淺地層剖面探測技術(shù)在水閘底板探測中的應(yīng)用

潘紀順，張嘉樂，張允濤，張 鑫

（華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046）

研究水下無損檢測技術(shù)對水利工程不停水檢修意義重大。運用電磁波理論的激光雷達等光學(xué)檢測設(shè)備在水下檢測應(yīng)用中會受到極大限制，因為水體本身的電阻率十分低，常規(guī)的電磁波信號在水中的衰減極快。而彈性波信號可在水中傳播，水體屬于流體，其剪切模量幾乎為0，只有壓縮模量存在，因此利用彈性波中的聲波在水中的傳播規(guī)律研究水下結(jié)構(gòu)狀態(tài)，是解決目前水下問題的主要手段[1]。

淺地層剖面儀是一種于20 世紀60 至70 年代問世的水下聲波探測設(shè)備，淺地層剖面儀的操作原理為通過發(fā)射低頻聲波，這些聲波具備穿透海底的能力，當(dāng)?shù)皖l聲信號穿越不同物質(zhì)分界面時，由于界面物理特性的不同，導(dǎo)致波速、振幅和返回時間等方面的差異，從而實現(xiàn)了對海底淺部地層結(jié)構(gòu)及其分布的測量。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與進步，淺地層剖面儀已成為一種非常有效的勘探手段之一。本文探討了淺地層剖面儀的操作原理和應(yīng)用方式，通過案例展示了它的實際效用。相比于傳統(tǒng)的鉆孔取樣方法，淺地層剖面探測技術(shù)具有簡化操作、高速勘測、連續(xù)圖像記錄及經(jīng)濟實惠等多方面的優(yōu)勢[2]。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，調(diào)頻聲脈沖、聲參量陣的不斷發(fā)展并應(yīng)用到淺地層剖面探測技術(shù)上，使得淺地層剖面探測不僅在探測能力上得到了加強，而且在數(shù)據(jù)采集及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理上也得到了進一步提升，淺地層剖面探測技術(shù)也逐漸成為海洋淺層地質(zhì)勘探的常用手段。目前，我國使用的淺地層剖面探測儀器、設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件大多來自國外，國內(nèi)的淺地層剖面儀與國外相比仍存在較大差距。

淺地層剖面探測系統(tǒng)是由震源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、記錄與控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)這4 個主要部分構(gòu)成的[2]。

產(chǎn)生聲波的裝置即為震源系統(tǒng)，按照產(chǎn)生聲波的方式不同可以將震源系統(tǒng)劃分為4 種形式，分別為參量陣震源、電火花震源、電磁式震源、壓電換能器震源。

將聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號的系統(tǒng)為接收系統(tǒng)（水聽器），接收系統(tǒng)主要由檢波器組成，檢波器被密封在油纜里，檢波器在油纜里按照一定的規(guī)律進行排列，接收系統(tǒng)的性質(zhì)也與檢波器的排列規(guī)律、數(shù)量及質(zhì)量有關(guān)。

安裝了處理信號相關(guān)軟件的計算機或者特殊處理器為記錄與控制系統(tǒng)，記錄與控制系統(tǒng)的主要作用：將淺地層剖面探測系統(tǒng)的4 個主要構(gòu)成部分組成一個整體，記錄發(fā)射信號系統(tǒng)發(fā)出的特定頻段范圍內(nèi)的調(diào)頻聲波信號同時接受有效的返回信號，傳輸?shù)接嬎銠C或特殊處理器上，在計算機或特殊處理器上實時顯示剖面探測的結(jié)果。

進行斷面定位測量、船體姿態(tài)記錄、聲速剖面測量等工作時所使用的設(shè)備及相關(guān)處理軟件統(tǒng)稱為輔助系統(tǒng)。RTK 移動測量定位儀為目前常用的斷面定位測量系統(tǒng)，船體姿態(tài)變化的記錄通過姿態(tài)傳感器來實現(xiàn)，準確的聲速測量對淺地層剖面探測意義重大，對剖面時深轉(zhuǎn)換的有效進行具有重要意義。

