摘要：本文簡(jiǎn)述了水域磁測(cè)、淺層剖面、側(cè)掃聲納等物探方法的原理及工作方法，通過(guò)工程物探實(shí)例，展示了這些物探方法在水下管線探測(cè)中的應(yīng)用效果，并簡(jiǎn)要分析了這幾種方法的局限性。根據(jù)物探方法的適用性，合理地選擇將要實(shí)施的方法，取得了滿意的效果。

    關(guān)鍵詞：物探方法 水下管線 磁測(cè) 淺層剖面 側(cè)掃聲納

1 引言

　　近年來(lái)，為了發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)、改善交通，解決民生問(wèn)題，東海大橋等海域橋梁工程及跨江的大橋與隧道等項(xiàng)目陸續(xù)上馬。這些江海施工作業(yè)遇到水下管線的問(wèn)題越來(lái)越多，以東海大橋?yàn)槔髽蚩缭搅?條埋設(shè)于海底的光（電）纜。水下管線特別是海底管線，因其特殊的地理環(huán)境造成海底管線施工后的資料與管線在海底的實(shí)際情況相差很大，而海上樁基施工等作業(yè)對(duì)海底管線要求比較高，如果沒(méi)有明確管線位置則可能造成重大工程事故。

　　目前，探測(cè)水下管線的主要方法為磁法勘探、淺層剖面勘探、側(cè)掃聲納等物探方法。側(cè)掃聲納主要探測(cè)裸露于水底面上的管線及采用開(kāi)挖溝槽施工且溝槽痕跡清晰可見(jiàn)的水下管線；淺層剖面則用于探測(cè)具有一定規(guī)模的水下管線，如水下的雨污水管、燃?xì)夤堋⒔o水管等；磁法勘探主要用于探測(cè)具有磁性異常的管線，如光（電）纜、鐵質(zhì)的給水、燃?xì)獾裙芫€。

2 物探探測(cè)原理

2.1磁測(cè)原理

　　地球的基本磁場(chǎng)是一個(gè)位于地球中心并與地球自轉(zhuǎn)軸斜交的磁偶極子的磁場(chǎng)，在整個(gè)地球表面，都有磁場(chǎng)分布，而且磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁傾角、磁偏角隨地區(qū)的不同而變化，但對(duì)于某一工程，研究的是局部小范圍的磁場(chǎng)，我們可以把地磁場(chǎng)在該區(qū)域看作均勻分布的，一般在無(wú)鐵磁性物質(zhì)的土層中，其磁場(chǎng)強(qiáng)度就是地磁場(chǎng)，即背景場(chǎng)。自然界各種物體都受地磁場(chǎng)的磁化作用，在其周圍產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，對(duì)鐵磁性物質(zhì)而言，由于其自身的磁化率非常高，它相對(duì)于其他物質(zhì)而言所表現(xiàn)出的磁性要強(qiáng)得多，這種磁場(chǎng)相對(duì)于天然磁場(chǎng)分布而言，稱之為磁異常。由于各種物體的磁性不同，那么它產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也不同；物體空間分布的不同（包括埋深、傾向、大小等），使其在空間磁場(chǎng)的分布特征也不同。由于探測(cè)范圍內(nèi)磁場(chǎng)的分布特征由該區(qū)內(nèi)的物體分布情況及空間位置來(lái)決定，通過(guò)用專門的儀器來(lái)測(cè)量、記錄測(cè)區(qū)磁場(chǎng)分布，根據(jù)所測(cè)得的磁場(chǎng)分布特征就可以推斷出地下各種磁性物體的形狀、位置和產(chǎn)狀。

　　任何物探方法都有一定的地球物理前提條件，磁測(cè)方法也不例外，當(dāng)其周圍有較強(qiáng)的干擾磁場(chǎng)時(shí)，測(cè)試的磁場(chǎng)不穩(wěn)定，測(cè)試效果差，無(wú)法獲得正確結(jié)論，因此必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、磁性差異和干擾情況，合理地選擇磁測(cè)方法及儀器設(shè)備，選擇磁測(cè)方法及儀器設(shè)備的原則是避開(kāi)強(qiáng)干擾場(chǎng)，壓制較弱干擾場(chǎng)，突出探測(cè)物體的磁異常。對(duì)于水上磁測(cè)，采用加長(zhǎng)探頭距船體的距離，消除船體干擾磁場(chǎng)的影響，選擇海磁測(cè)試總場(chǎng)△T。

