深度值,2011年11月，在葛洲坝下游河床选取了27个断面,并使用ChirpDI进行浅地层剖面试验。通过对获得的地层剖而数据回放，将记录的时间值转换成地层原度，绘制浅地层剖面如图3所示(图3(a)为荆7浅地层剖面，图3(b)为剖面与断面图的格加)。起点距/m(b)剖面与断面图的谜加图3坝下游河段荆7断面扫测地层示意通过对浅地层剖面图使用图像处理软件Sonar-Wiz.SBP进行判读，得

8、出声学最大穿透深度值和沉积物结构特征2,断面测量结果见表1。同时，将浅地层剖面资料与固定断面图进行对比，为使图面显示清晰，截取荆7断面代表性区域断面名称Y坐标/mX坐标/m最大穿透深度/m枝2548326.433359143.9512.13荆2547871.563356692.8714.05荆7557354.813352091.555.88黄11567545.183363973.692.75江1575912.543366112.146.08荆20585695.043365516.773.59表1测量断面最大穿透深度及表层沉积物和地层特征表层沉积物和地层特征表层(卵石)信号密集，反射界面下2见多

9、个细小分层，层状层结构表层(卵石)信号密集，中层存有淤积形态层(粘土层)，底层(硬质河底)反射波强河底反射界面散乱、模糊;无明显分层(如图3(b)进行分析。从图中可以看出，在C划线处反射信号分界明显，该反射界面为某个形成时代原始河床;而对于反射信号最强的A处,其反射界面为河床的基岩顶面，相对于表层的沉积物来说，此处的物质硬度高;B处为C处原始河床与基岩顶面的淤积形态层。荆7起点距从1000到1055m处，河床基岩顶面地势平缓，表层沉积物厚度可达1.2m0随着基岩坡度的增加，表层沉积物厚度逐渐减小。两个坡度夹角形成的凹槽,有利于沉积物的堆积，使河床表层趋于平缓。4讨论与结论根据声波反射特征及剖面

10、图像可自动提取河底地质结构形态和地形变化;确定表层沉积物分布的下界和河床的基岩顶面;并可根据多年多时段的剖面图像变化分析不同时期沙和淤泥沉积或者冲刷的厚度。在葛洲坝下游河床应用时，结合剖面资料与历年固定断面图资料，有助于研究两大水利枢纽工程完成后的河床演变过程。从剖面图显示的地层构造，以得到沉积物的厚度，再辅以固定断面测量得到的河床表层高程,结合冲刷经验值，估算出每年河床的下-切和水位的下降程度，对预估在输沙平衡后河床的稳定情况有较大帮助。从20世纪70年代起，在葛洲坝下游很多洲滩上频繁开采建筑骨料。为保证河床稳定性，减少自然灾害和保障通航的需求,从2004年起，相关部门采取航道整治工程对关键

11、性河段的河床进行加固、稳定,大型工程包括胭脂坝护底试验工程和董市洲护滩工程等。浅地层测量和固定断面、地形测量的联合应用在坝下游工程项目中起到较好监测作用，且浅地层剖面图结合常规测量手段可提高对工程效果评价的准确度。虽然剖面图像较直观，但在实际使用中会受水底地形变化、水深、泥沙浑浊程度、周边航行船只干扰声波，以及安装或测船航行中对剖面测量仪发射角度造成的影响等，这都会影响图像的清晰程度。影响过大时，处理后的图像中界面分层不明显，也就无法判读响应的特征。在葛洲坝下游试验中，超过1/3的断面均因以上种种情况未能得到分层明显的剖面图。目前，葛洲坝下游的浅地层测量在分析应用过程中存在以下制约因素：(1)

12、 无论是在海洋勘测还是管线铺设路由调查中,浅地层的直接测量值不确切，主要原因是沉积物物质成分变化较大，且同一成分沉积物声速的离散程度较大。确定沉积物声速相当困难，采用理论上严格的公式(1)来推算地层厚度基本无法实现，所以确定准确的物质构造特征需要与其他方法相结合，通过该区域内数据的拟合对比建立转化关系和模型,工作量较大。(2) 浅地层剖面仪因其穿透性能，其水深测量的精度不高，在需获得河底表层高程测量时,仍需借助测深仪的数据;从剖面图直接判读并给出地质解释受到分析人员经验的制约，需要在测量过程中铺加定位钻孔取样来加强分析结果的准确度。总之，浅地层剖面仪在探测葛洲坝下游河床的地质构造、地形变化、沉积物特征等方面有较明显的优势，但在数据深入挖掘方面，还需作大量工作。通过对剖面图像和其他测量方法数据结合分析,能够更好地监测河床变化。参考文献：1 赵铁虎，张志旬，许枫.浅水区浅地层剖面测量典型问题分析J.物探化探计算技术,2002,24(3)：215-219.2 李守军，陶春辉,初凤友，等.浅地层剖面在富钻结壳调查研究中的应用J.海洋技术,2007,26(1)：54-57.3 周兴华，姜小俊,史永忠.侧扫声纳和浅地层剖面仪在杭州湾海底管线检测中的应用J.海洋测绘,2007,27(4)：64-67