1 工作原理

淺地層剖面探測技術(shù)利用聲波在不同介質(zhì)中傳播時的不同特性，當(dāng)聲波遇到不同介質(zhì)之間的邊界（稱為聲阻抗界面）時，它會發(fā)生反射和透射。在下一個邊界處，透射波繼續(xù)產(chǎn)生反射波和透射波，通過反演分析反射波的時間、振幅和頻率等信息[2]，可以推斷多層介質(zhì)的厚度、類型等特性。根據(jù)聲波的這些特性，可以對地下不同層位進行分析和解釋，從而提高地震數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)認知的準確性。反射波的能量強度可以通過振幅的大小來表示，而聲波的振幅則是由界面的反射系數(shù)所決定的，以兩層水平介質(zhì)為研究對象

式（1）中Ar為反射波振幅，Ai為入射波振幅，R為反射系數(shù)，式（2）中ρ1、v1、ρ2、v2分別為上層介質(zhì)和下層介質(zhì)的平均密度和聲波傳播速度，平均密度與聲波傳播速度乘積為介質(zhì)的聲阻抗[2]。從（1）（2）這2 個公式可以看出，相鄰介質(zhì)的聲阻抗差異越大，反射系數(shù)R的絕對值就越大，反射波的能量也就越強，在淺地層剖面圖像中，灰度越高，識別也就越容易。

2 工程案例

2.1 工程概況

水閘位于某河流沿岸，由于受潮汐水位影響產(chǎn)生水位差，打開閘門有很大水流作用，為準確獲取水閘底板狀況，確保工程安全，對水閘底板進行全面檢測，主要檢測表面破損及混凝土底板下的脫空情況。

2.2 探測方法

水閘底板檢測使用淺地層剖面儀，淺地層剖面儀由甲板單元和水下單元這2 個主要部分組成，水下單元通常稱為拖魚，拖魚懸掛在水中通過一根電纜與甲板單元相連。拖魚內(nèi)部裝有寬頻帶發(fā)射陣列和接收陣列，當(dāng)發(fā)射陣列發(fā)送的特定頻段范圍內(nèi)的調(diào)頻脈沖信號遇到不同的波阻抗界面時，會產(chǎn)生反射脈沖，這些反射脈沖信號被拖魚內(nèi)的接收陣列接收并放大，然后通過電纜傳送到船上的甲板單元，經(jīng)過數(shù)控放大器進一步放大，接著通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，然后送到數(shù)字信號處理器進行相關(guān)處理[3]。最后，處理后的信號被傳送到工作站，以進行顯示、存儲和數(shù)據(jù)處理（圖1）。

圖1 淺地層剖面儀工作方法圖

2.3 探測過程

對于露天區(qū)域有定位信號的地方進行檢測，將GPS 移動站的數(shù)據(jù)線與船上3200-XS 淺地層剖面儀相連[4]，自動定位淺地層剖面儀拖魚的位置；在測區(qū)內(nèi)控制船只進行覆蓋檢測，儀器自動記錄數(shù)據(jù)；時時觀測淺地層剖面儀剖面影像圖，發(fā)現(xiàn)缺陷，加密與重復(fù)檢測，如果同一位置反復(fù)出現(xiàn)缺陷信號，可判斷此次有缺陷，否則異常信號為船顛簸、后退等原因造成。

對于洞內(nèi)區(qū)域沒有定位信號的地方進行檢測，在測區(qū)內(nèi)控制船只進行覆蓋檢測。時時觀測淺地層剖面儀剖面影像圖，發(fā)現(xiàn)缺陷，加密與重復(fù)檢測，如果同一位置反復(fù)出現(xiàn)缺陷信號，可判斷此次有缺陷，否則異常信號為船顛簸、后退等原因造成，同時標記缺陷起始與結(jié)束位置，根據(jù)剖面影像圖判斷缺陷性質(zhì)、讀取深度。

2.4 儀器設(shè)備

水閘底板檢測采用的淺地層剖面儀為美國EdgeTech 公司生產(chǎn)的3200-XS 淺地層剖面儀，斷面定位測量使用的RTK 移動測量定位儀為上海華測導(dǎo)航技術(shù)公司生產(chǎn)的RTK 移動測量定位儀[3]，其定位精度為平面：±（10+1×10-6D）mm，高程：±（20+1×10-6D）mm。

