综合水域物探技术在过江管道穿越过程中的应用

李利群，王兆景，何惠军

LI Liqun，WANG Zhaojing，HE Huijun

(浙江省有色金属地质勘查局，浙江 绍兴312000)

随着我国国民经济实力的大幅提升，基础设施投入日益加大，对于沿海的省份来说，桥梁、港口码头等水域工程项目也越来越多，从而为水上地质勘察技术提供了广阔的应用舞台，也极大地推动了水上工程勘察技术的发展。

常规的钻探方法，由于水上施工难度较大，勘探成本相对较高，很难在水上选择大比例尺的密集性钻探工作;而水底障碍物形成的多样性、随机性和不可预知性，又增加了单一钻探方法在水域工程地质勘察上的风险性。水上物探技术，由于其自身的便利性和低成本性，以及可进行大比例尺的数据采集所带来的高精度和高分辨率，有力地弥补了钻探方法的不足，因而受到越来越多的工程技术人员青睐。

1 水域物探方法选择

利用地下介质间的物性差异，利用特定的仪器设备，观测、记录天然或人工激发的地球物理场变化，通过分析、解释以解决实际地质问题的勘探手段，简称物探。而将在水域内开展的物探，根据其应用目的的不同，可分为剖面法和测深法［1］。

1.1 剖面物探法

剖面物探法，指研究某一深度范围内介质体物理变化规律的物探方法。在水域勘察中，常用于查明水底地形和水底散落物(障碍物)，一般有浅地层剖面法、旁侧声纳法、多波束探测法和磁探测法。

浅地层剖面法和旁侧声纳法，都属于声波探测范畴，即向江、河(浅海)底发射脉冲声波，当声波向下传播遇到声阻抗界面时，将产生发射波，通过对接收到的反射波进行信号数据处理，得到成果解释图。而旁侧声纳法相比浅底层剖面法而言，发射频率较高，分辨率相对较高。多波束测深系统是当今水深测量和水底地形勘测的最先进设备，通过多组换能器多角度发射接收，对所测水域进行全覆盖无遗漏的测量，能够客观全面地反映所测水域的海底地形，广泛用于扫海查找海底散落物等异常。

磁探测法［2］，利用介质体的磁性差异，来探寻沉船、铁锚等遗落于水底的铁磁异常体。但由于磁探测设备易受到船体磁性、海浪、船推进器激起尾流等振动的影响。在开展工作前，须通过试验，选择使用仪器的最佳条件，远离干扰源，以获得较理想的记录。另外，在测量过程中，必须同步开展日变观测。

1.2 测深物探法

测深物探法，指观测和研究同一测点在不同深度范围内介质体物性变化规律的物探方法，主要用于物性地层的划分。由于浅层剖面法、多波束探测法测试深度有限，多反映为水底地形和水底淤泥层位。对于探测水下深部情况及基岩面地质构造，则一般采用水上地震法和水上电法。

水上地震法是通过人工发射弹性波而获得反射波信号的勘探方法。一般采用单道走航式地震映像法和水上地震反射波法。其最大特点是人工震源(通常为大功率电火花或机械震源船)能量要克服激流噪声、水底地层吸收［3］。震源的强弱和偏移距离设置决定了能够达到的勘探深度和分辨率。与陆地不同，横波一般不在水中传播，因而获得的地震资料主要为纵波波列图。

水上电法主要是指在水上开展电法(电磁法)，通过电阻率的差异划分水底地层及基岩内岩溶等地质体。其测试的空间为水下全空间位置，与陆地上半空间模型的工况有较大的不同。同样，电信号也受到水体的吸收而衰减、地质环境背景影响到其勘探深度。

1.3 定位导航

相比陆域勘探来说，水域勘探的通行较为便利，因而可以利用船只实施高效的走航式观测——边航行边测量，也就给定位导航提出了新的要求。

一般采用动态的GPS 测量，一方面测试仪器与GPS 连接，进行连续测量;另一方面船只根据海图导航仪按设计航线进行航行，尽量减少潮流的偏航影响。

2 工程概况

工程项目为天然气管道穿越，位于瓯江入海口，属于水底隧道工程。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碍物，并基本了解水下地层的分布情况。管道走向南北，沿山前斜地通过并穿越瓯江。本区的地貌形态明显受到区域地质构造的制约作用，特别是东西向的河流对地貌的形成起到了决定的作用，见图1。

