摘要：本文簡(jiǎn)述了水域磁測、淺層剖面、側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(xiàn)探測中的應用效果，并簡(jiǎn)要分析了這幾種方法的局限性。根據物探方法的適用性，合理地選擇將要實(shí)施的方法，取得了滿(mǎn)意的效果。

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

1 引言

　　近年來(lái)，為了發(fā)展區域經(jīng)濟、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目陸續上馬。這些江海施工作業(yè)遇到水下管線(xiàn)的問(wèn)題越來(lái)越多，以東海大橋為例，大橋跨越了6條埋設于海底的光（電）纜。水下管線(xiàn)特別是海底管線(xiàn)，因其特殊的地理環(huán)境造成海底管線(xiàn)施工后的資料與管線(xiàn)在海底的實(shí)際情況相差很大，而海上樁基施工等作業(yè)對海底管線(xiàn)要求比較高，如果沒(méi)有明確管線(xiàn)位置則可能造成重大工程事故。

　　目前，探測水下管線(xiàn)的主要方法為磁法勘探、淺層剖面勘探、側掃聲納等物探方法。側掃聲納主要探測裸露于水底面上的管線(xiàn)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(xiàn)；淺層剖面則用于探測具有一定規模的水下管線(xiàn)，如水下的雨污水管、燃氣管、給水管等；磁法勘探主要用于探測具有磁性異常的管線(xiàn)，如光（電）纜、鐵質(zhì)的給水、燃氣等管線(xiàn)。

2 物探探測原理

2.1磁測原理

　　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)強度、磁傾角、磁偏角隨地區的不同而變化，但對于某一工程，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?chē)a(chǎn)生新的磁場(chǎng)，對鐵磁性物質(zhì)而言，由于其自身的磁化率非常高，它相對于其他物質(zhì)而言所表現出的磁性要強得多，這種磁場(chǎng)相對于天然磁場(chǎng)分布而言，稱(chēng)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。由于探測范圍內磁場(chǎng)的分布特征由該區內的物體分布情況及空間位置來(lái)決定，通過(guò)用專(zhuān)門(mén)的儀器來(lái)測量、記錄測區磁場(chǎng)分布，根據所測得的磁場(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，磁測方法也不例外，當其周?chē)休^強的干擾磁場(chǎng)時(shí)，測試的磁場(chǎng)不穩定，測試效果差，無(wú)法獲得正確結論，因此必須根據現場(chǎng)條件、磁性差異和干擾情況，合理地選擇磁測方法及儀器設備，選擇磁測方法及儀器設備的原則是避開(kāi)強干擾場(chǎng)，壓制較弱干擾場(chǎng)，突出探測物體的磁異常。對于水上磁測，采用加長(cháng)探頭距船體的距離，消除船體干擾磁場(chǎng)的影響，選擇海磁測試總場(chǎng)△T。

2.2淺層剖面探測原理

　　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)探測水底地層構造。發(fā)射機給聲發(fā)射換能器一強功率電脈沖，從而在水中產(chǎn)生一個(gè)短促的聲脈沖，當此探測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，反射聲信號在換能器中被轉換成電信號，傳入主機，經(jīng)信號處理、成圖，反映出地下各種地質(zhì)體的分布情況。

2.3側掃聲納探測原理

　　側掃聲納是利用專(zhuān)用的探頭發(fā)射聲納信號。聲納探頭發(fā)出的信號呈扇形向下傳播，扇形在水平角方向為0.6°～1.9°，而在垂直角方向為32°，當聲納信號到達江底時(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，儀器設備根據接收到的聲納信號的時(shí)間及角度，經(jīng)過(guò)計算機處理就可以描繪出該扇形區域江底的相對深度變化，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測量的工作方式，測點(diǎn)定位采用動(dòng)態(tài)GPS導航系統，測量時(shí)，數據采集系統自動(dòng)將物探儀器與GPS的定位數據對應起來(lái)，實(shí)現導航與定位的統一。各種方法均采用連續工作方式進(jìn)行，工作前把設計的航跡坐標輸入計算機中，施工時(shí)在工作艙和控制室分別設一航跡顯示屏，以便測量人員和船只駕駛員隨時(shí)注視和調整航向，船只的航跡圖同時(shí)顯示在屏幕上，便于測量人員根據航跡與測線(xiàn)的對比，隨時(shí)調整航向，確保航行測線(xiàn)滿(mǎn)足設計要求。定位時(shí)，將動(dòng)態(tài)GPS接收探頭置于船中心，信標接收機置于工作艙中，為保證工作精度，定位采用差分方法，同時(shí)將動(dòng)態(tài)GPS接收機收到的信號經(jīng)差分計算之后，輸入到各測量設備中，實(shí)現實(shí)時(shí)定位目的。同時(shí)，為了消除潮位的影響，需要在測區附近進(jìn)行潮位觀(guān)測，潮位觀(guān)測每10分鐘一次，早于物探作業(yè)開(kāi)始，晚于物探作業(yè)結束。

