郭 強(qiáng)

（上海?？乒こ套稍冇邢薰荆虾?200231）

1 引言

我國(guó)是海洋大國(guó)，有著眾多常住人口島嶼，淡水供應(yīng)主要通過海底供水管道輸送，中央和地方政府已規(guī)劃建設(shè)了一大批相關(guān)工程。目前，我國(guó)很多海域都已鋪設(shè)了大量的管線（含管道，無特殊說明，下同），給管道規(guī)劃和建設(shè)帶來了不利因素，為保證安全，需要對(duì)沿途的管線進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)。海底管線的類型很多，從用途來看：有輸電、輸水、油氣、通信及其它用途；從材質(zhì)來看，有金屬、樹脂、橡膠、光纖、混凝土等；從埋設(shè)方式來看，有沙包或鎮(zhèn)重塊固定、開槽埋設(shè)、泥下穿管等；從埋深來看，有裸露、淺埋、深埋等；從水質(zhì)來看，有清澈、渾濁等；從水深來看，有淺水、中水和深水。針對(duì)各種不同的工況，探測(cè)方法、方式以及效果也不一樣。

水下探測(cè)技術(shù)的突破始于60年代美國(guó)研發(fā)成功多波束測(cè)深儀，不僅可以進(jìn)行高效海洋地形測(cè)繪，而且在水下結(jié)構(gòu)物探測(cè)中同樣效果十分明顯。80年代美國(guó)Datasonics公司開發(fā)了“Chirp”壓縮子波技術(shù)［1］，帶來了海底淺地層剖面技術(shù)的快速發(fā)展，并被用于掩埋物的探測(cè)，開啟了淺剖技術(shù)的大規(guī)模工程應(yīng)用，此后德國(guó)根據(jù)參量陣原理研發(fā)了體積更小、分辨率更高的淺剖儀［2-4］。合成孔徑聲吶是基于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)原理研發(fā)的，起源于上世紀(jì)60年代，在水下地形和掩埋物探測(cè)中具備更高的分辨率，目前主要應(yīng)用在沉船沉物和掩埋物的精細(xì)調(diào)查中［5-8］。除以上方法外還有潛水錄像、水下機(jī)器人、三維聲吶等多種方法，根據(jù)不同的工況和目的進(jìn)行選擇［9-10］。文中研究了多波束、淺剖和合成孔徑聲吶3種物探方法綜合進(jìn)行海底復(fù)雜管線探測(cè)。

2 綜合探測(cè)分析方法

海底供水管道長(zhǎng)度一般都在數(shù)公里到幾十公里不等，對(duì)沿途管線不加區(qū)別進(jìn)行探測(cè)很難達(dá)到準(zhǔn)確調(diào)查目的。首先走訪調(diào)研規(guī)劃、燃?xì)?、自來水、通信（包括?guó)防）、供電等部門并收集區(qū)域管線路由埋深資料，將得到確認(rèn)的所有管線分圖層疊加到同一幅底圖中，根據(jù)建設(shè)管道的路線劃定探測(cè)范圍。

在劃定探測(cè)范圍的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行多波束地形測(cè)量，，然后采用淺剖、合成孔徑聲吶方法進(jìn)行掩埋管線的探測(cè)。多波束測(cè)量方法應(yīng)用較為廣泛，相關(guān)資料也比較豐富，文中不做詳述，接下來主要對(duì)淺剖和合成孔徑聲吶探測(cè)方法進(jìn)行分析。

2.1 淺剖探測(cè)

“淺剖儀”是淺地層剖面儀的簡(jiǎn)稱，利用聲波在聲阻抗不同界面上發(fā)生反射的原理進(jìn)行探測(cè)，反射系數(shù) 與上、下層阻抗 相關(guān)，數(shù)學(xué)關(guān)系如公式［11-12］（1）。

其中， Z1，Z2為界面上下層聲阻抗。

目前應(yīng)用較廣的淺剖儀主要有兩種，一種基于“Chirp壓縮子波”技術(shù)，探測(cè)深度大；另一種基于參量陣原理，探測(cè)分辨率高。

2.2 合成孔徑聲吶探測(cè)

合成孔徑聲納的基本原理是利用小尺寸基陣沿空間勻速直線運(yùn)動(dòng)來虛擬大孔徑基陣，在運(yùn)動(dòng)軌跡的順序位置發(fā)射并接收回波信號(hào)，對(duì)不同位置的回波信號(hào)進(jìn)行相干疊加處理，從而形成等效的大孔徑，獲得沿運(yùn)動(dòng)方向（方位向）的高分辨率。

合成孔徑聲納的方位向空間分辨能力如公式（2）［13-14］，

其中D為聲吶基陣的實(shí)際孔徑。

該方法探測(cè)的分辨力與距離無關(guān)，在采用較低工作頻率時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)海底掩埋物和底質(zhì)的高分辨率成像。

3 影響海底管線探測(cè)的主要因素

上述三種方法均采用聲波無損探測(cè)方式，影響因素具有一定的共性，多波束測(cè)深方法應(yīng)用廣泛，不做詳述，僅對(duì)淺剖和合成孔徑聲吶的影響因素進(jìn)行分析。