2.2淺層剖面探測(cè)原理

　　淺層剖面是利用聲波在水中和水下地層中的傳播和反射特性來(lái)探測(cè)水底地層構(gòu)造。發(fā)射機(jī)給聲發(fā)射換能器一強(qiáng)功率電脈沖，從而在水中產(chǎn)生一個(gè)短促的聲脈沖，當(dāng)此探測(cè)脈沖在向下傳播途中遇到海底和各地層界面時(shí)，由于界面兩側(cè)聲阻抗的不同，而有一部分能量被反射回來(lái)，并被接收換能器所接收，反射聲信號(hào)在換能器中被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳入主機(jī)，經(jīng)信號(hào)處理、成圖，反映出地下各種地質(zhì)體的分布情況。

2.3側(cè)掃聲納探測(cè)原理

　　側(cè)掃聲納是利用專用的探頭發(fā)射聲納信號(hào)。聲納探頭發(fā)出的信號(hào)呈扇形向下傳播，扇形在水平角方向?yàn)?.6°～1.9°，而在垂直角方向?yàn)?2°，當(dāng)聲納信號(hào)到達(dá)江底時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射和散射。接收器接收來(lái)自江底的返回聲納，儀器設(shè)備根據(jù)接收到的聲納信號(hào)的時(shí)間及角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理就可以描繪出該扇形區(qū)域江底的相對(duì)深度變化，從而得到江底的地貌起伏情況和存在江底（海底）的沉船及其它近表面的物體等的具體位置、形態(tài)和尺寸。

3水上工作方法

　　各種物探方法均采用連續(xù)測(cè)量的工作方式，測(cè)點(diǎn)定位采用動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)將物探儀器與GPS的定位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與定位的統(tǒng)一。各種方法均采用連續(xù)工作方式進(jìn)行，工作前把設(shè)計(jì)的航跡坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)中，施工時(shí)在工作艙和控制室分別設(shè)一航跡顯示屏，以便測(cè)量人員和船只駕駛員隨時(shí)注視和調(diào)整航向，船只的航跡圖同時(shí)顯示在屏幕上，便于測(cè)量人員根據(jù)航跡與測(cè)線的對(duì)比，隨時(shí)調(diào)整航向，確保航行測(cè)線滿足設(shè)計(jì)要求。定位時(shí)，將動(dòng)態(tài)GPS接收探頭置于船中心，信標(biāo)接收機(jī)置于工作艙中，為保證工作精度，定位采用差分方法，同時(shí)將動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)收到的信號(hào)經(jīng)差分計(jì)算之后，輸入到各測(cè)量設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位目的。同時(shí)，為了消除潮位的影響，需要在測(cè)區(qū)附近進(jìn)行潮位觀測(cè)，潮位觀測(cè)每10分鐘一次，早于物探作業(yè)開(kāi)始，晚于物探作業(yè)結(jié)束。

3.1 磁法探測(cè)水上工作方法

　　水域探測(cè)主要受測(cè)試船本身的發(fā)動(dòng)機(jī)、船體等金屬物質(zhì)的磁場(chǎng)影響，因此選用噸位較小的木船，拖纜長(zhǎng)度通過(guò)試驗(yàn)定為50m，削弱了船體的影響。選用海上磁測(cè)方法探測(cè)海底光、電纜產(chǎn)生的磁異常△T，通過(guò)對(duì)測(cè)試的線狀局部磁異常及地質(zhì)背景磁場(chǎng)的分析，確定光、電纜的形態(tài)、走向及具體位置。水域采用水域?qū)Ｓ玫赂呔却帕x，測(cè)量參數(shù)為ΔT。為保證工作精度，數(shù)據(jù)采樣率為10次/秒，船的航速控制在10.0km/h內(nèi)，將保證至少20.0cm左右的采樣點(diǎn)。在船上的操作員及時(shí)記錄測(cè)線周圍的船只通航及附近岸邊的實(shí)際情況，以排除由于過(guò)往船只或附近磁性物體的影響，同時(shí)記錄測(cè)線號(hào)及本測(cè)線的開(kāi)始工作時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。當(dāng)天工作結(jié)束或本測(cè)線工作結(jié)束后，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行處理。

