海洋地質(zhì)勘查方法用于內(nèi)河軟土淺水條件下殘樁探測(cè)的可行性分析與驗(yàn)證

郭強(qiáng)

摘 要：上海河道升級(jí)整治中發(fā)現(xiàn)大量原橋梁殘樁，位于現(xiàn)橋梁位置上下游100m范圍內(nèi)，樁頭位于泥下1m左右。河道升級(jí)需挖深河底，原有殘樁需要拔除或部分切割，而絕大部分殘樁的位置信息不明，需要首先進(jìn)行探測(cè)。目前已有的各種橋梁殘樁探測(cè)方法效果均不理想，缺少一種效果明顯、分辨率高、抗干擾性能好的方法。文中針對(duì)以上不足，提出采用海洋地質(zhì)勘查中常用的淺地層剖面方法進(jìn)行泥下殘樁探測(cè)，并根據(jù)使用條件和高分辨率要求選擇了參量陣淺剖儀。文中對(duì)測(cè)量原理、設(shè)備、流程、效果進(jìn)行了分析，并與拖魚式淺剖儀檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比，針對(duì)一般樁徑較小，容易漏檢的情況采用小角度斜測(cè)的方式，最后通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證了該方法盲區(qū)小、目標(biāo)反映明顯和分辨率高的優(yōu)勢(shì)，可以很好地適應(yīng)軟土地基條件下橋樁的探測(cè)。

關(guān)鍵詞：海洋地質(zhì)勘查方法 軟土地基 殘樁探測(cè) 淺地層剖面

1.引言

上海有很多早年建的橋梁是在拆除老橋梁的基礎(chǔ)上建的，新建橋梁一般在原址上下游100m附近，為了保證通航安全及船舶吃水深度，原橋梁拆除后須處理樁基，一般有拔除和部分切割兩種方式，采用切割處理時(shí)，絕大部分切割至泥面以下1-2m。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和航運(yùn)需求激增，原有航道標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低已滿足不了船舶數(shù)量、噸位增加的要求，須進(jìn)行升級(jí)，主要是對(duì)航道進(jìn)行拓寬、挖深以及對(duì)礙航物的處理。根據(jù)規(guī)定，原遺留樁基需要拔除或切割至不高于設(shè)計(jì)泥面以下1m。由于年代久遠(yuǎn)，很多遺留樁基原始坐標(biāo)位置資料已缺失，需要探測(cè)確認(rèn)。針對(duì)探測(cè)問(wèn)題已開(kāi)展了大量的試驗(yàn)或工程，針對(duì)各種條件有潛水插桿排查、磁法、水下地質(zhì)雷達(dá)、淺剖等方法，但至目前為止仍然沒(méi)有一種可靠的方法，一方面是由于所采用的方法本身的局限性；另一方面是由于目標(biāo)直徑較小，盲探中很容易被漏測(cè)。

淺剖儀廣泛應(yīng)用在海洋地質(zhì)勘查中，以走航式探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)，具有效率高和經(jīng)濟(jì)實(shí)用特點(diǎn)。目前，應(yīng)用廣泛的淺剖儀有壓電陶瓷式和聲參量陣式，壓電陶瓷式的優(yōu)勢(shì)在于保持一定分辨率的同時(shí)，探測(cè)深度得到了延伸，但總體來(lái)說(shuō)分辨率較差。聲參量陣式淺剖儀采用兩個(gè)頻率接近的聲波脈沖合成其它頻率聲波進(jìn)行探測(cè)，具有指向性好和分辨率高的優(yōu)勢(shì)，但穿透地層的深度較淺。

基于以上理由，文中將聲參量陣淺剖儀用于軟土地基條件下河道殘留橋樁的探測(cè)，在描述該方法原理、參數(shù)設(shè)置依據(jù)等基礎(chǔ)上，對(duì)工程驗(yàn)證過(guò)程和成果進(jìn)行研究分析。

