海洋地质勘查方法用于内河软土浅水条件下残桩探测的可行性分析与验证

2019-05-23郭强

珠江水运 2019年6期

郭强

摘要：上海河道升级整治中发现大量原桥梁残桩，位于现桥梁位置上下游100m范围内，桩头位于泥下1m左右。河道升级需挖深河底，原有残桩需要拔除或部分切割，而绝大部分残桩的位置信息不明，需要首先进行探测。目前已有的各种桥梁残桩探测方法效果均不理想，缺少一种效果明显、分辨率高、抗干扰性能好的方法。文中针对以上不足，提出采用海洋地质勘查中常用的浅地层剖面方法进行泥下残桩探测，并根据使用条件和高分辨率要求选择了参量阵浅剖仪。文中对测量原理、设备、流程、效果进行了分析，并与拖鱼式浅剖仪检测方法进行了对比，针对一般桩径较小，容易漏检的情况采用小角度斜测的方式，最后通过实际工程验证了该方法盲区小、目标反映明显和分辨率高的优势，可以很好地适应软土地基条件下桥桩的探测。

关键词：海洋地质勘查方法软土地基残桩探测浅地层剖面

1.引言

上海有很多早年建的桥梁是在拆除老桥梁的基础上建的，新建桥梁一般在原址上下游100m附近，为了保证通航安全及船舶吃水深度，原桥梁拆除后须处理桩基，一般有拔除和部分切割两种方式，采用切割处理时，绝大部分切割至泥面以下1-2m。随着经济发展和航运需求激增，原有航道标准过低已满足不了船舶数量、吨位增加的要求，须进行升级，主要是对航道进行拓宽、挖深以及对碍航物的处理。根据规定，原遗留桩基需要拔除或切割至不高于设计泥面以下1m。由于年代久远，很多遗留桩基原始坐标位置资料已缺失，需要探测确认。针对探测问题已开展了大量的试验或工程，针对各种条件有潜水插杆排查、磁法、水下地质雷达、浅剖等方法，但至目前为止仍然没有一种可靠的方法，一方面是由于所采用的方法本身的局限性；另一方面是由于目标直径较小，盲探中很容易被漏测。

浅剖仪广泛应用在海洋地质勘查中，以走航式探测水下浅部地层结构，具有效率高和经济实用特点。目前，应用广泛的浅剖仪有压电陶瓷式和声参量阵式，压电陶瓷式的优势在于保持一定分辨率的同时，探测深度得到了延伸，但总体来说分辨率较差。声参量阵式浅剖仪采用两个频率接近的声波脉冲合成其它频率声波进行探测，具有指向性好和分辨率高的优势，但穿透地层的深度较浅。

基于以上理由，文中将声参量阵浅剖仪用于软土地基条件下河道残留桥桩的探测，在描述该方法原理、参数设置依据等基础上，对工程验证过程和成果进行研究分析。

2.方法和原理

2.1浅地层剖面探测原理

浅地层剖面仪利用声波探测浅地层的剖面结构，声波在两侧阻抗不同的地层界面会发生发射，如图1所示，反射系数R与上、下层阻抗Z1，Z2相关，理论计算公式见（1）。地层差异往往与声学反射界面是吻合的，因此通过对反射界面的获取和分析可以判断出地层结构分布和异常。声参量阵方法是在高电压下同时向水底发射两个频率接近的高频声波信号（f1，f2）作为主频，当声波作用于水体时，会产生一系列二次频率如 f1/ f2/（f1+f2）/（f1-f2）/2f1/2f2等。其中的f1高频用于探测水深，而f1和f2的频率非常接近，因此（f1-f2）频率很低，具有很强的穿透性，可以用来探测海底浅地层剖面，而且仍然保持高频时的束角不变，保证了波束的强指向性。

