崔雙利，馬麗麗，劉元鋒，李 沖，劉 慧，王一地

(1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003；2.遼寧江河水利水電設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

1 淺地層剖面技術(shù)原理

淺地層剖面技術(shù)是基于水聲學(xué)原理，通過(guò)探測(cè)器連續(xù)發(fā)射聲波在水下及水底沉積層傳播，對(duì)接收到反射信號(hào)進(jìn)行處理，獲得水底淺部地層介質(zhì)聲學(xué)特性，從中分析得到關(guān)于水底地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。以往使用的探測(cè)器主要采用線性調(diào)頻脈沖Chirp淺剖聲吶[1]，其換能器大而笨重，對(duì)地層的分辨率低。目前普遍采用的是經(jīng)過(guò)線性調(diào)頻發(fā)展起來(lái)的非線性參量陣SBP剖面聲吶[2]，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波(即差頻波)[3]，大大地提高了淺剖設(shè)備的性能。

聲波在水中及水底沉積層傳播過(guò)程中，遇到聲阻抗變化界面發(fā)生反射。關(guān)于聲波在各層面反射強(qiáng)弱，張金成等[4]利用不同海灣多次試驗(yàn)證實(shí)，聲波對(duì)于含水量比較大而稀軟的黏土層具有很強(qiáng)的穿透力和微弱的反射作用。聲波遇到海底面為砂層或基巖、風(fēng)化殼類硬質(zhì)地層時(shí)難以穿透，反射十分強(qiáng)烈。通過(guò)測(cè)量聲波到達(dá)水底的時(shí)間和穿過(guò)水底兩界面地層之間的時(shí)間差，與水中聲速和地層的聲速乘積，算出水深和地層厚度。

2 水庫(kù)淤積探測(cè)應(yīng)用

建于1974年的遼寧省柴河水庫(kù)是以防洪為主兼顧灌溉、發(fā)電、城市供水及養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的大(2)型水庫(kù)。水庫(kù)建在遼河一級(jí)支流柴河上，流域面積1355 km2，最大壩高42.3 m，興利庫(kù)容為3.36億m3。自投入使用以來(lái)已運(yùn)行40余年，其間經(jīng)歷了多次較大的洪水，流域內(nèi)的山體、河床遭到不同程度沖刷，大量的泥沙帶入庫(kù)區(qū)，降低了水庫(kù)的蓄水能力，改變了水庫(kù)的庫(kù)容曲線，給水庫(kù)的調(diào)度工作帶來(lái)了不利影響。按照《水庫(kù)水文泥沙觀測(cè)規(guī)范》(SL 339—2006)[5]對(duì)水庫(kù)淤積測(cè)量的要求，本次采用SES-2000 light plus參量陣淺地層剖面儀對(duì)水庫(kù)淤積進(jìn)行測(cè)量。以獲取發(fā)生變化的水庫(kù)泥沙淤積總量及分布狀態(tài)等數(shù)據(jù)，為制定水庫(kù)合理地運(yùn)行、調(diào)沙及清淤方案奠定基礎(chǔ)。水上探測(cè)工作歷時(shí)10 d，共完成庫(kù)區(qū)15 km范圍內(nèi)76條測(cè)線的水下剖面數(shù)據(jù)采集。

2.1 數(shù)據(jù)處理及解釋

對(duì)得到的淺剖聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)解釋首先需要數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)行地質(zhì)解釋和分析。數(shù)據(jù)處理包括增強(qiáng)有效信息，抑制隨機(jī)噪音，壓制非目標(biāo)體的雜亂回波，提高圖像的信噪比和分辨率。此項(xiàng)工作通過(guò)處理軟件完成。淺地層剖面的圖像解釋是根據(jù)地層巖性變化反映在聲波阻抗變化上。凡聲波阻抗存在差異的界面上都能發(fā)生聲波反射[6]。對(duì)于砂層或基巖層等硬質(zhì)地層，聲波反射強(qiáng)烈甚至難以向下穿透，反映在圖像上為明顯線狀圖形；對(duì)于軟泥沉積層聲波穿透力強(qiáng)反射較弱，反映在圖像上為點(diǎn)或線狀的圖形特征，將這些具有相同特征的點(diǎn)和線連續(xù)在一起構(gòu)成軟泥沉積層的巖性界面。因此淺地層剖面探測(cè)所獲得剖面圖像是地層剖面的真實(shí)反映。