3.1 磁法探測水上工作方法

　　水域探測主要受測試船本身的發(fā)動(dòng)機、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(cháng)度通過(guò)試驗定為50m，削弱了船體的影響。選用海上磁測方法探測海底光、電纜產(chǎn)生的磁異?！鱐，通過(guò)對測試的線(xiàn)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。水域采用水域專(zhuān)用德高精度磁力儀，測量參數為ΔT。為保證工作精度，數據采樣率為10次/秒，船的航速控制在10.0km/h內，將保證至少20.0cm左右的采樣點(diǎn)。在船上的操作員及時(shí)記錄測線(xiàn)周?chē)拇煌ê郊案浇哆叺膶?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)記錄測線(xiàn)號及本測線(xiàn)的開(kāi)始工作時(shí)間和結束時(shí)間。當天工作結束或本測線(xiàn)工作結束后，將數據輸入計算機，進(jìn)行處理。

3.2 淺層剖面探測水上工作方法

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

3.3 側掃聲納探測水上工作方法

　　該方法是將側掃聲納掃描拖曳探頭放入水中，并固定在船側進(jìn)行工作，拖纜長(cháng)度一般小于50.0m。為增加分辨率，工作頻率為325kHz在，脈沖長(cháng)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，量程一般設置為50.0m。通過(guò)處理器將側掃數據以圖像的形式顯示在監示器上，同時(shí)通過(guò)計算機記錄在硬盤(pán)上并實(shí)時(shí)打印記錄。側掃聲納工作采用船側懸掛式工作方式，側掃聲納探頭吊掛在船側水下3.0m深處，隨著(zhù)船的運動(dòng)，側掃探頭在尾槳的作用下呈水平狀。

圖1 側掃聲納工作示意圖

4 應用實(shí)例

4.1 磁法探測應用實(shí)例

　　本實(shí)例為筆者采用磁法探測技術(shù)在蘆洋大橋（現稱(chēng)東海大橋）成功的探測海底光電纜的資料。數據處理以測線(xiàn)剖面處理為主，平面處理為輔。對進(jìn)行分析的磁測剖面依次進(jìn)行圓滑、插值、網(wǎng)格化處理，然后對所得剖面的磁異常ΔT進(jìn)行化極處理、求取其導數等處理，轉化為磁異常梯度。綜合磁異常曲線(xiàn)、磁異常梯度曲線(xiàn)，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。多條測線(xiàn)平行排列，就構成磁異常的平剖面圖，把多條測線(xiàn)的解釋結果相連就構成光、電纜的線(xiàn)位。同時(shí)，把全部有用的磁測數據按其平面坐標，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，以達到壓制干擾、突出異常的目的。圖2為1431測線(xiàn)海底動(dòng)力電纜磁測剖面圖，其中實(shí)線(xiàn)為實(shí)測磁異常曲線(xiàn)，異常形態(tài)特征為以負異常為主、正異常為輔，正負異常間有較明顯的梯度變化，負異常寬度約為60.0m,各測線(xiàn)的負異常的幅值在-1100～-1500nT之間，正異常幅值在600～800nT之間。與無(wú)限長(cháng)水平圓柱體正演異常結果相比，梯度相對變化較緩，負值相對寬度較大、幅值較大，推斷該異常為迭加異常，直接從實(shí)測數據中較難推斷出電纜的位置。經(jīng)過(guò)對磁異常向下延拓8.0m、化向磁赤道，經(jīng)計算得到剩余磁場(chǎng)異常（圖中虛線(xiàn)部分），虛線(xiàn)圖中出現了明顯的正、負峰值，中間有一平臺，已經(jīng)將迭加異常很好的分離，推斷極大值和極小值所對應的位置為方向相反的兩條動(dòng)力電纜的位置。

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

圖2 1431測線(xiàn)海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖

圖3為6397測線(xiàn)海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖，其中實(shí)線(xiàn)為實(shí)測磁異常曲線(xiàn)，正異常峰值明顯，正負異常間有較明顯的梯度變化。與無(wú)限長(cháng)水平圓柱體正演異常結果相比，受斜磁化的影響曲線(xiàn)形態(tài)不對稱(chēng)，推斷為一根動(dòng)力電纜引起的，為了準確推斷出電纜的位置，過(guò)對磁異常做了向下延拓8.0m、化向磁赤道，并計算出剩余磁場(chǎng)異常（圖中虛線(xiàn)部分），圖中正極值所對應的位置為動(dòng)力電纜的位置。

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

圖3 6397測線(xiàn)海底動(dòng)力電纜磁異常剖面圖
 

4.2 淺層剖面探測應用實(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)測剖面圖上，發(fā)現的異常中，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(xiàn)，根據這些異常并結合已知資料得知，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原始圖

4.3 側掃聲納應用實(shí)例

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

圖5海底管線(xiàn)的側掃聲納圖像

5 結論

    通過(guò)前文所列探測實(shí)例，我們可以看出應用磁測、淺層剖面、側掃聲納對水下管線(xiàn)進(jìn)行探測的效果比較明顯。應用這三種物探方法基本能夠探明水下管線(xiàn)的狀況。同時(shí)，這幾種物探方法的局限性也十分明顯。對于埋于水底面以下的管線(xiàn)，側掃聲納是無(wú)法探測出來(lái)；而對于水底面以上光（電）纜，應用淺層剖面則無(wú)法達到探測目的；對于磁信號干擾強烈區域的水下管線(xiàn)則不能應用磁測進(jìn)行探測。因此，在實(shí)施水下管線(xiàn)探測工作前，應充分分析已有資料，了解管線(xiàn)的性質(zhì)、規模，調研其埋設方式，然后再根據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)施探測工作。

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