2.2浅水区域的主要影响因素

浅水区域浅剖探测中除过底质、噪声、船只摆动等因素的影响外，多次反射带来的干扰是最严重的问题。多次波一般由河床和水面的二次或多次反射组成，表现为水深的两倍或多倍。在浅水区，声波遇底部沉积物衰减系数和扩散系数损失都很小，信号保留有足够的能量，它可在水面和河床间反射多次，直到信号能量减弱到水听器不能收到为止。地形平坦时，多次波反射在剖面上表现为平行条带。在底质松软地区，泥面反射系数较小，多次反射的影响有所下降，但仍然比较严重。

3.软土浅水条件下桥桩探测关键技术

在浅水条件下存在声波多次反射的干扰，对目标识别极为不利，另外，桥桩相对几何尺寸较小，容易被漏测。一般来说，浅剖探测采用走航方式，更易于识别管线类平卧结构目标。综合考虑以上理由，为了减少或避免不利因素并提高探测精度，采用浅剖仪小角度倾斜安装的方式对桥桩进行探测，一方面大大降低了桥桩被漏测的概率，另一方面改变了多次反射波的路径进而减少了干扰。为了提高该方法定位桥桩的精度，需要对地层波速进行实测。

3.1地层波速校正

采用预埋标记物的方法，以外径10cm，长2m的钢管作为标记物，埋设至泥下深度H1，开槽后将钢管水平吊放至槽内后采用原土覆盖至原始泥面状态。采用钎杆插入泥下至钢管底部，钎杆直立后采用GPS测量水平位置和入水深度H2，根据H1和H2即可计算出钢管顶部埋深：

H = H2-H1 （2）

采用参量阵浅剖仪测量钢管顶和泥面反射波时差Δt，得到探查区域的地層波速V0作为后续浅剖仪波速设置的依据：

4.工程应用

4.1工程概况

上海嘉定区某新建桥区域需探查上下游50m范围内残留桥桩，该河道宽65m，属感潮河，高平潮时水深0.5-3.8m，其中航道范围内水深3.5-3.8m，经过对多种方法的综合比较分析，确定采用声参量阵浅剖仪进行探查。搭载船只采用玻璃钢包木船，在水面航行采用河道两边绳索牵引方式。测线垂直于航道中心线布置，间距0.3m，测量前采用GPS放样方法在河道两岸做好标记。水面平面定位采用华测X10型GPS接收机，桥桩探测采用德国Innomar公司研制的SEC2000标准型参量阵剖面仪。

探查时段水流速度实测小于0.1m/s，船只行进速度1m/s，采用距离触发模式控制采集，触发间距0.1m。共完成62条测线，识别残桩3处，水位下降后采用钎杆插入泥下验证均确认为残留桥桩。

4.2测量结果分析

共探测到残留桥桩3处，如图3所示，（a）为正常区域的反射图像，（b）为残留桥桩位置的反射剖面图像，由图可见，桥桩反射的特征弧较为明显，能够达到准确识别的要求。在特征识别的基础上，根据反射弧顶的走时和实测波速，计算得出了残桩平面位置。使用钎杆在定位点及周边进行了搜索，结果表明，计算得出平面坐标与实际桩位偏差，最大约0.3m，但均能被很容易地搜索到。

5.总结与展望

文中针对水下残留桥桩探测难题，提出采用海洋地质勘查中的声参量阵浅剖方法予以解决，文中详细分析了该方法的原理、系统组成和实施步骤，并以实际工程案例进行了验证分析，得到了以下成果或结论：

（1）声参量阵浅剖仪能够有效用于软土地质条件下水下残留桥桩或类似结构的探测，具有分辨率高、准确性好且易于实施的优势。

（2）测量前进行波速校正能够有效地提高测量准确度，有利于提高桥桩的平面和深度探查精度。

（3）小角度倾斜测量的方式能够有效地避免波束多次反射干扰，并且能够有效防止漏测桥桩。

文中对该方法在上海软土条件下的探测进行了研究，上海绝大部分地区为单一的软土地基，有利于残桩探测。在地质条件复杂情况下文中方法的可行性、准确性和分辨率验证以及应对措施将是下一步需要研究的内容。

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