針對(duì)采集獲得的76條測(cè)線數(shù)據(jù)，處理后生成了各條測(cè)線水底剖面圖像和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。以某測(cè)線圖像為例作說(shuō)明，如圖1所示。圖像中，水底層是高頻聲波形成反射面，即圖像顯示第一層；第二層是低頻(非線性差頻)聲波獲得的反射面，為水底淤積分層，厚度0.4～0.6 m。同時(shí)獲得的水底剖面各層的大地坐標(biāo)、水底層深度、軟土淤積層深度及厚度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步計(jì)算軟土淤積層體積，即庫(kù)區(qū)測(cè)量范圍內(nèi)淤積量提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 柴河水庫(kù)淺剖探測(cè)某測(cè)線剖面圖像

2.2 淤積量計(jì)算

淤積計(jì)算方法采用斷面法。根據(jù)淺剖聲吶測(cè)線斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算兩斷面間相應(yīng)水庫(kù)水位條件下，兩層至水面分別圍成的立體方量，而后通過(guò)兩層間方量的對(duì)比，獲得兩斷面間淤積量。如式(1)所示[7]，通過(guò)相關(guān)軟件完成淤積量計(jì)算。

(1)

式中：V為總淤積量，萬(wàn)m3；Vi為第i個(gè)斷面到第i+1個(gè)斷面間淤積量，萬(wàn)m3；Vyi為第i個(gè)斷面到第i+1個(gè)斷面間淤積層至水面體積，m3；Vdi為第i個(gè)斷面到第i+1個(gè)斷面間水底層至水面體積，m3。

由于淤積總量是探測(cè)剖面間各塊淤積量累加，其精度取決于探測(cè)時(shí)測(cè)線布置密度。通過(guò)對(duì)76條淤積剖面計(jì)算得出柴河水庫(kù)在100 m水位時(shí)，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)淤積總量為704萬(wàn)m3，約占水庫(kù)最大庫(kù)容的1.1%。同時(shí)將測(cè)區(qū)內(nèi)單塊淤積量及每塊平均面積淤積量進(jìn)行排序，得到水庫(kù)淤積量較大和集中區(qū)域。淤積較嚴(yán)重位置在4～15#測(cè)線區(qū)間，淤積厚度在0.6～0.9 m左右，淤積量約占統(tǒng)計(jì)淤積總量的39%。

2.3 聲波鉆機(jī)取樣

庫(kù)底鉆孔取樣目的是針對(duì)淺剖探測(cè)結(jié)果，通過(guò)抽取庫(kù)底淤積地層原狀樣，驗(yàn)證淺剖探測(cè)的準(zhǔn)確性。水底取樣采用聲波鉆機(jī)完成。常規(guī)水底取樣設(shè)備適合在較堅(jiān)硬和成巖較好的地層中，鉆取水底表層底泥極易擾動(dòng)，聲波鉆進(jìn)采用了超聲波能量耦合原理，將高頻振動(dòng)力、回轉(zhuǎn)扭曲力和鉆進(jìn)壓力三者和為一體，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)成孔工藝過(guò)程[8]，具有鉆進(jìn)速度快、樣品連續(xù)、完整、低擾動(dòng)等特點(diǎn)。

根據(jù)76條有效測(cè)線測(cè)於剖面分析結(jié)果，在整條測(cè)線淤積均較嚴(yán)重，淤積剖面起伏較大，或淤積剖面顯示河床底部分層效果不明顯的測(cè)線上進(jìn)行鉆進(jìn)取樣。共在淺剖7條測(cè)線上，布置10個(gè)水底取樣孔。通過(guò)淺剖測(cè)得剖面數(shù)據(jù)提取每個(gè)取樣孔點(diǎn)坐標(biāo)，聲波鉆機(jī)水上取樣作業(yè)首先依靠GPS定位系統(tǒng)找到取樣點(diǎn)位置，再拋錨定位水上作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行取樣作業(yè)(如照片1所示)。

取得樣品裝在透明的硬質(zhì)塑料取樣管內(nèi)，取樣管長(zhǎng)3.0 m，直徑0.56 m。底泥樣品從取樣管提取是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。樣品提取過(guò)程中進(jìn)行深入細(xì)致的地質(zhì)描述。提取樣品分三段，第一段(取樣管最上層)為黑色稀泥(有機(jī)物)水狀物質(zhì)，第二段(中間層)為污染成黑色的粉細(xì)砂，該兩段進(jìn)行化學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)，第三段(底層)為未被污染原狀細(xì)砂。

