劉杰，張彥昌，韓德忠

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

管溝對淺地層剖面圖影響的多弧現(xiàn)象形成分析

劉杰，張彥昌，韓德忠

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

摘要：為保證海底管線的安全，在海底管線外部調(diào)查中，獲得管線的平面位置、埋深、裸露或懸跨高度是調(diào)查的重要內(nèi)容，淺地層剖面儀可以有效地解決這一問題［1］。一些管溝明顯地區(qū)，管線儀調(diào)查得到的管線圖像出現(xiàn)多重線弧線現(xiàn)象，對管頂面的判別，管頂位置及管線埋深、裸露、懸跨高度的判斷造成困難，文章結(jié)合海底管線鋪設(shè)方法以及淺地層剖面儀工作原理，采用分解分析多重線弧狀態(tài)的形成機理，并提出了在多弧現(xiàn)象中辨別管頂面以及管溝底的方法，以提高管線剖面資料處理的準確性。

關(guān)鍵詞：管溝；管線儀；剖面圖像

在海底管道鋪設(shè)后，將挖溝機騎放在海底管線上，采用水下高壓水泵產(chǎn)生的高壓水流對海管周圍的泥土進行噴沖，形成管溝［2］，海管自然下沉進入溝內(nèi)，后通過人工回填或自然回淤對管道進行填埋。在外界水動力作用下，有的管溝回填效果較好，與周圍海底高度一致，有的由于海底地形、底質(zhì)影響，沒有形成較好的回填，在使用淺地層剖面儀進行管線狀態(tài)探測時，管溝將容易使探測剖面圖出現(xiàn)多重反射弧。在多重反射弧中準確識別出管頂比較難，且目前很難找到相應(yīng)的文獻對此做出詳細的分析，本文根據(jù)淺地層剖面儀的工作原理對剖面多重反射弧成因進行分析，并就管線、管溝形成的多弧影影像判讀進行探討。

1　淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面儀換能器按一定開角、特定的時間間隔垂直海底發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過海水觸及海底以后，部分聲能反射返回換能器；另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播，同時回波陸續(xù)返回，聲波傳播的聲能逐漸損失，直到聲波能量損失耗盡為止。如相鄰地層與地層有一定的密度和聲速差，其兩層的相鄰界面就會有較強的聲強，在剖面儀終端顯示器上會反映灰度較強的剖面的界面線。海底管道由鋼材制成，其與海底存在聲阻率量差，為此，在剖面儀終端顯示器也會反映出界面線（圖1）。

圖1中，由于管線埋深一般比較淺，故不考慮由于海底地層中不同介質(zhì)的波阻產(chǎn)生的在入射、折射方向產(chǎn)生的斯奈爾現(xiàn)象。

淺地層剖面換能器在P1點時，發(fā)射面波，該面波在PA方向上，垂直海底入射，在地層A1、A2、A3、A4等具有不同波阻層均有反射且能被接收換能器接收，在PC方向上除微弱的不能形成圖像的漫反射外［3］，各地層的反射不能被接收換能器接收，故剖面終端顯示器只能顯示PA、PB方向的界面信息，且這些界面信息會根據(jù)時距線長短融合顯示。

圖1　淺地層剖面工作原理Fig.1Working mechanism of sub?bottom profiler

2　淺地層剖面儀對海底管線成像原理

海底管線通常有2種形式，一種是單薄管，帶混凝土配重，另一種為復壁管，內(nèi)管為輸送介質(zhì)，外管為保護管［4］，兩種均為圓形，測量船舶（換能器）在其上方附近任何地點（只要反射能量不被吸收、散射完），管線的反射信號都可以被換能器接收，形成圖像點。

圖2　管溝3個反射點位置圖Fig.2Three reflection positions on pipeline trench

3　海底管溝的淺地層剖面圖像形態(tài)分類及成因分析

淺地層剖面作業(yè)時，管溝存在3個重要的聲脈沖反射點，分別位于管溝兩側(cè)坡頂和溝底（圖2），可以根據(jù)淺地層剖面換能器位于管溝正上方時，兩坡頂與溝底的時矩長短進行分類：（1）時矩線長度相同型管溝；（2）坡頂時矩線長于溝底型管溝；（3）溝底時矩線長于坡頂型管溝。在剖面儀終端顯示器也會出現(xiàn)如圖3的3種聲學反應(yīng)形態(tài)。

這些淺地層聲學反應(yīng)形態(tài)突出表現(xiàn)為連續(xù)的海底反射線出現(xiàn)交叉，同時出現(xiàn)了第二條弧線，形成淺地層剖面影像的“多反射弧”狀態(tài)，如圖3所示，對管溝的淺地層剖面形態(tài)進行區(qū)分，關(guān)鍵點就是溝底最深處的反射點與連續(xù)海底反射交叉點的相對關(guān)系：溝底最深處的反射點O′位于交叉點，屬于類型1；位于交叉點上，屬于類型2；位于交叉點下，屬于類型3。

以上3種類型反射特征的形成機理，在于淺地層剖面儀換能器本身存在的開角及其終端顯示方式。如圖1所示，換能器發(fā)射面波后，只要聲波遇到垂直反射，信號均能被接收換能器接收，如在PA、PB方向上接收到2個返回信號，剖面儀信號處理系統(tǒng)根據(jù)信號返回時間t以及聲速v按式（1）計算時距D，而信號處理系統(tǒng)卻無法知道返回信號的角度，只能將該次探測結(jié)果根據(jù)時距D以深度的形式在終端顯示出來

