物探技术在水下管线探测中的应用

陈军，刘建军

(1.上海京海工程技术公司，上海 200122； 2.上海东亚地球物理勘查有限公司，上海 201318)

物探技术在水下管线探测中的应用

陈军1，2∗，刘建军1

(1.上海京海工程技术公司，上海 200122； 2.上海东亚地球物理勘查有限公司，上海 201318)

简述了水域磁测、浅层剖面、侧扫声呐等物探方法的原理及工作方法，通过工程物探实例，展示了这些物探方法在水下管线探测中的应用效果，并简要分析了这几种方法的局限性。根据物探方法的适用性，合理地选择将要实施的方法，取得了满意的效果。

物探方法；水下管线；磁测；浅层剖面；侧扫声呐

1 引 言

近年来，为了发展区域经济、改善交通，解决民生问题，东海大桥等海域桥梁工程及跨江的大桥与隧道等项目陆续上马。这些江海施工作业遇到水下管线的问题越来越多，以东海大桥为例，大桥跨越了6条埋设于海底的光(电)缆。水下管线特别是海底管线，因其特殊的地理环境造成海底管线施工后的资料与管线在海底的实际情况相差很大，而海上桩基施工等作业对海底管线要求比较高，如果没有明确管线位置则可能造成重大工程事故。

目前，探测水下管线的主要方法为磁法勘探、浅层剖面勘探、侧扫声呐等物探方法。侧扫声呐主要探测裸露于水底面上的管线及采用开挖沟槽施工且沟槽痕迹清晰可见的水下管线；浅层剖面则用于探测具有一定规模的水下管线，如水下的雨污水管、燃气管、给水管等；磁法勘探主要用于探测具有磁性异常的管线，如光(电)缆、铁质的给水、燃气等管线。

2 物探探测原理

2.1 磁测原理

地球的基本磁场是一个位于地球中心并与地球自转轴斜交的磁偶极子的磁场，在整个地球表面，都有磁场分布，而且磁场强度、磁倾角、磁偏角随地区的不同而变化，但对于某一工程，研究的是局部小范围的磁场，我们可以把地磁场在该区域看作均匀分布的，一般在无铁磁性物质的土层中，其磁场强度就是地磁场，即背景场。自然界各种物体都受地磁场的磁化作用，在其周围产生新的磁场，对铁磁性物质而言，由于其自身的磁化率非常高，它相对于其他物质而言所表现出的磁性要强得多，这种磁场相对于天然磁场分布而言，称之为磁异常。由于各种物体的磁性不同，那么它产生的磁场强度也不同；物体空间分布的不同(包括埋深、倾向、大小等)，使其在空间磁场的分布特征也不同。由于探测范围内磁场的分布特征由该区内的物体分布情况及空间位置来决定，通过用专门的仪器来测量、记录测区磁场分布，根据所测得的磁场分布特征就可以推断出地下各种磁性物体的形状、位置和产状。

任何物探方法都有一定的地球物理前提条件，磁测方法也不例外，当其周围有较强的干扰磁场时，测试的磁场不稳定，测试效果差，无法获得正确结论，因此必须根据现场条件、磁性差异和干扰情况，合理地选择磁测方法及仪器设备。选择磁测方法及仪器设备的原则是避开强干扰场，压制较弱干扰场，突出探测物体的磁异常。对于在水面上实施的磁测，采用加长探头距船体的距离，消除船体干扰磁场的影响，选择海磁测试总场△T。

2.2 浅层剖面探测原理

浅层剖面是利用声波在水中和水下地层中的传播和反射特性来探测水底地层构造。发射机给声发射换能器一强功率电脉冲，从而在水中产生一个短促的声脉冲，当此探测脉冲在向下传播途中遇到海底和各地层界面时，由于界面两侧声阻抗的不同，而有一部分能量被反射回来，并被接收换能器所接收，反射声信号在换能器中被转换成电信号，传入主机，经信号处理、成图，反映出地下各种地质体的分布情况。

2.3 侧扫声呐探测原理

侧扫声呐是利用专用的探头发射声呐信号。声呐探头发出的信号呈扇形向下传播，扇形在水平角方向为0.6°～1.9°，而在垂直角方向为32°，当声呐信号到达江底时，就会产生反射和散射。接收器接收来自江底的返回声呐，仪器设备根据接收到的声呐信号的时间及角度，经过计算机处理就可以描绘出该扇形区域江底的相对深度变化，从而得到江底的地貌起伏情况和存在江底(海底)的沉船及其他近表面的物体等的具体位置、形态和尺寸。

