管沟对浅地层剖面图影响的多弧现象形成分析

刘杰，张彦昌，韩德忠

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

管沟对浅地层剖面图影响的多弧现象形成分析

刘杰，张彦昌，韩德忠

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

摘要：为保证海底管线的安全，在海底管线外部调查中，获得管线的平面位置、埋深、裸露或悬跨高度是调查的重要内容，浅地层剖面仪可以有效地解决这一问题［1］。一些管沟明显地区，管线仪调查得到的管线图像出现多重线弧线现象，对管顶面的判别，管顶位置及管线埋深、裸露、悬跨高度的判断造成困难，文章结合海底管线铺设方法以及浅地层剖面仪工作原理，采用分解分析多重线弧状态的形成机理，并提出了在多弧现象中辨别管顶面以及管沟底的方法，以提高管线剖面资料处理的准确性。

关键词：管沟；管线仪；剖面图像

在海底管道铺设后，将挖沟机骑放在海底管线上，采用水下高压水泵产生的高压水流对海管周围的泥土进行喷冲，形成管沟［2］，海管自然下沉进入沟内，后通过人工回填或自然回淤对管道进行填埋。在外界水动力作用下，有的管沟回填效果较好，与周围海底高度一致，有的由于海底地形、底质影响，没有形成较好的回填，在使用浅地层剖面仪进行管线状态探测时，管沟将容易使探测剖面图出现多重反射弧。在多重反射弧中准确识别出管顶比较难，且目前很难找到相应的文献对此做出详细的分析，本文根据浅地层剖面仪的工作原理对剖面多重反射弧成因进行分析，并就管线、管沟形成的多弧影影像判读进行探讨。

1　浅地层剖面仪工作原理

浅地层剖面仪换能器按一定开角、特定的时间间隔垂直海底发射声脉冲，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。如相邻地层与地层有一定的密度和声速差，其两层的相邻界面就会有较强的声强，在剖面仪终端显示器上会反映灰度较强的剖面的界面线。海底管道由钢材制成，其与海底存在声阻率量差，为此，在剖面仪终端显示器也会反映出界面线（图1）。

图1中，由于管线埋深一般比较浅，故不考虑由于海底地层中不同介质的波阻产生的在入射、折射方向产生的斯奈尔现象。

浅地层剖面换能器在P1点时，发射面波，该面波在PA方向上，垂直海底入射，在地层A1、A2、A3、A4等具有不同波阻层均有反射且能被接收换能器接收，在PC方向上除微弱的不能形成图像的漫反射外［3］，各地层的反射不能被接收换能器接收，故剖面终端显示器只能显示PA、PB方向的界面信息，且这些界面信息会根据时距线长短融合显示。

图1　浅地层剖面工作原理Fig.1Working mechanism of sub⁃bottom profiler

2　浅地层剖面仪对海底管线成像原理

海底管线通常有2种形式，一种是单薄管，带混凝土配重，另一种为复壁管，内管为输送介质，外管为保护管［4］，两种均为圆形，测量船舶（换能器）在其上方附近任何地点（只要反射能量不被吸收、散射完），管线的反射信号都可以被换能器接收，形成图像点。

图2　管沟3个反射点位置图Fig.2Three reflection positions on pipeline trench

3　海底管沟的浅地层剖面图像形态分类及成因分析

浅地层剖面作业时，管沟存在3个重要的声脉冲反射点，分别位于管沟两侧坡顶和沟底（图2），可以根据浅地层剖面换能器位于管沟正上方时，两坡顶与沟底的时矩长短进行分类：（1）时矩线长度相同型管沟；（2）坡顶时矩线长于沟底型管沟；（3）沟底时矩线长于坡顶型管沟。在剖面仪终端显示器也会出现如图3的3种声学反应形态。

