ChirpⅢ浅地层地质剖面仪在航道勘察中的应用研究

汪坤

摘 要：介绍ChirpⅢ浅地层地质剖面仪的工作原理、技术特点、数据分析处理方法，采用ChirpⅢ浅地层地质剖面仪与钻探相结合，反应航道工程水深及航道底一定深度范围内的地质特征，提高航道工程勘测的工作效率和质量，为航道工程设计提供详细的地质资料。

关键词：ChirpⅢ浅地层地质剖面仪 地质剖面 航道工程

1.前言

随着经济的发展，水域环境中的建设工程越来越多，在工程可行性研究阶段和设计阶段，都必须对工程建设场地的地质条件进行调查和评价。特别是针对某些可能出现不良地质作用的航道区域。

目前航道工程地质勘察工作，主要采用地质钻探方法。水上地质钻探施工难度及成本相比陆上钻探要高很多。且水上钻探方法所揭露的工程地质条件仅代表工程场地某点处的地层情况，为了探明场地工程地质条件，需要在场地范围内布置一定数量的钻孔才能满足工程的需要。当遇到地层变化较大时，需要加密钻孔以探明场地工程地质条件，这大大增加项目成本及影响工程进度。

考虑到目前航道工程勘探中存在的问题，本次研究采用ChirpⅢ浅地层地质剖面仪结合地质钻探资料进行了航道工程地质勘测，对ChirpⅢ浅地层地质剖面仪的成果进行分析研究，并结合已有的航道钻探资料对地质剖面仪的成果进行对比分析研究，得到航道工程地质剖面图，为航道工程的设计及后续施工提供更可靠的地质资料依据。

2.ChirpⅢ浅地层地质剖面仪工作原理

ChirpⅢ浅地层地质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。利用浅地层地质剖面仪一方面能测量换能器到河底的水深，另一方面能探测换能器垂直下方的海底以下一定深度，反映海底地层分层情况和各层地质的特征。

本次使用ChirpⅢ接收机，浅地层剖面仪采用SonarWiz.Map软件获得海底地层分层情况，同时结合当地地层情况分析海底区域的海底底质情况，给出合理解释。ChirpⅢ波形理论公式如下：

式中 A为振幅；

？1为开始频率，？2为结束频率；

T为延迟时间；

t为记录时间。

为了解决理论Chirp波中太多频率成分在同一界面处的反射波对信号分辨等的影响，在实际应用中，Chirp波还需要配合相关的包络函数一起使用，此外，由于采集的信号与发出的Chirp波具有很好的相似性，而线性噪音通常不具备相似性，所以对所获得的采集信号进行卷积处理后，可以降低噪声，提高信噪比。

3.工程实例

那扶河及镇海湾出海航道位于珠江三角洲西侧，途经江门市境内恩平市和台山市。该航道全长约40km，其中横板～寨门口为那扶河河段，长约24km；寨门口～漭洲岛为镇海湾出海航道，长约16km。结合研究海域水深地形条件和航道规划情况，整治范围外延至莽洲岛南侧规划的莽洲岛南航道位置，本项目航道整治里程约44.5km。

3.1 数据采集

本次数据采集结合本项目航道中心轴线布置浅剖测线，并沿中心轴线布置部分勘探钻孔对浅剖数据进行分析验证。按照相关技术要求，本次试验共布置浅剖测线10条，浅剖航迹线总长10km，部分测线如下图所示。ChirpⅢ浅地层地质剖面仪系统使用Sonar Wiz配套软件进行野外数据采集工作，同时使用Hypack Max软件进行水深采集和导航定位。

3.2 数据分析

本次使用ChirpⅢ接收机，使用Sonar Wiz6后期图像处理。通过调整探测深度与分辨率的协调关系软件绘图。

本次采用浅地层剖面探测来获取航道范围内河床的地层结构，声波穿透深度一般在河底以下0～30m。浅地层剖面仪在泥质沉积中可以获取很好的穿透深度，但是在河底沉积物中砂质含量较高、较致密或含浅层气时，地层穿透能力明显降低，反射记录模糊甚至无反射。

（1）测线1地质剖面图。SJ19至SJ20河段，浅地层剖面图像中声纳穿透效果较好，能清晰地辨识地层的反射面R0和R1，R0是声纳传输到河床底面反射形成，推断R1是声纳穿透河床底淤泥层抵达粘土层反射形成。反射面R0、R1构成了层A，该河段层A的厚度超过了5m。结合钻探资料，A层主要为淤泥、淤泥質土、淤泥混砂，A层下部主要为含砂土和粉质粘土。

（2）测线2地质剖面图。SJ18至SJ19河段，浅地层剖面图像中声纳在海底穿透效果良好，能清晰地辨识海底反射面R0和以及第二反射面R1。结合钻探资料，该河段底质主要为淤泥、淤泥质粘土、粘土和粉砂。其中，声波穿透淤泥质粘土、淤泥后在底质较硬的砂质界面形成了R1界面。在该河段SJ18号孔附近（概位：22°51.50110′N，116°23.61615′E）河底面以下8m存在疑似埋藏古河道，见图5.9～5.10。古河道主道均位于河底5.0m深度，主道宽度约80m，河道走向呈“SW-NE”，与航道夹角约50°。该古河道埋藏较深，不影响航道建设。

（3）测线3地质剖面图。SJ16至SJ17河段，浅地层剖面图像中声纳在河底有一定的穿透效果，能清晰地辨识河底反射面R0，第二反射面R1不清晰，且R1界面连续性一般。结合钻探资料，该河段底质主要为淤泥、淤泥质粘土、粘土和砂土。其中，声波穿透淤泥、淤泥质粘土在底质较硬的砂质界面形成了R1界面。

（4）测线5地质剖面图。SJ11至SJ13河段，浅地层剖面图像中声纳在海底有较好的穿透效果，能清晰地辨识海底反射面R0和第二反射面R1，但浅剖图像中R1界面连续性、清晰度一般。结合钻探资料，该河段底质主要为淤泥质粘土、淤泥质粉细砂、细砂。其中，声波穿透淤泥质粘土、淤泥后在底质较硬的砂质界面形成了新的界面。

4.结论

（1）根据实验数据，得出了整个航道部分的纵断面地质剖面图，较为精确的划分地质分层，提高了工程质量。

（2）通过测线布置、数据采集及内业汇编等，同时结合场区地层情况，得出了航道区域的地质情况。

（3）根据本项目中浅剖的技术特点以及相关实际应用效果，可以根据不同的工程需要，在不同水域进行地质调查。

（4）通过分析探测深度与分辨率的协调关系，得出具有参考价值最佳的勘测系统、勘测参数与勘测方法。

参考文献：

[1]朱述龙，朱宝山，王红卫.遥感图像处理与应用[M].北京：科学出版社，2006.

[2]丁维凤，冯霞，来向华等.Chrip技术及其在海底浅层勘探中的应用[J].海洋技术，2006， 25（2）：10-14.

[3]王琪，刘雁春，暴景春.浅剖仪垂直探测分辨力分析.气象水文海洋仪器，2005.5.

[4]ChirpⅢ浅地层地质剖面仪技术说明书.

[5]刘建达，黄永林.Chrip浅剖仪在水域地质调查中的应用[J].防灾减灾工程学报，2010， 30（2）：216-221.

[6]SL 326-2005，水利水电工程物探规程[S].