图1 工区区域地质略图

根据工区的钻探资料揭示，水上穿越段地层自上而下，可分为淤泥质土、粉质黏土、粉细砂、碎(卵)石土，基岩顶面埋深可达120 m 以上。

3 应用效果

本工区主要选用了4 种物探方法:多波束探测法、水上磁法、水上地震映像法和水上高密度电阻率法。

3.1 多波束探测法

图2 为多波束法的彩像图，通过对异常体进行统计，可分别识别出海底障碍物异常和微地貌特征。其中a)图位于CK50 +305 位置处，异常体长10 m、宽2.3 m，推测为沉船所致;b)图位于CK50 +434处，异常体直径100～200 mm，1～1.5 m 长，疑为散落物影像;c)图是测线左侧停泊的一艘大型货船铁锚链所致。总体看来，旁侧声纳法的测试成果较为直观，且观测精度较高。

图2 多波束典型异常彩像图

3.2 磁测剖面

磁测线沿隧道设计中心线左右两侧，按20 m 测线距布置测线4 条，测试成果见图3。从整体上来看，磁测异常表现为南高北低的特征，在测线的850～1250 m 段，有一宽达400 m，正负异常交替出现的磁异常，经对比分析为测线左侧停泊的大型货船所引起;而在测线的350 m 处(即CK50 +305 位置)，有一个高于正常场100 nT 的正异常，表明下部含有较强的铁磁性体，结合多波速法探测成果，推测为沉船所致。

图3 磁测异常剖面图

3.3 水上地震法

沿隧道设计中心线开展了单道地震映像法，采用连续的走航式测量法，激发方式为重锤锤击船底，测试成果见图4。

在图4 的地震映像波列图上，出现两条清晰的反射波同相轴(T1 和T2)，结合工区的钻探资料，其对应的分别为淤泥质土底面界面和中风化基岩顶面界面，推测淤泥质土底面标高在-40.5～31.6 m 之间，中风化基岩顶面标高在-130. 4～-103. 9 m之间。

3.4 水上高密度电法

水上高密度电法需采用专用的水中缆线，可根据探测目标的深度不同选择电极距，测试时将缆线沉入水底，中间利用锚绳固定，测试成果见图5。

由图5 可以看出，电阻率自上而下具有较明显的分层性，分别对应于淤泥层、粉质黏土层和粉砂层，且地层分布较缓。另外，根据测线数据可知，水下淤泥质土的视电阻率值均不小于15 Ω·m，平均值在8 Ω·m 左右，为管道的保护设置提供了科学数据。

图4 地震映像法测试成果图

图5 高密度电法测试成果图

4 结 语

通过本工程的应用，表明水上物探技术可以有效地补充钻探技术，从而进一步查清水底障碍物的水平分布，并基本查明水底地层的垂向分布。另外，不同的物探方法有不同的适用条件范围，对于一个水域勘察项目来说，首先要考虑水深情况和不同地质背景。有针对性地选择适合本工区的物探方法组合，发挥各种方法的长处。

通过工程实践，也发现了一些值得注意的工作细节。测试成果易受到外界不匀质物性体的干扰:本工程中停在测线左侧的一艘大型货船带来的磁性干扰、其固定铁锚形成的多波束彩像图上的异常;以及潮水潮位变化，等等。对物性地层也要有一定的认识，即物探所能分辨的层面是指物性上存在明显差异的界面，而不是常规钻探中所认识的地层层面，如本工程中，地震映像法只能有效分辨出3 个界面差异较大的地层，而不能细分出粉质黏土、粉细砂和碎石土层及其内部亚层等。然而对于细节的把握处理会影响到测试成果的质量。

［1]吕邦来.海底管线的地球物理探测技术探讨［J］. 水运工程，2009(7 ):146 -150.

［2]戴云舟.海洋磁力仪应用［C］//中国航海学会航标专业委员会测绘学组学术研讨会学术交流论文集. 北京:中国航海学会，2006:138 -140.

［3]刘云祯.工程物探新技术［M］.北京:地质出版社，2006.