单波束及浅地层剖面测量技术的应用

上海液化天然气有限责任公司 刘晓建

0 前言

上海液化天然气项目海底输气管道口径为914.4 mm(36英寸)，总长度为35.86 km，是目前为止国内口径最大的海底管线。该项目海底管线施工采用专用铺管船进行铺设，然后用挖沟施工船采用高压冲水方式挖出满足设计深度的管沟，使管道在重力的作用下沉到沟里，继而自然回填。管沟的深度是否达到设计要求将直接影响海底管道的稳定性与安全性，因此如何准确探测出海底管线的铺设状态显得非常重要。

由于探测作业和挖沟作业的不同步性，由于海流的作用，不同的区段就会出现管道在管沟内裸露和被淤泥掩埋同时并存的情况。因此，对于管道在沟内的不同情况必须采用不同的探测方法。在本次工程探测中，对裸露的管线采用单波束测深仪测量海床面和管顶的水深得出管线埋深；对埋藏在海底的管线采用浅地层剖面仪探测得出管线位置和埋深，或者浅地层剖面仪与单波束测深仪结合使用来探测管线掩埋状态。

1 单波束及浅地层剖面测量技术原理

1.1 单波束测深仪进行管线探测的原理

单波束测深系统通常包括单波束测深仪和数据采集系统等。早在上世纪30年代，单波束测深仪就已经出现，但是当时主要的水深测量方法还是以钢线垂直测量为主，直到上世纪50、60年代经过二次世界大战军事科技的推波助澜才逐渐成熟。其原理为：由换能器向水中发射一个具有一定空间指向性的短脉冲声渡(波束)，声波在水中传播，遇到海底后，发生反射、透射和散射.反射回来的回波被换能器接收，已知换能器发射和接收到回波的时间间隔ΔT与声波在水体中的平均传播速度v，就可以按照下式计算出声波的单程旅行距离：

式中：D—换能器到海底的距离水深，m；

v—声波在水体中的平均传播速度，m/s；

∆T—声波往返两次穿过水层的时间，s。

重复这一过程就可以对水深进行连续测量。单波束测深仪的工作原理与垂直收发的地震勘探方法很相似。

同样，测深仪发射的声波遇到海底管道时同样会发生反射和散射，换能器接收到管道回波后就会同时保存在模拟记录和数字记录中，内业处理中结合模拟记录和数字记录进行分析就可得到管线掩埋状况和管道位置。

1.2 浅地层剖面仪的工作原理

浅地层剖面仪主要由接收/发射机、拖鱼、连接电缆、记录仪及后处理设备组成。海底浅地层剖面仪工作方式与测深仪相似,工作频率较低，测深仪只能测量换能器到海底的水深，而浅地层剖面仪不仅能测量换能器到海底的水深，还能探测换能器垂直下方的海底一定深度，反映海底地层分层情况和各层底质的特征。浅地层剖面仪的换能器按一定时间间隔垂直向下发射声脉冲，声脉冲穿过海水触及海底以后，部分声能反射返回换能器；另一部分声能继续向地层深层传播，同时回波陆续返回，声波传播的声能逐渐损失，直到声波能量损失耗尽为止。测量地层厚度,实际是测量声波穿透地层传播的时间，如ΔT表示地层上下两个界面之间的时间差，即声波往返两次穿过该地层上下两个界面的时间，c表示该地层的声速，这样就可按下式算出该地层厚度：

式中：w—地层厚度，m；

c—地层声速，m/s；

∆T—声波往返两次穿过地层的时间，s。

2 海上测量作业实施

2.1 海域平面及高程控制技术

2.1.1 平面控制

由于管线探测工作都是水上作业，在利用单波束和浅剖进行海底管线探测时，我们一般都采用GPS来进行平面定位。

平面定位主要分3种方式：

(1)RBN-DGPS方式；

(2)RTK-DGPS方式；

(3)星站差分定位方式。

对管线绝对位置要求较高(cm级定位精度)的海底探测项目应采用RTK-DGPS方式，其定位测高的精度较高。由于要架设GPS基准站，调查费用相对高些，同时考虑到GPS基准站控制范围及海上客观条件的影响，其适用于沿海距离较近的区域。

海上作业范围较大，处于远海作业时，应采用星站差分定位方式，由于其在海上使用费用较高，一些大的海上石油勘探公司用得多些。

对管线绝对位置要求相对稍低(dm级)的沿海工程项目可采用RBN-DGPS方式进行平面定位。本次作业采用的RBN-DGPS定位方式，使用RBN-DGPS信标接收机接收交通部大戢山无线电差分站的差分信号进行定位。