这些浅地层声学反应形态突出表现为连续的海底反射线出现交叉，同时出现了第二条弧线，形成浅地层剖面影像的“多反射弧”状态，如图3所示，对管沟的浅地层剖面形态进行区分，关键点就是沟底最深处的反射点与连续海底反射交叉点的相对关系：沟底最深处的反射点O′位于交叉点，属于类型1；位于交叉点上，属于类型2；位于交叉点下，属于类型3。

以上3种类型反射特征的形成机理，在于浅地层剖面仪换能器本身存在的开角及其终端显示方式。如图1所示，换能器发射面波后，只要声波遇到垂直反射，信号均能被接收换能器接收，如在PA、PB方向上接收到2个返回信号，剖面仪信号处理系统根据信号返回时间t以及声速v按式（1）计算时距D，而信号处理系统却无法知道返回信号的角度，只能将该次探测结果根据时距D以深度的形式在终端显示出来

为此，可以了解到剖面仪终端显示的信号并不一定是由剖面仪下方物体的发射。根据时距D，以类型3为例，演示浅地层剖面多弧声学反射形成过程（图4）。

按测量船前进方向，位于P1点时，离管沟较远，关键反射点A、O、B不能形成被换能器接收的反射，仅下方海底的反射信号被接收，形成图3下方的海底线；当船行至P2点时关键反射点A、O、B均能形成可被接收的反射，A点成像于A′点，O、B点形成于B″附近，成像点A′与B″之间无可被接收的反射，形成空白；行至P3点，关键反射点A、O、B均形成可被接收的反射，O点成像于O″，A、B点成像于O′点（O″与O′的相对关系与测量船换能器至A、B和沟底O的时距长度有关）；测量船到达P4、P5点就是前面P2、P1的成像逆过程，将成像点A′、O′、A″，B″、O′、B′以及B″、O″、A″连起来形成弧线，共3条，便完成了由于管沟影响形成浅地层剖面穿越管沟时的“多弧影像”。

图3　三种类型管沟对应的浅地层剖面声学反应Fig.3Three kinds of trench and their corresponding sub⁃bottom acoustics reflection

图4　多弧成像原理示意图Fig.4Sketch of multi curves imaging principle

4　多弧影像的判读

图5　多弧影像示意图Fig.5Sketch of multi curves

图6　典型多弧图像实例Fig.6Typical multi curves on sub⁃bottom profiler image

由于海底管道为圆形（即在剖面方向上任何位置都能形成垂直反射），为钢制材料（能够对声波信号形成较强反射），测量船在较远的地方就能收到回波（不同的浅地层剖面换能器开角不同，收到反射信号的距离也会有所差别），据式（1）时距线公式及终端影响显示原理，由海底管线形成的回波曲线会较早的被发现，且在“距海底较深的位置”，如图5的3点所指的弧线。

海底管道的浅地层剖面调查，通常关心的是管线的埋深情况，在由管沟形成多弧情况下，首先要做的是从多弧中区分出海底和管顶的弧线，根据海管弧线出现较早，影像表现出来2个弧线下摆较长，可以很方便地区分出海管的弧线，再沿弧线跟踪，可发现图5中3号点位置为管顶。管沟坡顶将在影像中形成交叉，可知1号点并非沟底，剩下的2号点就是管沟沟底，所显示的管道处于埋藏状态。当遇到其他两种管沟图像样式时，同样可以依据以上方式进行判断。

图6为某处于管沟中的裸露混输管道浅地层探测工程实例，该次管线调查调查了29.6 km12”/18”混输管线，获得290多条剖面文件，依照本节的判读方法，结合侧扫声纳，得到该混输管线存在裸露2 000处，裸露总长度11 800.8 m，裸露比例为探测总长度的39.4%，裸露状态非常严重。存在悬空874处，悬空总长度6 619.8 m，悬空比例达到探测总长度的22.2%，悬空状态十分严重。在浅地层剖面图像出现多重弧线的位置，均能在侧扫声纳影像上看到管沟，超过50%的浅地层图像为类似图6的情况，调查成果在后期管线填埋处理的潜水探摸中得到印证。