3.2 淺層剖面探測(cè)水上工作方法

　　淺層剖面勘查的聲波震源為水下拖曳的電火花聲源系統(tǒng)，該系統(tǒng)和接收器以固定的間距(0.5m左右)裝在同一容器中，習(xí)慣上稱之為拖魚(yú)。工作時(shí)將拖魚(yú)放入水中，通過(guò)信號(hào)電纜和裝在船上的信號(hào)采集器相連接。淺層剖面工作采用船側(cè)懸掛式工作方式，發(fā)射和接收探頭被固定在船側(cè)水下2.0m深處，工作頻率為2～7kHz，掃描長(zhǎng)度32ms。工作中連續(xù)采樣、實(shí)時(shí)顯示。室內(nèi)對(duì)實(shí)際的測(cè)量資料進(jìn)行航跡分析、測(cè)線定位、帶通濾波、縱向?yàn)V波等處理。

3.3 側(cè)掃聲納探測(cè)水上工作方法

　　該方法是將側(cè)掃聲納掃描拖曳探頭放入水中，并固定在船側(cè)進(jìn)行工作，拖纜長(zhǎng)度一般小于50.0m。為增加分辨率，工作頻率為325kHz在，脈沖長(zhǎng)度小于0.01ms。水平聲速角為0.6o，垂直聲速角為32o。工作過(guò)程中，量程一般設(shè)置為50.0m。通過(guò)處理器將側(cè)掃數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示在監(jiān)示器上，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄在硬盤上并實(shí)時(shí)打印記錄。側(cè)掃聲納工作采用船側(cè)懸掛式工作方式，側(cè)掃聲納探頭吊掛在船側(cè)水下3.0m深處，隨著船的運(yùn)動(dòng)，側(cè)掃探頭在尾槳的作用下呈水平狀。

圖1 側(cè)掃聲納工作示意圖

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 磁法探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

　　本實(shí)例為筆者采用磁法探測(cè)技術(shù)在蘆洋大橋（現(xiàn)稱東海大橋）成功的探測(cè)海底光電纜的資料。數(shù)據(jù)處理以測(cè)線剖面處理為主，平面處理為輔。對(duì)進(jìn)行分析的磁測(cè)剖面依次進(jìn)行圓滑、插值、網(wǎng)格化處理，然后對(duì)所得剖面的磁異常ΔT進(jìn)行化極處理、求取其導(dǎo)數(shù)等處理，轉(zhuǎn)化為磁異常梯度。綜合磁異常曲線、磁異常梯度曲線，進(jìn)行極值點(diǎn)與拐點(diǎn)的分析研判，確定單個(gè)異常點(diǎn)（光、電纜）位置。多條測(cè)線平行排列，就構(gòu)成磁異常的平剖面圖，把多條測(cè)線的解釋結(jié)果相連就構(gòu)成光、電纜的線位。同時(shí)，把全部有用的磁測(cè)數(shù)據(jù)按其平面坐標(biāo)，繪制磁異常平面圖，并分別進(jìn)行化極處理、向上延拓、向下延拓，以達(dá)到壓制干擾、突出異常的目的。圖2為1431測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁測(cè)剖面圖，其中實(shí)線為實(shí)測(cè)磁異常曲線，異常形態(tài)特征為以負(fù)異常為主、正異常為輔，正負(fù)異常間有較明顯的梯度變化，負(fù)異常寬度約為60.0m,各測(cè)線的負(fù)異常的幅值在-1100～-1500nT之間，正異常幅值在600～800nT之間。與無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體正演異常結(jié)果相比，梯度相對(duì)變化較緩，負(fù)值相對(duì)寬度較大、幅值較大，推斷該異常為迭加異常，直接從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中較難推斷出電纜的位置。經(jīng)過(guò)對(duì)磁異常向下延拓8.0m、化向磁赤道，經(jīng)計(jì)算得到剩余磁場(chǎng)異常（圖中虛線部分），虛線圖中出現(xiàn)了明顯的正、負(fù)峰值，中間有一平臺(tái)，已經(jīng)將迭加異常很好的分離，推斷極大值和極小值所對(duì)應(yīng)的位置為方向相反的兩條動(dòng)力電纜的位置。

