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1、第 29 卷第 6期 2009 年 11月 $每 领 | 会会 HYDROGRAPHT SURVEY NG AND CHART NG V l29 N 6 N Y, 2009 魏志强 张志强 2,蒋俊杰 2 (1.中国海洋大学，山东青岛 266003； 2.国家海洋局南海工程勘察中心，广东广州 541300) 摘要：浅地层剖面探测是海洋工程勘察的主要手段之一 .阐述了浅地层剖面仪的工作原理，通过浅地层剖面 仪在广州华德石化海底输油管道检测中的实际应用情况，分析浅地层剖面仪在工程区域内使用 的优缺点，以期为 今后该区域内工程勘察及管线检测工作起到一点参考作用。 关键词：浅地层剖面仪 ;海底管道 ;
2、海底管道检测；大亚湾 中图分类号： P756. 2 文献标识码 ： B 文章编号： 1671-3044(2009)06-0071-03 1 引言 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，是在 回声测深技术的基础上发展起来的 1。随着人类 对海洋资源的探索与开发、海洋工程的兴建，浅地层 剖面仪被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，利用浅地层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 1。近年来，利用海底管道对声波反射，在浅 地层剖面仪记录上呈现的特定形态，
3、浅地层剖面仪 也被广泛应用于海底管道检测工作中。 惠州市华德石化有限公司己敷设的海底电缆和 海底输油管道位于惠州市大亚湾海域内（澳头一马 鞭洲 X海域地理位置为 11430E11450 飞 2230 N2250 I间。管道检测的目的主要是利 用浅地层剖面仪探测结果，结合侧扫声纳和磁力探 测资料确定己敷设海底输油管道 路由的水平位置， 评估输油管道的埋藏状况，为管道的维护和管理提 供科学依据。本文根据浅地层剖面仪在大亚湾惠州 市华德石化海底输油管道检测中的实际应用情况， 总结出浅地层剖面仪在大亚湾应用的实际效果和在 管道检测过程中的经验及存在问题。为该区域内其 他工程项目 .尤其是管线检测项目起
4、到一定的参考 和借鉴作用。 2 浅地层剖面仪的工作原理 常见的浅地层剖面仪从声学机理上可分为线性 和非线性声源两类。线性声源功率大，穿透力强，但 体积大。非线性声源体积小而轻，但穿透力弱 无论哪一类声源的浅地层剖面仪，都是利用声波在 通过不同介质时，由于介质的波阻抗差异性，产生强 弱不同的回波信号，在输出记录上形成不同的地层 记录这一特点设计。 声波是物质运动的一种形式，由物质的机械运 动而产生，通过质点间的相互作用将振动由近及远 地传播。在不同的介质中，声波的传播速度不同。 声波传播的速度主要与介质的密度、压强等有关。 图 1 为声脉冲在三种介质中传播的示意图，把海水 作为第一种介质，它的密
5、度为 R，声脉冲在其中的 传播速度为 Y。 海底的沉积物，因物质成分不同， 也存在分界面，它们的密度及声波速度分别为 p2, Y 和 P3, 海底为 Ri 界面， 沉积物的界面为垃、均 界面。最初的声脉冲在这样的三层介质中传播称初 始入射，从图 1 中我们可以看到，当声波向下传播 时，一部分初始入射在分界面上产生反射，一部分初 始入射穿透 Ri、 垃界面并继续往下传播，剖面仪就 是基于声脉冲在界面上能产生反射这种性质来设 计的。 图 1 声脉冲在三种介质中传播示意图 不考虑电子线路设计的优劣，只考虑地质因素， 收稿日期： 2009-04-03； 修回日期： 2009-06-03 作者简介：魏志