2.4 取樣結(jié)果與淺剖結(jié)果對(duì)比分析

(1)同一位置水底高程比較。通過(guò)比對(duì)淺剖探測(cè)和鉆孔取樣在同一位置兩者的水底高程值，從而以鉆具下到水底位置水深驗(yàn)證淺剖聲吶測(cè)得水底深度的準(zhǔn)確性。兩者比對(duì)及差值結(jié)果見(jiàn)表1。差值為正表明鉆具下到水底位置位于淺剖測(cè)值下方，負(fù)值表明鉆具下到水底位置位于淺剖測(cè)值上方。通過(guò)比對(duì)兩者差值最小值為-0.08 m，最大值為0.21 m，多數(shù)在0.1～0.2 m區(qū)間且為正值，表明鉆具測(cè)值要比淺剖測(cè)值深些，這跟鉆具靠自重下到水底時(shí)，慣性作用使鉆具貫入底泥一定距離有關(guān)。從比較結(jié)果分析，試驗(yàn)階段庫(kù)水位在100 m高程，各位置水深測(cè)值介于3～20 m之間，兩者測(cè)深誤差率在5.8%～0.7%之間，多數(shù)誤差率<2%，說(shuō)明以鉆具取樣過(guò)程中測(cè)得水底高程，來(lái)驗(yàn)證淺剖聲吶探測(cè)得到水底高程結(jié)果較為接近，證明淺地層剖面聲吶高頻探測(cè)水深結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

表1 淺剖與鉆孔取樣水底高程及淤積厚度對(duì)比 m

(2)同一位置淤積厚度比較。同樣將取樣管量測(cè)的水底淤積厚度值與淺剖聲吶測(cè)得淤積厚度值比較，可以驗(yàn)證淺剖探測(cè)淤積厚度結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)同一位置兩種方法獲得淤積厚度值比較(詳見(jiàn)表1)，從中看出兩者厚度差值范圍在0.02～0.27 m之間，基本上同一處淤積厚度值是接近的。差值偏離較大者如2#孔的0.27 m，經(jīng)分析除取樣管樣品分層產(chǎn)生誤差外，還有2#孔實(shí)際取樣位置與淺剖測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)有偏差，導(dǎo)致位置不同水底淤積厚度值不同。但整體驗(yàn)證得到淺剖聲吶低頻探測(cè)水底淤積層厚度結(jié)果是較準(zhǔn)確的。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)淺剖聲吶探測(cè)，該庫(kù)水底淤積層測(cè)線剖面分層清晰，界面處有較強(qiáng)呈不連續(xù)點(diǎn)或線狀反射，形成各剖面厚度不等的淤積層，嚴(yán)重區(qū)域厚度達(dá)0.6～0.9 m。通過(guò)聲波鉆機(jī)取樣查明該層巖性為呈黑色泥狀粉細(xì)砂(取樣管一、二層)，以下為原地層細(xì)砂。

(2)探測(cè)精度比較：水底取樣進(jìn)一步驗(yàn)證了淺剖聲吶高頻波探測(cè)水深、差頻波探測(cè)淤積層厚度誤差均較小，證明淺地層剖面技術(shù)探測(cè)水庫(kù)淤積是準(zhǔn)確可靠的。

(3)探測(cè)效率比較：柴河水庫(kù)2009年由于受到技術(shù)水平和設(shè)備能力限制，采用鑿冰眼下探尺的測(cè)量方法，冬季測(cè)量整個(gè)庫(kù)面76條測(cè)線耗時(shí)近3個(gè)月，20余人參與。而使用淺地層剖面儀探測(cè)同樣多測(cè)線，僅用5～6人10 d內(nèi)完成。測(cè)量費(fèi)用僅是原來(lái)的1/3。因此應(yīng)用淺地層剖面儀探測(cè)只需較短的時(shí)間和較少的費(fèi)用便獲得水庫(kù)現(xiàn)狀淤積數(shù)據(jù)，達(dá)到了快速準(zhǔn)確探測(cè)水庫(kù)淤積的目的。為水庫(kù)淤積測(cè)量提供一種技術(shù)先進(jìn)且數(shù)據(jù)可靠的新方法。