實(shí)線—實(shí)測(cè)磁異常 虛線—向下延拓8.0m、化向磁赤道的剩余磁場(chǎng)異常

圖2 1431測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖

圖3為6397測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖，其中實(shí)線為實(shí)測(cè)磁異常曲線，正異常峰值明顯，正負(fù)異常間有較明顯的梯度變化。與無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體正演異常結(jié)果相比，受斜磁化的影響曲線形態(tài)不對(duì)稱，推斷為一根動(dòng)力電纜引起的，為了準(zhǔn)確推斷出電纜的位置，過(guò)對(duì)磁異常做了向下延拓8.0m、化向磁赤道，并計(jì)算出剩余磁場(chǎng)異常（圖中虛線部分），圖中正極值所對(duì)應(yīng)的位置為動(dòng)力電纜的位置。

 實(shí)線—實(shí)測(cè)磁異常 虛線—向下延拓8.0m、化向磁赤道的剩余磁場(chǎng)異常

圖3 6397測(cè)線海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖
 

4.2 淺層剖面探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

　　本實(shí)例為筆者采用淺層剖面技術(shù)在黃浦江探測(cè)合流污水倒虹管獲得的資料。在某越江隧道工程的綜合物探中，在淺層剖面的實(shí)測(cè)剖面圖上，發(fā)現(xiàn)的異常中，有不少異常反映的深度基本一致，而且這些異常的分部基本呈一條直線，根據(jù)這些異常并結(jié)合已知資料得知，這些異常正是排在一起的兩根直徑大于2000mm的合流倒虹管的反映。圖4為淺層剖面上反映該合流倒虹管的異常點(diǎn)之一。

圖4合流倒虹管的淺層剖面探測(cè)原始圖

4.3 側(cè)掃聲納應(yīng)用實(shí)例

　　本實(shí)例為上海京海工程技術(shù)公司上級(jí)單位中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所采用側(cè)掃聲納探測(cè)得到的資料。圖5是一段裸露于海底面上的電纜的側(cè)掃聲納圖像。該電纜為多年前采用水力噴射埋設(shè)方式鋪設(shè)，但是由于鋪設(shè)時(shí)未能準(zhǔn)確的將該電纜放入噴射出的溝槽內(nèi)，從而導(dǎo)致該電纜露在海底面上。

圖5海底管線的側(cè)掃聲納圖像

5 結(jié)論

    通過(guò)前文所列探測(cè)實(shí)例，我們可以看出應(yīng)用磁測(cè)、淺層剖面、側(cè)掃聲納對(duì)水下管線進(jìn)行探測(cè)的效果比較明顯。應(yīng)用這三種物探方法基本能夠探明水下管線的狀況。同時(shí)，這幾種物探方法的局限性也十分明顯。對(duì)于埋于水底面以下的管線，側(cè)掃聲納是無(wú)法探測(cè)出來(lái)；而對(duì)于水底面以上光（電）纜，應(yīng)用淺層剖面則無(wú)法達(dá)到探測(cè)目的；對(duì)于磁信號(hào)干擾強(qiáng)烈區(qū)域的水下管線則不能應(yīng)用磁測(cè)進(jìn)行探測(cè)。因此，在實(shí)施水下管線探測(cè)工作前，應(yīng)充分分析已有資料，了解管線的性質(zhì)、規(guī)模，調(diào)研其埋設(shè)方式，然后再根據(jù)各物探方法的適用性來(lái)選擇合適的一種或多種物探方法實(shí)施探測(cè)工作。

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