3 水上工作方法

各种物探方法均采用连续测量的工作方式，测点定位采用动态GPS导航系统，测量时，数据采集系统自动将物探仪器与GPS的定位数据对应起来，实现导航与定位的统一。各种方法均采用连续工作方式进行，工作前把设计的航迹坐标输入计算机中，施工时在工作舱和控制室分别设一航迹显示屏，以便测量人员和船只驾驶员随时注视和调整航向，船只的航迹图同时显示在屏幕上，便于测量人员根据航迹与测线的对比，随时调整航向，确保航行测线满足设计要求。定位时，将动态GPS接收探头置于船中心，信标接收机置于工作舱中，为保证工作精度，定位采用差分方法，同时将动态GPS接收机收到的信号经差分计算之后，输入到各测量设备中，实现实时定位目的。同时，为了消除潮位的影响，需要在测区附近进行潮位观测，潮位观测每10 min一次，早于物探作业开始，晚于物探作业结束。

3.1 磁法探测水上工作方法

水域探测主要受测试船本身的发动机、船体等金属物质的磁场影响，因此选用吨位较小的木船，拖缆长度通过试验定为50 m，削弱了船体的影响。选用海上磁测方法探测海底光、电缆产生的磁异常△T，通过对测试的线状局部磁异常及地质背景磁场的分析，确定光、电缆的形态、走向及具体位置。水域采用水域专用的高精度磁力仪，测量参数为△T。为保证工作精度，数据采样率为10次/秒，船的航速控制在10.0 km/h内，将保证至少20.0 cm左右的采样点。在船上的操作员及时记录测线周围的船只通航及附近岸边的实际情况，以排除由于过往船只或附近磁性物体的影响，同时记录测线号及本测线的开始工作时间和结束时间。当天工作结束或本测线工作结束后，将数据输入计算机，进行处理。

3.2 浅层剖面探测水上工作方法

浅层剖面勘查的声波震源为水下拖曳的电火花声源系统，该系统和接收器以固定的间距(0.5 m左右)装在同一容器中，习惯上称之为拖鱼。工作时将拖鱼放入水中，通过信号电缆和装在船上的信号采集器相连接。浅层剖面工作采用船侧悬挂式工作方式，发射和接收探头被固定在船侧水下2.0 m深处，工作频率为2 kHz～7 kHz，扫描长度32 ms。工作中连续采样、实时显示。室内对实际的测量资料进行航迹分析、测线定位、带通滤波、纵向滤波等处理。

3.3 侧扫声呐探测水上工作方法

该方法是将侧扫声呐扫描拖曳探头放入水中，并固定在船侧进行工作，拖缆长度一般小于50.0 m。为增加分辨率，工作频率为325 kHz，脉冲长度小于0.01 ms。水平声速角为0.6°，垂直声速角为32°。工作过程中，量程一般设置为50.0 m。通过处理器将侧扫数据以图像的形式显示在监视器上，同时通过计算机记录在硬盘上并实时打印记录。侧扫声呐工作采用船侧悬挂式工作方式，侧扫声呐探头吊挂在船侧水下3.0 m深处，随着船的运动，侧扫探头在尾桨的作用下呈水平状。

图1 侧扫声呐工作示意图

4 应用实例

4.1 磁法探测应用实例

本实例为笔者采用磁法探测技术在芦洋大桥(现称东海大桥)成功探测海底光电缆的资料。数据处理以测线剖面处理为主，平面处理为辅。对进行分析的磁测剖面依次进行圆滑、插值、网格化处理，然后对所得剖面的磁异常△T进行化极处理、求取其导数等处理，转化为磁异常梯度。综合磁异常曲线、磁异常梯度曲线，进行极值点与拐点的分析研判，确定单个异常点(光、电缆)位置。多条测线平行排列，就构成磁异常的平剖面图，把多条测线的解释结果相连就构成光、电缆的线位。同时，把全部有用的磁测数据按其平面坐标，绘制磁异常平面图，并分别进行化极处理、向上延拓、向下延拓，以达到压制干扰、突出异常的目的。