5　结论

在海底管道调查中，管沟对浅地层剖面的影响在新铺设的管道中比较常见，同时，与调查区域的水深和由管沟的深度、跨度存在关系，它们直接关系到A、B两个关键反射点的形成，在调查过程中如发现侧扫声纳显示管线裸露和管沟，而浅地层剖面显示为多弧，可以认定为管沟影响。工程中还会受到比如海况、水质、海底底质等影响，剖面影响效果不会像图5描述的那样清晰明显。了解多重反射弧形成原理以及表现样式，对资料处理人员判读海管相对于海底的状态［5］，准确量取管线裸露、悬跨高度能够起到很大的帮助，减少判断错误的几率。

参考文献：

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［2］王立军，余志峰，王鹏.海底管道施工方法研究［J］.管道技术与设备，2010（1）:43-46. WANG L J，YU Z F，WANG P.Study of Seabed Pipeline Construction Method［J］.Pipeline Technique and Equipment，2010（1）: 43-46.

［3］单娜琳.工程地震勘探［M］.北京：冶金工业出版社，2006.

［4］张彦昌，郑佳.海底管线调查综合物探作业方法研究［J］.海洋技术，2010（1）:78-82.ZHANG Y C，ZHENG J.Comprehensive Geophysical Prospecting Method Applied in Subsea Pipelines Surveying［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010（1）：78-82.

［5］隋海琛，韩德忠，伊东云，等.海底管线调查方法和资料处理［J］.水道港口，2006（S1）:2-7. SUI H C，HAN D Z，YI D Y，et al.Inspection Survey and Data Processing of Subsea Pipeline［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006（S1）:2-7.

［6］赵冬岩.海底油气管道工程［M］.沈阳：沈阳出版社，2007.

中国港口博物馆在浙江宁波落成开放

本刊从宁波港获悉，2014年10月16日，历经4年建设的中国港口博物馆及国家水下文化遗产保护宁波基地落成开放。中国港口博物馆及国家水下文化遗产保护宁波基地位于浙江省宁波市北仑区春晓滨海新城，建筑面积40987m2，总投资6.8亿元，远看似一个大海螺。该馆共分六个部分，分别由中国港口历史馆、现代港口知识馆、港口科学探索馆、“数字海洋”体验馆、北仑史迹陈列馆、“水下考古在中国”陈列组成。在馆内，不仅可以看到曾领先西方700年的宁波宋代海船舭龙骨、战国船纹青铜缶等“镇馆之宝”，还可以走在十里洋场的街道里，玩一把“穿越”。（殷缶，梅深）

河北黄骅港综合港区20万吨级航道工程完工

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中图分类号：P 229；P 24

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0554-04

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-03-10

作者简介：刘杰（1980-），男，山东省日照人，工程师，主要从事海洋测绘勘察工作。Biography：LIU Jie（1980-），male，engineer.

Analysis of multi⁃curve′s cause on sub⁃bottom profiler image

LIU Jie，ZHANG Yan⁃chang，HAN De⁃zhong
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Tianjin 300456，China）

Abstract:In order to guarantee the subsea pipeline′s safety，the subsea pipeline′s position，buried depth，exposure or free⁃span status are important parts in subsea pipeline investigation.Pipeline detector is an effective equipment to solve this problem.For the area where new trench or trench that is not backfilled well exists，multi parabolic curves are produced on sub⁃bottom profiler image for a single pipeline，which makes it difficult for further interpretation，such as distinguishment of pipeline top，pipeline position and pipeline′s buried depth and its rela⁃tive status with seabed.In this paper，the subsea pipe installation and working mechanism of sub⁃bottom profiler were analyzed，and the cause of multi⁃curve state was investigated.A new method to distinguish trench bottom and pipeline top on sub⁃bottom profiler image was also proposed to improve the accuracy in sub⁃bottom profiler data pro⁃cessing.

Key words:pipeline trench;sub⁃bottom profiler;sub⁃bottom profiler image