影響探測(cè)效果的因素包括：設(shè)備本身的技術(shù)性能指標(biāo)、海底底質(zhì)、噪聲干擾以及解譯者的實(shí)際水平和經(jīng)驗(yàn)等，其中絕大多數(shù)是可以優(yōu)化或避免的［15］。

3.1 設(shè)備選型和性能

海底管線探測(cè)方法、設(shè)備、型號(hào)較多，各自的優(yōu)勢(shì)、性能和技術(shù)指標(biāo)差別很大，設(shè)備選擇直接關(guān)系到探測(cè)效果的好壞，同一條件下有的探測(cè)方法效果十分顯著，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)探測(cè)目標(biāo)特性、探測(cè)條件等進(jìn)行設(shè)備選型和參數(shù)設(shè)置優(yōu)化。

3.2 底質(zhì)和埋深

海底底質(zhì)很大程度上決定了儀器所能探測(cè)的深度和效果，如砂、巖石、珊瑚礁和貝殼等硬質(zhì)或松散條件下，儀器的探測(cè)能力嚴(yán)重下降；反之，泥質(zhì)條件下的探測(cè)深度和效果則明顯提升。以淺地層剖面探測(cè)方法為例，一般來說砂質(zhì)海底的探測(cè)深度小于30m，泥質(zhì)海底可達(dá)100m，兩者存在巨大的差異。

3.3 管線性質(zhì)

采用淺剖和合成孔徑聲吶探測(cè)掩埋管線時(shí)，聲波在管線與覆蓋物界面發(fā)生反射，不同材料的聲阻抗差別很大，一般常見管線的聲阻抗值見表1，由表可見，由于掩埋式管線均在泥下，鋼管與泥土的聲阻抗相差最大，同等條件下探測(cè)效果最好，而PVC等樹脂類管材與泥土聲阻抗相差很小，探測(cè)效果較差。探測(cè)效果與管線的直徑有很大關(guān)系，管線越粗，分辨能力越高，反之則越低。

表1 常見海底管線聲阻抗值統(tǒng)計(jì)表

3.4 噪聲干擾

處于系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)的外界聲源信號(hào)都可能串入造成干擾信號(hào)，包括低頻船只機(jī)械噪聲和環(huán)境噪聲等。噪音在記錄上可能都會(huì)或多或少地顯示出來，降低探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，甚至對(duì)判讀、解譯結(jié)果產(chǎn)生重大的影響。因此，正確地識(shí)別，甚至消除噪聲的影響是十分重要的。

其他因素包括測(cè)量船、海氣界面、船的尾流、海水深度、潮汐及海底起伏均對(duì)探測(cè)效果一定的影響。

4 工程案例分析

4.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于浙江省某島，為緩解當(dāng)?shù)仫嬎щy，當(dāng)?shù)卣藿ㄒ粭l通往主島的跨海自來水管，跨海段長(zhǎng)度19.374km，全程采用焊接鋼管，根據(jù)前期調(diào)查，沿途與29處已有海底管線平行或交叉，包括廢棄供水管線（PE管，直徑600mm）、軍用光纜（鋼鎧裝結(jié)構(gòu)，直徑50mm）以及燃?xì)夤芫€（鋼管，直徑1200mm），管線埋深0.5～2.5m不等，區(qū)域水深高平潮最深為27.3m。

擬建跨海輸水管道采用開溝敷管和定向鉆牽引兩種方式，其中安全區(qū)域采用開溝方式，與既有管線交叉段采用定向鉆牽引底部穿越的方式。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，施工前對(duì)已有管線進(jìn)行復(fù)核探測(cè)。根據(jù)以上條件，制定了以下探測(cè)方案和流程。

（1）采用多波束系統(tǒng)測(cè)量設(shè)計(jì)線路兩側(cè)100m帶狀地形圖，并將前期調(diào)查得到的管道路由信息標(biāo)繪到地形圖上。

（2）根據(jù)多波束成果核實(shí)管線資料的準(zhǔn)確性，以往工程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于海水淘刷和人為挖沙等各種原因，管線已經(jīng)裸露出海床，可以在多波束成果圖上較為明顯地反映出來。

（3）采用淺剖儀探測(cè)、核實(shí)并修正鋼管段、PE管段信息，該方法對(duì)淺埋鋼管段效果明顯，但對(duì)尺度較小的PE管探測(cè)能力有限，可能難以探測(cè)到。

（4）采用合成孔徑聲吶探測(cè)、核實(shí)并修正光纜段和未能準(zhǔn)確探測(cè)的PE管段信息。

4.2 設(shè)備和指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，從設(shè)備性能、指標(biāo)、成熟性和測(cè)區(qū)環(huán)境多方面考慮，設(shè)備選型見表2。