图2为1431测线海底动力电缆磁测剖面图，其中实线为实测磁异常曲线，异常形态特征为以负异常为主、正异常为辅，正负异常间有较明显的梯度变化，负异常宽度约为60.0 m，各测线的负异常的幅值在－1100 nT～－1500 nT之间，正异常幅值在600 nT～800 nT之间。与无限长水平圆柱体正演异常结果相比，梯度相对变化较缓，负值相对宽度较大、幅值较大，推断该异常为叠加异常，直接从实测数据中较难推断出电缆的位置。经过对磁异常向下延拓8.0 m、化向磁赤道，经计算得到剩余磁场异常(图中虚线部分)，虚线图中出现了明显的正、负峰值，中间有一平台，已经将叠加异常很好的分离，推断极大值和极小值所对应的位置为方向相反的两条动力电缆的位置。

图2 1431测线海底动力电缆磁异常剖面图

图3 为6397测线海底动力电缆磁异常剖面图，其中实线为实测磁异常曲线，正异常峰值明显，正负异常间有较明显的梯度变化。与无限长水平圆柱体正演异常结果相比，受斜磁化的影响曲线形态不对称，推断为一根动力电缆引起的，为了准确推断出电缆的位置，通过对磁异常做了向下延拓8.0 m、化向磁赤道，并计算出剩余磁场异常(图中虚线部分)，图中正极值所对应的位置为动力电缆的位置。

图3 6397测线海底动力电缆磁异常剖面图

4.2 浅层剖面探测应用实例

本实例为笔者采用浅层剖面技术在黄浦江探测合流污水倒虹管获得的资料。在某越江隧道工程的综合物探中，在浅层剖面的实测剖面图上，发现的异常中，有不少异常反映的深度基本一致，而且这些异常的分部基本呈一条直线，根据这些异常并结合已知资料得知，这些异常正是排在一起的两根直径大于2 000 mm的合流倒虹管的反映。图4为浅层剖面上反映该合流倒虹管的异常点之一。

图4 合流倒虹管的浅层剖面探测原始图

4.3 侧扫声呐应用实例

本实例为上海京海工程技术公司上级单位中国地质科学院物化探研究所采用侧扫声呐探测得到的资料。图5是一段裸露于海底面上的电缆的侧扫声呐图像。该电缆为多年前采用水力喷射埋设方式铺设，但是由于铺设时未能准确地将该电缆放入喷射处沟槽内，从而导致该电缆露在海底面上。

图5 海底管线的侧扫声呐图像

5 结 论

通过前文所列探测实例，我们可以看出应用磁测、浅层剖面、侧扫声呐对水下管线进行探测的效果比较明显。应用这三种物探方法基本能够探明水下管线的状况。同时，这几种物探方法的局限性也十分明显。对于埋于水底面以下的管线，侧扫声呐是无法探测出来；而对于水底面以上光(电)缆，应用浅层剖面则无法达到探测目的；对于磁信号干扰强烈区域的水下管线则不能应用磁测进行探测。因此，在实施水下管线探测工作前，应充分分析已有资料，了解管线的性质、规模，调研其埋设方式，然后再根据各物探方法的适用性来选择合适的一种或多种物探方法实施探测工作。

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[3] 刘建军，马文亮，卢秋芽等.工程物探在地铁越江隧道勘查中的应用[J].物探化探计算技术，2007，29(1):275～279

[4] 刘建生，马荫生，钱耀中.物探技术在大桥建设工程中的应用[J].上海地质，2006，(2):1～4

[5] 刘保华，丁继胜，裴彦良等.海洋地球物理探测技术及其在近海工程中的应用[J].海洋科学进展，2005，23(3): 374～384

The Application of Geophysical Technology in the Detection of Underwater Pipeline

Chen Jun1，2，Liu JianJun1
(1.Shanghai Jinghai Geo－Technique Commoany，Shanghai 200122，China；2.Shanghai East Asia Geophysical Exploration Co.，Ltd.Shanghai 201318，China)

The paper introduces principles of the magnetic surveys，shallow profile，side－scan sonar geophysical prospecting methods and working methods in water areas.With cases of engineering geophysical prospecting show application effects of these geophysical methods in underwater pipeline detecting and a brief analysis limitations of the several methods.Based on the applicability of geophysical methods，reasonably selected geophysical methods to be implemented。Some quite satisfactory results were obtained.

geophysical methods underwater pipeline；magnetic surveys；shallow profile；side－scan sonar

1672－8262(2011)01－156－03

P631

B

2010—06—20

陈军(1979—)，男，工程师，主要从事工程物探、工程检测及工程监测的应用与研究工作。