2.5 數(shù)據(jù)處理與資料解釋

數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

根據(jù)聲波傳播理論，聲波只在遇到具有顯著波阻抗差異的邊界時發(fā)生反射。在河水中，由于懸浮顆粒的分布逐漸變化，聲波在水中傳播時不會形成明顯的反射界面，只有當(dāng)聲波遇到水與泥沙、水與混凝土、或者泥沙與混凝土等邊界時才會引發(fā)反射現(xiàn)象[5]。這個現(xiàn)象可以通過圖3 進行詳細分析和解釋。

圖3 反射波界面

1）水與泥沙之間的邊界通常相對平滑，介質(zhì)相對均勻，因此它是一個明顯的反射邊界。在波形圖上表現(xiàn)為反射波的出現(xiàn)后持續(xù)時間較短，形成一個平整的界面[5]。

2）水與碎石或泥沙與碎石之間的邊界相對較不平整，碎石呈塊狀，因此聲波可以部分穿透[6]。在波形圖上表現(xiàn)為反射波的持續(xù)時間較長，形成一個不太平整的界面。

3）脫空區(qū)域在剖面圖上與聲納檢測中的管線相似，因此當(dāng)聲波正好位于脫空區(qū)域正上方時，會形成一個弧形的反射。

2.6 探測成果

2.6.1 一號水閘檢測成果與分析

一號水閘檢測范圍如圖4 所示，檢測過程中沒有發(fā)現(xiàn)混凝土底板有破損與底板下脫空情況。在露天區(qū)域有施工廢料、礫石、碎石等淤積物，由于底板淤積物并非淤泥，對聲納探測來說，與底板混凝土性質(zhì)相似，所以底板與淤積物不容易區(qū)分，且淤積物相當(dāng)于底板的耦合介質(zhì)使聲納繼續(xù)向下傳播，如果遇到脫空，在行進過程中圖形會有弧狀反射形成[7]。

圖4 一號水閘檢測范圍

在涵洞及閘門臨近河流一側(cè)的底板由于變窄水流大沒有淤積物，剖面圖中影像光滑，典型的剖面圖如圖5、圖6 所示。

圖5 一號水閘實際檢測典型波形圖1

圖6 一號水閘實際檢測典型波形圖2

2.6.2 二號水閘檢測成果與分析

二號水閘檢測范圍如圖7 所示，檢測過程中發(fā)現(xiàn)涵洞下底板相對兩側(cè)混凝土底板低7 cm，臺階在結(jié)構(gòu)接縫處，每次經(jīng)過臺階時都會有臺階的特征影像，臺階的典型影像剖面圖如圖8、圖9 所示，根據(jù)理論分析臺階式沉降應(yīng)在沉降的一側(cè)有單邊的斜面影像[8]，因為探頭有一定的波束角，在沉降側(cè)臺階的反射會被探頭接收，而在正常一側(cè)臺階不會有入射聲納的反射，在沉降側(cè)探頭由遠到近接近臺階反射距離就由大到小，反之探頭由近到遠離開臺階反射距離就由小到大，而在臺階正常一側(cè)并沒有反射，這樣在影像圖中就會形成一個單邊的斜面影像，初步分析可能為橋面過往車輛的荷載造成的沉降。

圖7 二號水閘檢測范圍

圖8 二號水閘實際檢測典型波形圖1

圖9 二號水閘實際檢測典型波形圖2（船探測時在臺階處往復(fù)運動）

另外檢測發(fā)現(xiàn)底板混凝土淤積物很少，所以剖面圖中影像光滑，典型的影像剖面圖如圖8、圖9 所示。

3 結(jié)束語

通過使用淺地層剖面探測技術(shù)進行水閘底板的檢測，實踐證明其效果顯著。未來，這項技術(shù)的發(fā)展將注重以下方向：更深的地下穿透能力、更高的地質(zhì)分辨率、更高的工作效率，以及將二維探測擴展至更高維度的探測。為了顯著提高工作效率和探測的準確性，淺地層剖面探測技術(shù)將與其他聲學(xué)探測技術(shù)進行集成[2]。