表2 設(shè)備選型表

4.3 測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)上節(jié)中擬定的技術(shù)路線，采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)管道設(shè)計(jì)線路兩側(cè)各100m內(nèi)海床地形進(jìn)行了測(cè)量并處理得到測(cè)區(qū)“帶狀”地形圖，將前期調(diào)查管線信息（路由和類型）加載至帶狀地形圖上。

以加載的管線信息為參考依據(jù)分析測(cè)區(qū)地形圖，主要是識(shí)別是否有裸露在海床外的管線，并將探測(cè)結(jié)果標(biāo)注在地形圖上。結(jié)果表明：（1）未發(fā)現(xiàn)光纜痕跡，原因可能有2種，一是光纜尺寸小，測(cè)量分辨率難以達(dá)到，二是光纜埋藏較好；（2）未發(fā)現(xiàn)燃?xì)夤芫€裸露痕跡，但發(fā)現(xiàn)有防沖刷保護(hù)的沙包；（3）發(fā)現(xiàn)廢棄供水管道有多處懸空或裸露，可能是廢棄后水流沖刷和海底挖沙造成的。一般區(qū)域的地形圖截圖如圖1(a)所示，管道懸空區(qū)域截圖如圖1(b)所示，由圖可見，多波束探測(cè)方法不僅能夠得到高精度地形圖，而且能夠反映裸露在外的幾何尺寸較大的管道目標(biāo)，但難以探測(cè)尺寸較小的管線。

圖1 部分多波束地形測(cè)量成果圖

在以上分析成果的基礎(chǔ)上，以多波束測(cè)量地形圖為底圖規(guī)劃淺剖測(cè)線，對(duì)掩埋的廢棄供水、燃?xì)庖约肮饫|段進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果標(biāo)注在地形圖上。結(jié)果表明：（1）廢棄供水管道在淺剖圖上有一定反映，但特征不明顯，主要是因?yàn)楣┧艿啦馁|(zhì)的聲阻抗與河床底質(zhì)相差不大；（2）燃?xì)夤芫€在淺地層探測(cè)剖面圖上反映明顯（如圖2所示），主要是因?yàn)楣┧艿啦馁|(zhì)的聲阻抗與河床底質(zhì)相差交大，反射信號(hào)明顯；（3）未發(fā)現(xiàn)光纜痕跡，原因可能是光纜尺寸小。

在以上探測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以多波束測(cè)量地形圖為底圖規(guī)劃合成孔徑聲吶測(cè)線，對(duì)掩埋的光纜段進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果標(biāo)注在地形圖上。結(jié)果表明：光纜段在淺地層探測(cè)剖面圖上無明顯反映（如圖3(a)所示），但在合成孔徑聲吶探測(cè)剖面圖上特征明顯（如圖3(b)所示）。對(duì)

圖2 部分淺剖探測(cè)成果圖

圖3 光纜段部分合成孔徑聲吶探測(cè)成果圖

圖4 合成孔徑聲吶探測(cè)三維成果圖

對(duì)其中與設(shè)計(jì)供水線路交叉的光纜進(jìn)行了合成孔徑聲吶加密測(cè)線探測(cè)，在人工識(shí)別的基礎(chǔ)上，刪除無關(guān)剖面圖像后，根據(jù)平面坐標(biāo)和埋深數(shù)據(jù)建立了以河床面為0點(diǎn)的管線三維空間圖，見圖4。由圖可見，其它方法相比，合成孔徑聲吶方法能夠更可靠、準(zhǔn)確地反映光纜類較小目標(biāo)的狀態(tài)，且分辨率能夠滿足人工識(shí)別的要求。但該方法不僅效率低，不適用于大范圍探測(cè)，而且對(duì)測(cè)量條件要求非常高，船速一般不大于1m/s，拖體的三向搖擺姿態(tài)應(yīng)保持在5°以內(nèi)等，否則測(cè)量結(jié)果分辨率較差。

5 結(jié)論

文中針對(duì)海底復(fù)雜管線探測(cè)與調(diào)查，提出采用多波束方法建地形底圖和識(shí)別裸露管線、淺剖方法探測(cè)大尺寸和易識(shí)別管線、合成孔徑聲吶方法探測(cè)光纜等小尺寸和難識(shí)別管線的綜合物探方法，定位采用GPS與短基線結(jié)合的方式。文中詳細(xì)分析了該方法的原理和實(shí)施步驟，并以實(shí)際工程案例進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得到了以下成果或結(jié)論。

（1）利用多波束測(cè)量方法分辨率高的優(yōu)點(diǎn)可有效識(shí)別因沖刷等各種因素導(dǎo)致的裸露大尺寸管線。

（2）利用聲參量陣淺剖探測(cè)方法可有效識(shí)別泥下鋼管及大尺寸PVC管等易于識(shí)別的管線。

（3）利用合成孔徑聲吶方法可有效識(shí)別河床以上或埋深較淺的泥下光纜。

（4）采用多種物探方法結(jié)合的方式，可以達(dá)到對(duì)區(qū)域復(fù)雜管線精細(xì)調(diào)查的目的。

對(duì)海底復(fù)雜管線的探測(cè)方法研究，在各種海域及深度的適用性有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證和補(bǔ)充。