綜合水域物探技術在過江管道穿越過程中的應用

李利群，王兆景，何惠軍

LI Liqun，WANG Zhaojing，HE Huijun

(浙江省有色金屬地質勘查局，浙江 紹興312000)

隨著我國國民經濟實力的大幅提升，基礎設施投入日益加大，對于沿海的省份來說，橋梁、港口碼頭等水域工程項目也越來越多，從而為水上地質勘察技術提供了廣闊的應用舞臺，也極大地推動了水上工程勘察技術的發展。

常規的鉆探方法，由于水上施工難度較大，勘探成本相對較高，很難在水上選擇大比例尺的密集性鉆探工作;而水底障礙物形成的多樣性、隨機性和不可預知性，又增加了單一鉆探方法在水域工程地質勘察上的風險性。水上物探技術，由于其自身的便利性和低成本性，以及可進行大比例尺的數據采集所帶來的高精度和高分辨率，有力地彌補了鉆探方法的不足，因而受到越來越多的工程技術人員青睞。

1 水域物探方法選擇

利用地下介質間的物性差異，利用特定的儀器設備，觀測、記錄天然或人工激發的地球物理場變化，通過分析、解釋以解決實際地質問題的勘探手段，簡稱物探。而將在水域內開展的物探，根據其應用目的的不同，可分為剖面法和測深法［1］。

1.1 剖面物探法

剖面物探法，指研究某一深度范圍內介質體物理變化規律的物探方法。在水域勘察中，常用于查明水底地形和水底散落物(障礙物)，一般有淺地層剖面法、旁側聲納法、多波束探測法和磁探測法。

淺地層剖面法和旁側聲納法，都屬于聲波探測范疇，即向江、河(淺海)底發射脈沖聲波，當聲波向下傳播遇到聲阻抗界面時，將產生發射波，通過對接收到的反射波進行信號數據處理，得到成果解釋圖。而旁側聲納法相比淺底層剖面法而言，發射頻率較高，分辨率相對較高。多波束測深系統是當今水深測量和水底地形勘測的最先進設備，通過多組換能器多角度發射接收，對所測水域進行全覆蓋無遺漏的測量，能夠客觀全面地反映所測水域的海底地形，廣泛用于掃海查找海底散落物等異常。

磁探測法［2］，利用介質體的磁性差異，來探尋沉船、鐵錨等遺落于水底的鐵磁異常體。但由于磁探測設備易受到船體磁性、海浪、船推進器激起尾流等振動的影響。在開展工作前，須通過試驗，選擇使用儀器的最佳條件，遠離干擾源，以獲得較理想的記錄。另外，在測量過程中，必須同步開展日變觀測。

1.2 測深物探法

測深物探法，指觀測和研究同一測點在不同深度范圍內介質體物性變化規律的物探方法，主要用于物性地層的劃分。由于淺層剖面法、多波束探測法測試深度有限，多反映為水底地形和水底淤泥層位。對于探測水下深部情況及基巖面地質構造，則一般采用水上地震法和水上電法。

水上地震法是通過人工發射彈性波而獲得反射波信號的勘探方法。一般采用單道走航式地震映像法和水上地震反射波法。其最大特點是人工震源(通常為大功率電火花或機械震源船)能量要克服激流噪聲、水底地層吸收［3］。震源的強弱和偏移距離設置決定了能夠達到的勘探深度和分辨率。與陸地不同，橫波一般不在水中傳播，因而獲得的地震資料主要為縱波波列圖。

水上電法主要是指在水上開展電法(電磁法)，通過電阻率的差異劃分水底地層及基巖內巖溶等地質體。其測試的空間為水下全空間位置，與陸地上半空間模型的工況有較大的不同。同樣，電信號也受到水體的吸收而衰減、地質環境背景影響到其勘探深度。

1.3 定位導航

相比陸域勘探來說，水域勘探的通行較為便利，因而可以利用船只實施高效的走航式觀測——邊航行邊測量，也就給定位導航提出了新的要求。

一般采用動態的GPS 測量，一方面測試儀器與GPS 連接，進行連續測量;另一方面船只根據海圖導航儀按設計航線進行航行，盡量減少潮流的偏航影響。

2 工程概況

工程項目為天然氣管道穿越，位于甌江入海口，屬于水底隧道工程。工作要求是查明水底是否存在沉船、不明散落物等不利于隧道施工的障礙物，并基本了解水下地層的分布情況。管道走向南北，沿山前斜地通過并穿越甌江。本區的地貌形態明顯受到區域地質構造的制約作用，特別是東西向的河流對地貌的形成起到了決定的作用，見圖1。