為此，可以了解到剖面儀終端顯示的信號并不一定是由剖面儀下方物體的發(fā)射。根據(jù)時距D，以類型3為例，演示淺地層剖面多弧聲學反射形成過程（圖4）。

按測量船前進方向，位于P1點時，離管溝較遠，關(guān)鍵反射點A、O、B不能形成被換能器接收的反射，僅下方海底的反射信號被接收，形成圖3下方的海底線；當船行至P2點時關(guān)鍵反射點A、O、B均能形成可被接收的反射，A點成像于A′點，O、B點形成于B″附近，成像點A′與B″之間無可被接收的反射，形成空白；行至P3點，關(guān)鍵反射點A、O、B均形成可被接收的反射，O點成像于O″，A、B點成像于O′點（O″與O′的相對關(guān)系與測量船換能器至A、B和溝底O的時距長度有關(guān)）；測量船到達P4、P5點就是前面P2、P1的成像逆過程，將成像點A′、O′、A″，B″、O′、B′以及B″、O″、A″連起來形成弧線，共3條，便完成了由于管溝影響形成淺地層剖面穿越管溝時的“多弧影像”。

圖3　三種類型管溝對應(yīng)的淺地層剖面聲學反應(yīng)Fig.3Three kinds of trench and their corresponding sub?bottom acoustics reflection

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

4　多弧影像的判讀

圖5　多弧影像示意圖Fig.5Sketch of multi curves

圖6　典型多弧圖像實例Fig.6Typical multi curves on sub?bottom profiler image

由于海底管道為圓形（即在剖面方向上任何位置都能形成垂直反射），為鋼制材料（能夠?qū)β暡ㄐ盘栃纬奢^強反射），測量船在較遠的地方就能收到回波（不同的淺地層剖面換能器開角不同，收到反射信號的距離也會有所差別），據(jù)式（1）時距線公式及終端影響顯示原理，由海底管線形成的回波曲線會較早的被發(fā)現(xiàn)，且在“距海底較深的位置”，如圖5的3點所指的弧線。

海底管道的淺地層剖面調(diào)查，通常關(guān)心的是管線的埋深情況，在由管溝形成多弧情況下，首先要做的是從多弧中區(qū)分出海底和管頂?shù)幕【€，根據(jù)海管弧線出現(xiàn)較早，影像表現(xiàn)出來2個弧線下擺較長，可以很方便地區(qū)分出海管的弧線，再沿弧線跟蹤，可發(fā)現(xiàn)圖5中3號點位置為管頂。管溝坡頂將在影像中形成交叉，可知1號點并非溝底，剩下的2號點就是管溝溝底，所顯示的管道處于埋藏狀態(tài)。當遇到其他兩種管溝圖像樣式時，同樣可以依據(jù)以上方式進行判斷。

圖6為某處于管溝中的裸露混輸管道淺地層探測工程實例，該次管線調(diào)查調(diào)查了29.6 km12”/18”混輸管線，獲得290多條剖面文件，依照本節(jié)的判讀方法，結(jié)合側(cè)掃聲納，得到該混輸管線存在裸露2 000處，裸露總長度11 800.8 m，裸露比例為探測總長度的39.4%，裸露狀態(tài)非常嚴重。存在懸空874處，懸空總長度6 619.8 m，懸空比例達到探測總長度的22.2%，懸空狀態(tài)十分嚴重。在淺地層剖面圖像出現(xiàn)多重弧線的位置，均能在側(cè)掃聲納影像上看到管溝，超過50%的淺地層圖像為類似圖6的情況，調(diào)查成果在后期管線填埋處理的潛水探摸中得到印證。

5　結(jié)論

在海底管道調(diào)查中，管溝對淺地層剖面的影響在新鋪設(shè)的管道中比較常見，同時，與調(diào)查區(qū)域的水深和由管溝的深度、跨度存在關(guān)系，它們直接關(guān)系到A、B兩個關(guān)鍵反射點的形成，在調(diào)查過程中如發(fā)現(xiàn)側(cè)掃聲納顯示管線裸露和管溝，而淺地層剖面顯示為多弧，可以認定為管溝影響。工程中還會受到比如海況、水質(zhì)、海底底質(zhì)等影響，剖面影響效果不會像圖5描述的那樣清晰明顯。了解多重反射弧形成原理以及表現(xiàn)樣式，對資料處理人員判讀海管相對于海底的狀態(tài)［5］，準確量取管線裸露、懸跨高度能夠起到很大的幫助，減少判斷錯誤的幾率。

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中國港口博物館在浙江寧波落成開放

本刊從寧波港獲悉，2014年10月16日，歷經(jīng)4年建設(shè)的中國港口博物館及國家水下文化遺產(chǎn)保護寧波基地落成開放。中國港口博物館及國家水下文化遺產(chǎn)保護寧波基地位于浙江省寧波市北侖區(qū)春曉濱海新城，建筑面積40987m2，總投資6.8億元，遠看似一個大海螺。該館共分六個部分，分別由中國港口歷史館、現(xiàn)代港口知識館、港口科學探索館、“數(shù)字海洋”體驗館、北侖史跡陳列館、“水下考古在中國”陳列組成。在館內(nèi)，不僅可以看到曾領(lǐng)先西方700年的寧波宋代海船舭龍骨、戰(zhàn)國船紋青銅缶等“鎮(zhèn)館之寶”，還可以走在十里洋場的街道里，玩一把“穿越”。（殷缶，梅深）

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中圖分類號：P 229；P 24

文獻標識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0554-04

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-03-10

作者簡介：劉杰（1980-），男，山東省日照人，工程師，主要從事海洋測繪勘察工作。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