2.1.2 高程和水位控制技术

水深测量的精度直接关系到数据的准确性，而合理的潮位控制是得到准确的水深数据的重要保障，高程和水位应该采用工程所在附近的验潮站进行水深改正。

高程基准一般选用当地理论最低潮面，水深数据必须经过潮位改正进而换算到当地理论最低潮面基准面下的水深值。本次探测作业选用的基准与国家85高程基准的关系见图1。

图1 当地理论最低潮面与国家高程基准面关系示意

根据海域特点，本次调查使用了芦潮港和小洋山两个临时验潮站，建立临时验潮站的同时，在每个验潮站附近埋设工作水准点，工作水准点高程采用Leica公司数字水准仪DNA10从水准点按四等水准测量要求进行高程引测，验潮站零点高程从工作水准点上接测。

水域测量时，验潮采用人工验潮的方式进行，每10 min读数一次，读数精确到cm。水位观测于测量前10 min开始观测，测量结束后10 min结束观测。

2.2 测量范围及测线布设

测线的布设直接影响管线的测量，一般来说测线布设间距必须控制在管线允许的悬跨范围内，管道轴线两侧的测量范围能够较好的覆盖整个管沟，上海液化天然气项目海底管线管道允许悬跨的距离为40 m左右，故测线布设间距选择为30 m一个断面。为了覆盖整个管线的沟宽，管道轴线两侧各取50 m范围。

2.3 测量过程实施

在测量前，必须按规范要求进行工前仪器比对，同时校对验潮人员与测量人员的北京时间，确认无误后方可实施测量。

在实际检测过程中，应随时标示出海底管线的大致位置，便于内业人员处理资料。如发现海底管线出露或悬空时，即在该测线两侧各加一条加密测线，直至准确控制其出露或悬空范围。现场初步解释管道状态，及时提供管道悬空、出露状态的有关信息和数据。

2.3.1 单波束水深测量作业

在本次的调查中，单波束测深仪采用了较为先进的加拿大产Knudsen engineering 320M测深仪。20M回声测深仪应用高频或低频通道，或两者同时使用，频率3.5～250 kHz。320M显示出高分辨率的记录，量程0～100 m，分辨率为1 cm，用32级灰度功能可以精确地描绘出海底剖面和海底以下沉积层的结构。热敏式打印机可以用 21.6 cm(8.5″)塑胶打印纸，确保得到永久性和高质量的记录, 通过串行口校正数据可记录于内存中。

测量时将单波束换能器与定位天线安装于一处，并测定船舶吃水和换能器吃水，安装后按要求与GPS进行联机调试，确认GPS输送给测深仪的同步注记信号正常。

本次调查使用美国HYPACK公司的HYPACK MAX专用测量软件进行进行导航并在测量过程中实时采集 GPS定位数据、水深数据。定位采用Trimble DSM232信标机接收设在大戢山的无线电差分站的差分信号，数据采集时实时查看其差分锁定情况，确保数据采集的整个过程中都能收到较稳定的差分信号。

在每条测线上当单波束测深仪的换能器通过管顶上方水面区域时，测量船的船速都应当控制得比较慢，一般在3～4节左右，这样能够在每条断面上管线埋设的沟槽部位采集到更多的数据，有利于内业处理中对管线位置的判读，同时把测深纸记录速度调到最快，这样管线埋设沟槽的位置能在测深纸上打印得更加清楚。

2.3.2 浅地层剖面仪作业

在本次施工的调查中，浅地层剖面仪是由美国Benthos公司生产的Chirp III型浅地层剖面勘探的仪器。Chirp III具有重量轻，方便携带和运输等特点，可在小船上应用。系统的设置十分方便，可以使用多种拖鱼和震源源，Chirp III是一个双频同时工作系统，使用的频率范围为：2～7 kHz 和10～20 kHz。选择不同的频率及Chirp带宽可以让用户按照所需要的水底沉积物探测深度和对沉积物/物标的分辨率来进行系统设置。适用于浅部地层的详细分层及目标探测，能较好的反映海底管线的出露、悬空及埋深情况。