圖1 工區區域地質略圖

根據工區的鉆探資料揭示，水上穿越段地層自上而下，可分為淤泥質土、粉質黏土、粉細砂、碎(卵)石土，基巖頂面埋深可達120 m 以上。

3 應用效果

本工區主要選用了4 種物探方法:多波束探測法、水上磁法、水上地震映像法和水上高密度電阻率法。

3.1 多波束探測法

圖2 為多波束法的彩像圖，通過對異常體進行統計，可分別識別出海底障礙物異常和微地貌特征。其中a)圖位于CK50 +305 位置處，異常體長10 m、寬2.3 m，推測為沉船所致;b)圖位于CK50 +434處，異常體直徑100～200 mm，1～1.5 m 長，疑為散落物影像;c)圖是測線左側停泊的一艘大型貨船鐵錨鏈所致。總體看來，旁側聲納法的測試成果較為直觀，且觀測精度較高。

圖2 多波束典型異常彩像圖

3.2 磁測剖面

磁測線沿隧道設計中心線左右兩側，按20 m 測線距布置測線4 條，測試成果見圖3。從整體上來看，磁測異常表現為南高北低的特征，在測線的850～1250 m 段，有一寬達400 m，正負異常交替出現的磁異常，經對比分析為測線左側停泊的大型貨船所引起;而在測線的350 m 處(即CK50 +305 位置)，有一個高于正常場100 nT 的正異常，表明下部含有較強的鐵磁性體，結合多波速法探測成果，推測為沉船所致。

圖3 磁測異常剖面圖

3.3 水上地震法

沿隧道設計中心線開展了單道地震映像法，采用連續的走航式測量法，激發方式為重錘錘擊船底，測試成果見圖4。

在圖4 的地震映像波列圖上，出現兩條清晰的反射波同相軸(T1 和T2)，結合工區的鉆探資料，其對應的分別為淤泥質土底面界面和中風化基巖頂面界面，推測淤泥質土底面標高在-40.5～31.6 m 之間，中風化基巖頂面標高在-130. 4～-103. 9 m之間。

3.4 水上高密度電法

水上高密度電法需采用專用的水中纜線，可根據探測目標的深度不同選擇電極距，測試時將纜線沉入水底，中間利用錨繩固定，測試成果見圖5。

由圖5 可以看出，電阻率自上而下具有較明顯的分層性，分別對應于淤泥層、粉質黏土層和粉砂層，且地層分布較緩。另外，根據測線數據可知，水下淤泥質土的視電阻率值均不小于15 Ω·m，平均值在8 Ω·m 左右，為管道的保護設置提供了科學數據。

圖4 地震映像法測試成果圖

圖5 高密度電法測試成果圖

4 結 語

通過本工程的應用，表明水上物探技術可以有效地補充鉆探技術，從而進一步查清水底障礙物的水平分布，并基本查明水底地層的垂向分布。另外，不同的物探方法有不同的適用條件范圍，對于一個水域勘察項目來說，首先要考慮水深情況和不同地質背景。有針對性地選擇適合本工區的物探方法組合，發揮各種方法的長處。

通過工程實踐，也發現了一些值得注意的工作細節。測試成果易受到外界不勻質物性體的干擾:本工程中停在測線左側的一艘大型貨船帶來的磁性干擾、其固定鐵錨形成的多波束彩像圖上的異常;以及潮水潮位變化，等等。對物性地層也要有一定的認識，即物探所能分辨的層面是指物性上存在明顯差異的界面，而不是常規鉆探中所認識的地層層面，如本工程中，地震映像法只能有效分辨出3 個界面差異較大的地層，而不能細分出粉質黏土、粉細砂和碎石土層及其內部亞層等。然而對于細節的把握處理會影響到測試成果的質量。

［1]呂邦來.海底管線的地球物理探測技術探討［J］. 水運工程，2009(7 ):146 -150.

［2]戴云舟.海洋磁力儀應用［C］//中國航海學會航標專業委員會測繪學組學術研討會學術交流論文集. 北京:中國航海學會，2006:138 -140.

［3]劉云禎.工程物探新技術［M］.北京:地質出版社，2006.