6、强 （ 1977-),男 ，甘肃武山人，工程师，主要从事海洋工程勘察和海洋测量研宄。 海洋测绘 第 29 卷 是否产生反射和反射的强弱是决定剖面仪能否获得 清晰的剖面记录的内在因素，这也是地质解释时所 关注的。衡量反射的强度称反射系数，也称波阻抗。 一个界面，两种介质（图 1 上半部 ） 的反射系数的数 学表达式为： 式中，物反射系数，也称波阻抗； PPY 为第一种介 质的密度和速度； P2、 Y 为第二种介质的密度和速度。 由式 （ 1)中可知，能否获得强的反射取决于界 面两侧物质是否存在差异，即是否存在波阻抗。当 反射系数较小时，界面两侧的物质差异不大，产生的 反射就很弱，甚至没有反射；反
7、之，当反射系数较大 时，界面两侧的物质差异较大，接收到的反射信号就 比较强。例如上面是泥，下面是砂，就能得到较强的 反射。对于下面垃、均界面，也可以采用公式 （ 1) 来计算反射系数。由于接收到的反射信号携带了水 下地层大量有用的地质信息，所以通过观测记录并 分析海底沉积物对于声波的反射，就可以了解沉积 物的地质属性，并可以直观的识别地层的地质构造。 3 检测方法及成果分析 考虑到检测的目的和海底地形特点，测线按 5 0 间距垂直于管道路由走向布设，对于路由拐点 区域及发现管道出露、悬空的区段，则加密检测线， 以提供准确的管道位置和具体的管道出露或悬空的 长度数据。通过测线与管线相交，由点到线
8、，来查明 海底管道的空间赋存状态。另外，结合同步获得的 侧扫声纳和磁力调查数据，可以更准确地判断海底 管道的平面位置和埋藏状况。 2. 1 仪器设备的选择和安装 目前，可供选择的浅地层剖面仪有采用线性调 频脉冲 （ CHRP)技术的和以非线性调频渗量阵） 为原理的新型浅 地层剖面仪。采用线性调频脉冲技 术的浅地层剖面仪，为了兼顾足够的穿透深度和较 高的分辨率，其换能器往往大而笨重，而且发射的波 束角大，影响了对地层的分辨率；采用非线性调频 (参量阵）为原理的新型浅地层剖面仪，该设备由于 声源体积小而轻，分辨率高，但穿透浅 3。对于特 定的工程需要，如侧重于穿透时，则选用线性调频脉 冲的剖面仪，
9、效果比较好 ;反之，如管道埋深较浅，为 获得较高的分辨率时，则选用参量阵浅地层剖面仪。 在本次管道检测调查工作中，为了解管道附近 区域的地质情况，保证己敷设管道的检测效果和后 期资料解剖面资料的同步性，调查使用 Datasonic S1S1000系 统。该系统采用线性调频脉冲技术，是一种侧扫声 纳、浅地层剖面二合一的调查设备。作业时，浅地层 剖面仪和水深、侧扫声纳等其他物探手段结合起来 进行探测。 Datasonic SSl 音 IJ 面仪采用航挂式安装， GPM 线和换能器在同一铅垂线下，换能器入水 1浅地层剖面的中心频率为 3. 5l， z 脉宽 2. 5m， s 发射周期为0. 125，
10、 s 作业时，船速不大于 4 k? 2 .2 检测成果分析 数据资料处理时应 充分考虑不同情况下海底输 油管道的波组形态特征变化，以准确换取海底输油 管道的埋深数据。在特殊地质条件或海况较差时， 外业资料中有可能出现许多干扰信号，这为识别管 道增加了困难。当干扰信号较强，依据浅地层剖面 记录无法准确判别海底管道的具体水平位置时，可 以结合侧扫声纳和磁力探测资料进行对比分析，从 而得出管道的准确水平位置 ;对于悬空的海底管道， 结合侧扫声纳数据，可以很容易地判断出海底管道 悬空的长度和悬空高度；而对于埋藏于海底面以下 的输油管道，因为侧扫声纳只能了解海底地貌特征， 而磁力仪也仅对海底磁异 常反应
11、明显，所以，这两种 设备都无法判断出海底管道的埋深状况。要判断埋 藏于海底面以下的海底管道状况，主要依靠浅地层 剖面仪探测资料。 图 2 4 分别是检测区内海底输油管道的几种 空间状态。 (1)浅埋状态 图 2 为浅埋管道在海底下的典型剖面，弧状的 管道信号清晰，海底界线明显。管道上方沉积物自 然回淤 ;管道下方信号屏蔽现象明显。反映该处海 流冲刷作用很小，管道处于稳定状态。 (2)回填碎石状态 检测管道埋藏状况，就是检查海底管道敷设后 管道上方覆盖的保护层是否达到施工的要求。图 3 所示可以清晰看到管道埋藏区 域己被强反射物质覆 第 6 期 魏志强，等浅地层剖面仪在大亚湾海底管道检测中的应用
