浅地层剖面仪在近海工程中的应用

浅地层剖面仪在近海工程中的应用

1姚峰2张兴华

武汉港湾工程质量检测有限公司海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室武汉430040

摘要：浅地层剖面仪在水域岩土工程勘察中发挥着重要作用。随着水域环境中的建设工程越来越多，对浅剖仪的精度要求也越来越高，传统的浅剖仪存在探测深度与分辨率相矛盾的问题。然而，Chirp浅剖仪能较好地解决这个问题，并且其应用范围也越来越广，例如航道疏浚工程建设、港口码头建设和水利水电工程建设等。在工程的可行性研究阶段以及后期设计、施工阶段，都必须对工程场地的地质条件进行调查、评价。下面文章对相关内容进行简要的分析，以供参考。

关键词：地层剖面仪；近海工程；应用

港口、航道区域内水下浅点对于船舶的航行安全构成严重的威胁，浅点碍航水域的整治是港口航道维护的一项重要的工作，其中尤为重要的是获取浅点碍航区域海底底质资料，并对其进行判别和分析。浅地层剖面仪自兴起以来，已经广泛应用于海洋地质调查、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，另外其在淤泥层厚度、基岩埋深及灾害地质情况探测等方面也发挥了越来越重要的作用。关于浅地层剖面仪在海底管道检测中的应用许多学者已经做了介绍，而对于其在淤泥层厚度探测方面的研究涉及较少，仅有在人工湖中的研究个例。

1浅地层剖面仪

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，它的换能器装在调查船或拖曳体中。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十米，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，纵向分辨率则比较高，可达15～30cm；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查、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。

2Chirp浅剖仪系统组成

Chirp浅剖仪系统包括甲板控制单元、拖鱼控制单元和导航测深控制单元等3个主要子系统，其中：甲板控制单元由控制收发机和工作电脑构成；拖鱼控制单元由浅剖仪换能器和水听器构成；导航测深控制单元由定位GPS和测深仪构成。Chirp浅剖仪系统主要由信号控制系统、信号发射系统、信号接受系统、导航定位系统和测深系统等5部分组成。

信号控制系统由计算机和DSP收发机组成。DSP收发机是一种先进的全集成双通道双频率仪器。收发机通过以太网连接计算机。在计算机中，通过专门的数据采集软件对收发机转化的信号进行记录、处理，并实时显示地层厚度变化和剖面图。信号发射系统主要包括换能器阵列系统和Boomer轰鸣器系统。换能器阵列采用悬挂式信号发射阵列，换能器同时也作为信号接收装置。ChirpIII型浅剖仪的2套信号接收系统安装在一起，无需独立安装。采集的信号都由控制系统中的DSP收发机进行处理。导航定位系统主要采用TrimbleSPS351信标机和专用水道软件HypackMax进行导航定位，能满足测量精度要求。HypackMax软件不仅能实现导航数据的记录，还能实现测深系统中水深数据的同步采集。

测深系统是一个相对独立的系统，采用美国Odom公司生产的Hydrotrac单频测深仪和HypackMax软件进行水深测量，能较好地实现高精度测深。

3实际应用

3.1在航道工程中的应用

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；用水位过程线来校核船上定点高程变化过程线；根据船上定点高程变化过程线将水深换算到统一基面下。将船舶航测的时间单位换算成距离单位（速度×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置到轮廓图上，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，由于海底上部浅层为含水率较高的浮泥，声波较易穿透，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。

3.2在表层淤泥厚度探测中的应用

1）外业作业

浅地层剖面测量按照网格法布设测线，测线间距为50m，其中ENE方向测线总长约22km，WSW方向测线总长约25km，共计测线长约47km。在作业之前，通过调试3200XS的主要参数——脉冲类型、脉冲功率百分比、发射频率（能量、幅度、相位特征等）来确定最佳工作参数，以适应测区的水深及底质情况，确保产生高分辨率的海底地层图像。为了获得清晰的地层剖面资料，测量过程使用30~40ms量程，150ms发射速率，1~15KHz带通滤波。根据图像情况，分别选用不同的脉冲宽度、能量大小、量程范围进行测试，调节TVG使图像资料效果最佳。实时记录测量工作参数和测量班报，以便后期数据处理。

2）内业作业

（一）在完成海底面和表层淤泥界面的摘取之后，通过CAD将两组界面的X、Y坐标输出至Excel中，对应点位X坐标的差值即为该点的层厚数据，并对得出的数据进行差值处理，以增加数据的密度，便于之后的Suffer成图。（二）在完成层厚数据的预处理之后，得出以下文件格式（X、Y、Thickness），然后利用Suffer软件进行数据网格化处理。在生成网格数据的过程中，宜选用克里经差值方法，克里经法可将数学函数与指定数量的点或指定半径内的所有点进行拟合以确定每个位置的输出值，对周围的测量值进行加权以得出未测量位置的预测，便于分析数据的趋势走向，是比较切合等厚图的差值方法。（三）利用生成的网格数据建立三维表面图，成图后，需比较核实主测线与检查线交点的层厚数据，保证重合；同时最后的成图应避免有牛眼现象，并参考测区地形，以保证数据的真实可靠。

综上所述，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：

[1]臧卓,马云龙,刘勇,李晓竹.Bathy2010P浅地层剖面仪在海洋工程中的应用[J].仪器仪表用户,2009,16(03):51-53.

[2]李一保,张玉芬,刘玉兰,陈亮.浅地层剖面仪在海洋工程中的应用[J].工程地球物理学报,2007,(01):4-8.