浅剖设备须严格按要求进行安装，并且与导航定位系统联机调试，使导航定位输出的信号在浅剖系统中正常接收。

本次测量采用Sonar Wiz. MAP软件进行数据采集，使用HYPACK MAX6.2专用测量软件进行导航。每次到达工区测量时做好试验，设置最佳的工作参数，保证测量质量。记录仪器工作参数、换能器与定位天线的相对位置。在作业中尽可能保持船速低、匀速直线航行。

浅地层剖面仪的数据经后处理输出图像，在模拟剖面记录上，判读海底管线的状态，获取海底管线的位置和掩埋、出露等数据，描述并分析海底管线的状态，以及可能存在的各种不利因素对海底管道的影响。

3 测量数据分析

3.1 单波束数据分析

通过HYPACK MAX6.2软件的单波束数据处理模块对采集数据进行编辑，加入潮位文件，并剔除假水深，形成编辑文件。使用编辑后的断面数据文件结合探测记录的模拟信号来判读管顶坐标、管顶水深、左右两边海床面水深、沟底深度等，其中海床深度等于左边海床水深及右边海床水深的平均值，管线的埋深即是管顶的水深值减去平均海床面水深所得到的值，然后通过沟底的水深减去管顶的水深值得到管顶至沟底的深度。

3.1.1 管道顶点位置的确定

管道的顶点在探测时不发生变形，模拟记录上得到的管道反射曲线的顶端就是管道的管顶位置。管道的位置可以通过检索垂直剖面上的极值点获得，单波束模拟的地形剖面图2至图5分别代表海底管道相对于海底的几种位置情形，图中海底管道箭头所指凸起的顶端就是海底管道管顶的位置。

图2 管道敷设在海床面的地形剖面

图3 管道穿越管沟的地形剖面

图4 管道穿越管沟的地形剖面

图5 被完全掩埋的管道地形剖面

3.1.2 管道掩埋状况的判断

管道掩埋状态可用垂直于海底管道的海底地形剖面来表示。通常情况下，海底管道的管径是已知的，这样就可以通过管道顶部和平均海床面的距离来判断管道掩埋的状态。如果海底管道直接敷设在海底面，并且呈一定的裸露状态，那么单波束就非常容易检测到海底管道，如图 2，并且可以认为地形剖面上的最大值就是管道顶部。如果海底管道敷设在管道沟中，情况较复杂，图3和图4分别代表垂直管道沟测线的海底地形剖面，在这些位置，海底管道其实都是裸露在海底管道沟中，换句话说，就是海底管道沟并没有被完全自然回填；图 5代表管道被完全掩埋，图中识别不出海底管道，需要借助浅地层剖面仪等物探设备来进一步探测管道沟中的管道。

3.1.3 管道悬空状态的判断

海底管道悬空与否是海底管道检测中需要查明的重要问题之一，由于水深记录上的管道具有侧向变形，管道沟也因沟壁的变形和沟底数据的缺少而变浅变窄，只靠单波束测深仪器本身难以给出全面的判断。在水深记录上，如果管顶至海底的垂向距离大于管径，就可以断定管道处于悬空状态。

3.2 浅剖仪测量数据分析

通常浅剖图像在管线位置会产生管线的一个反射弧(类似抛物线线形式)，此时在管线反射弧的顶端即为实际的管线位置，通过查找该点的位置来作为管线的实际位置，管线的埋深通过标尺量取管线顶端到海底表面之间的距离来作为实际管线的埋深。图6至图9为部分有代表性的浅地层剖面图像。

图6 浅地层剖面1

图7 浅地层剖面2

图8 浅地层剖面3

图9 浅地层剖面图4

通过图像可以直观地看出管道掩埋状态，图6、图9中管道已被回填土完全掩埋；图7中管道敷设在海床面上；图8中管道敷设在管道沟内，没有被自然回填，裸露在沟中。

4 结论

单波束测深技术是通过测量管道与海底面的相对高差来探测海底管道掩埋状况的，对尚未完全掩埋的海底管道，可以使用单波束测深技术确定管线位置和掩埋状况，对完全掩埋的海底管道无效。要分析完全掩埋的海底管道的状况，需要配合浅地层剖面仪等物探设备进行探测。使用浅地层剖面仪对管道掩埋状态进行探测，弥补了单波束技术的局限性，是一种有效的海底管道综合状态调查手段。

单波束测深仪结合浅地层剖面仪在上海液化天然气项目一期工程海底管线施工项目中充分发挥了设备自身的特点，完成了对管线状态的准确探测，形成了对管线状态测量及数据处理的一整套方法和流程。也为以后管线综合探测提供了一种切实可行的方案。