12、 73 盖，结合侧扫声纳和敷设施工的资料可以判断，该强 反射物质为碎石，且输油管道已基本被碎石覆盖，管 道上方突出的弧状反射界面为定制的水泥沉块保 护层。 从图 3 还可以看出，碎石与海底管道的反射信 号相互重叠在一起，管道的识别比较困难，要确定海 底管道准确的水平位置，必须结合磁力仪和侧扫声 纳数据来判读。另 外，在图上可以看到海床下方约 12m 和 18m 的位置各有一个可连续追踪的地层界 面，反射较强，说明线性调频脉冲的浅地层剖面仪有 较好的穿透，而分辨率不高。 (3 滑道出露状态 图 4 所示管道出露海底，出露高度分别约为 40 整个管道处于预挖沟内，预挖沟形态清晰， 从记录上可以看到
13、，管道信号清晰圆滑，上方无明显 的碎石保护层，根据海底管道顶部和海床的位置，可 以确定管道的出露高度。 4 结语 从本次检测获得的数据资料来看，浅地层剖面 记录揭示出了海底管道的所在位置和埋藏状况。通 过浅地层剖面仪获得的海底管道的水平位 置与同步 获得的侧扫声纳扫测和磁力探测结果相当吻合，充 分证明浅地层剖面仪在海底管道检测中的良好效 果，为下一步的管道维护提供了科学依据。但同时 也应该看到 :利用线性调频脉冲技术的浅地层剖面 仪在近岸水深较浅的区域受海底多次反射波干扰较 强，在有碎石保护的管线区表现出分辨率不高的现 象。因此浅地层剖面调查时应根据任务要求和现场 情况选择适合的浅地层剖面仪。
14、浅地层剖面仪的选 择主要取决于特定的工程项目需要。 参考文献： 1J 郭纪捷 .地 层 剖 面 仪 DBA) 如 中 国 百 科 网 斛 技 知 识梅洋知识梅洋常识 2008. 5. 14. 2 王润田 .海底声学探测与底质识别技术的新进展 声学技术， 2002 21 (1 ): 96 98. 3 蔡春麟，张异彪，顾兆峰 .参量阵浅地层剖面技术在海 底管道检测中的应用海洋地质动态， 2007, 23 (4 )： 38 42 4J 李一保，张玉芬 ,刘玉兰，等 .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, 4(1): 4 -8. 5 赵铁虎，张志，王旬，等 .浅水区浅
15、地层剖面测量 典型问题分析物探化探计算技术， 2002 24(3): 215 -219. 6 魏志强 .华德公司已敷设海底输油管道路由勘察报告 约 .广州：国家海洋局南海工程勘察中心， 2003. Application of Subboticm Profiler in Inspecting Investigation of Daya Bay Seabed Pipeline WEI Zh t qiang, ZHANG Zh i- q iang, JIANG Jun_ (1. OceanUnivereiiy of Ch_QjiSda? Shandong 266003； 2. South Chin
16、a SeaMarine Engineering Suiveying Cente， r 汉 )八 Guangzhoy Guangdong 5i 3 ) Abstract Ad PtM subbttcm profiler ip carry out acoustics exploration is one effective means pmarjie eng JieerJig survey The PaPer discusses 4ie PrinciPle f 4ie subboticm profiler anj itt duces 4ie application of subbticm profiler Ji ppejjie JispectJig project of Guangzhou Huade Pettochm ical LIT) It also discusses merits and drawbacks of subb tlcm Profiler Ji Daya BaY Key word subb tlcm profiler seabed ppelJie seabed ppelJie JispectJig Dya bay