地球物理在航道工程勘察中的運用

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摘要：伴隨航道工程建設的迅猛發展，對勘察工作的要求日益提高。相較于其他勘察方法，地球物理勘察技術因其動態連續作業，成果資料的連續性較高，具有較大的技術優勢。本文以某航道工程勘察為依托，分析地震映像法的技術原理、測試過程及成果解譯效果，提出了帶狀航道工程勘察的新思路，并對實際操作中遇到問題進行總結。

關鍵詞：航道工程勘察；地球物理；地震映像法

伴隨國家依托黃金水道推動長江經濟帶發展戰略的提出，航道工程建設在交通建設領域的比重日益加大。隨著沿線經濟的發展，水運行業發展突飛猛進，運輸船舶大型化、運輸航線遠程化的趨勢日趨明顯。其中，長江干線貨運量2015年增至21.8億t，黃金水道的地位日益凸顯。航道工程建設的主要目的是增強干線航運能力，整治浚深下游航道，緩解中上游航道瓶頸，改善支流通航條件。工程實踐中涉及較多的為航道整治工程。相較于其他工程，航道整治工程的研究重點是論證河床演變特點，揭示河段內水沙運動規律、預測航道條件變化趨勢等。由此可見，航道整治工程的研究對象多為線性且具面狀特征。航道工程實踐中的勘察方法多為工程鉆探、原位測試、工程地質測繪等方式。其中工程鉆探具有經驗豐富、直觀可靠的特點，但其局限于鉆探點位的分析，對于面狀工程而言其信息可靠度值得商榷；原位測試方法較多，相對而言靜力觸探測試法具有連續性，且受外界干擾較小等優點，但其貫入度較小，僅適用于松軟地層，且仍局限于測試點位的分析；工程地質測繪通過對工程建設場地的地質調查，研究擬建場地的地層、巖性、構造、水文地質條件及不良地質作用[1]，但其應用范圍為陸域，水域勘察中實施難度較大。相較于上述勘察方法，地球物理勘察技術在航道整治工程中的應用較少。地球物理勘察方法多為線性作業，揭露對象為帶狀，相對于其他勘察方法，其信息可靠度較高。地球物理勘察方法為動態連續作業，無需拋錨定位，施工過程對航道的通航影響幾乎為零。地震映像法是近年來應用領域較廣的地球物理技術，它利用了水中無面波干擾的特點，采用了小偏移距與等偏移距、單點高速激發，單點接收或多點接收，經過實時數據處理，以大屏幕密集顯示波阻抗界面的方法形成彩色數字剖面，再現地下結構形態[2]。地震映像法可有效消除氣泡效應且穿透能力較強[3]。地震映像法主要應用彈性波的動力學特征對波場進行解釋，沒有繁雜的資料處理流程，是一種能適應各種工作環境、簡便、快速的地球物理勘察技術[4]。鑒于地球物理勘察技術在航道整治工程中積累的工程經驗較少，現以長江流域某工程為例進行分析、總結。

一、項目概況

該項目為長江流域航道工程，因工程建設需要，勘察范圍涵蓋主航道（見圖1），受限于工程鉆探對航道通航安全的影響，采用地震映像法進行線狀勘察，并補充鉆探工作進行成果驗證分析。

二、測試操作

為消除氣泡效應，本項目采用船載式水域連續沖擊震源船。數據采集使用SWS數字映像剖面儀，具12通道高速采集功能，與船載連續沖擊震源配合，實現高速密點距采集地震波場記錄。12通道高速采集，有利于在具有波場特征的記錄上識別有效波與多次波等干擾波。該震源由觀測船上發電機供應激發能量，設置于觀測船船頭外側舷。船舶定位及水深測量采用中海達IRTKGPS及海鷹測深儀HY1601，其中GPS天線及水深探頭距震源7.66m，水上電纜第一道距震源22m.震源激發采用快速連續沖擊方式，沖擊時間間隔控制在1s之內，1h內連續激發3,600次，激發同時將觀測船的走航速度控制在8km/h之內。通過現場試驗，確定儀器采集參數，以保證信號采集質量。船舶工作中震動大，為抑制環境噪音和走航噪音干擾，同時兼顧最大限度地提取地層深部反射信號，儀器在采集工作時選用高通濾波檔，高通檔的頻率為75Hz，對噪音干擾波的抑制效果較好。水上地震對采集到的原始資料進行時頻轉換和頻譜分析。采集有效信號的主頻為600Hz左右，干擾信號（主要為船舶馬達的震動及快速水流）的主頻為100Hz，在頻域有很大的可分性。對資料進行帶通濾波，頻帶為200~850Hz，濾波后信號效果較好。此外，在時間-空間域及頻率-波數域對錘擊及船舶馬達產生的聲波干擾進行預測，在資料處理工作中通過各種處理方法消除或抑制該干擾。由于采集中觀測系統不規則，速度分析主要是基于炮集。根據對反射界面速度的準確分析，得到反射波的動校正速度組。動校正將不同偏移距的地震信號都校正為自激自收的零偏移距，這樣有利于后期資料的分析和解譯。考慮到采集過程中行船速度與路線原因造成觀測系統不規則，形成共中心點道集并進行多次疊加有一定的困難，一般抽取共偏移距剖面進行分析。根據速度分析結果，可以計算不同地層的地震波速度并對地震時間剖面進行時深轉換，形成深度剖面。

三、測試效果分析

現場采集數據工作完成后，濾波及多次波消除后進行深度衰減補償，最終進行地震映像的成圖工作。本區域的地震映像成果見圖3，其中ZK03為驗證鉆孔。通過地震映像解譯圖與ZK03的鉆探資料的對比分析，兩者成果基本吻合。勘探水域中覆蓋層分為兩層，上部為粉細砂，褐灰色，松散-稍密，厚度介于18~20m之間，波速為1,000m/s；下部為細砂夾卵礫石，褐灰色，稍密-中密，厚度介于15~22m之間，波速為1,800m/s。覆蓋層底部平緩。基巖為泥質粉砂巖，灰-褐灰色，較完整，波速約4,500m/s。

四、結語

相較于其他勘察方法，地球物理勘察技術因其動態連續作業特點，對航道通航安全影響較小，成果資料的連續性較高，在航道工程勘察中的應用前景廣闊。其中地震映像法在淺部地層解譯判別領域已積累一定經驗，可作為航道工程勘察工作中的一種驗證、補強手段。地震映像測試船舶走航過程中的GPS定位與水深測量存在延時現象，需重視現場延時的修正工作，準確確定河床表面高程后方可進行震映像測試成果的解譯工作。地震映像法在測試過程中對水深小于5m地段成圖效果較差，尚需調試震源激發能量進行試驗性論證工作。

參考文獻

[1]常士驃，張蘇民.工程地質手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社.

[2]李哲生，顏志宏，林榕.水域工程物探勘察的新方法-地震映象法[J].工程勘察，1998，3：70-73.

[3]熊章強，張學強，李修忠等.高密度地震映象勘查方法及應用實例[J].地震學報，2004，3：313-317.

[4]王治華，仇恒永，楊振濤等.地震映像法及其應用[J].物探與化探，2008，6：696-700.寧夏回族自治區電力設計院寧夏銀川750016

作者:趙志達 孫愛國 程江濤 唐正濤 熊榮軍 單位:長江航道規劃設計研究院