2.方法和原理

2.1淺地層剖面探測(cè)原理

淺地層剖面儀利用聲波探測(cè)淺地層的剖面結(jié)構(gòu)，聲波在兩側(cè)阻抗不同的地層界面會(huì)發(fā)生發(fā)射，如圖1所示，反射系數(shù)R與上、下層阻抗Z1，Z2相關(guān)，理論計(jì)算公式見(jiàn)（1）。地層差異往往與聲學(xué)反射界面是吻合的，因此通過(guò)對(duì)反射界面的獲取和分析可以判斷出地層結(jié)構(gòu)分布和異常。聲參量陣方法是在高電壓下同時(shí)向水底發(fā)射兩個(gè)頻率接近的高頻聲波信號(hào)（f1，f2）作為主頻，當(dāng)聲波作用于水體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列二次頻率如 f1/ f2/（f1+f2）/（f1-f2）/2f1/2f2等。其中的f1高頻用于探測(cè)水深，而f1和f2的頻率非常接近，因此（f1-f2）頻率很低，具有很強(qiáng)的穿透性，可以用來(lái)探測(cè)海底淺地層剖面，而且仍然保持高頻時(shí)的束角不變，保證了波束的強(qiáng)指向性。

2.2淺水區(qū)域的主要影響因素

淺水區(qū)域淺剖探測(cè)中除過(guò)底質(zhì)、噪聲、船只擺動(dòng)等因素的影響外，多次反射帶來(lái)的干擾是最嚴(yán)重的問(wèn)題。多次波一般由河床和水面的二次或多次反射組成，表現(xiàn)為水深的兩倍或多倍。在淺水區(qū)，聲波遇底部沉積物衰減系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)損失都很小，信號(hào)保留有足夠的能量，它可在水面和河床間反射多次，直到信號(hào)能量減弱到水聽(tīng)器不能收到為止。地形平坦時(shí)，多次波反射在剖面上表現(xiàn)為平行條帶。在底質(zhì)松軟地區(qū)，泥面反射系數(shù)較小，多次反射的影響有所下降，但仍然比較嚴(yán)重。

3.軟土淺水條件下橋樁探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

在淺水條件下存在聲波多次反射的干擾，對(duì)目標(biāo)識(shí)別極為不利，另外，橋樁相對(duì)幾何尺寸較小，容易被漏測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，淺剖探測(cè)采用走航方式，更易于識(shí)別管線類平臥結(jié)構(gòu)目標(biāo)。綜合考慮以上理由，為了減少或避免不利因素并提高探測(cè)精度，采用淺剖儀小角度傾斜安裝的方式對(duì)橋樁進(jìn)行探測(cè)，一方面大大降低了橋樁被漏測(cè)的概率，另一方面改變了多次反射波的路徑進(jìn)而減少了干擾。為了提高該方法定位橋樁的精度，需要對(duì)地層波速進(jìn)行實(shí)測(cè)。

3.1地層波速校正

采用預(yù)埋標(biāo)記物的方法，以外徑10cm，長(zhǎng)2m的鋼管作為標(biāo)記物，埋設(shè)至泥下深度H1，開(kāi)槽后將鋼管水平吊放至槽內(nèi)后采用原土覆蓋至原始泥面狀態(tài)。采用釬桿插入泥下至鋼管底部，釬桿直立后采用GPS測(cè)量水平位置和入水深度H2，根據(jù)H1和H2即可計(jì)算出鋼管頂部埋深：

H = H2-H1 （2）

采用參量陣淺剖儀測(cè)量鋼管頂和泥面反射波時(shí)差Δt，得到探查區(qū)域的地層波速V0作為后續(xù)淺剖儀波速設(shè)置的依據(jù)：

4.工程應(yīng)用

4.1工程概況

上海嘉定區(qū)某新建橋區(qū)域需探查上下游50m范圍內(nèi)殘留橋樁，該河道寬65m，屬感潮河，高平潮時(shí)水深0.5-3.8m，其中航道范圍內(nèi)水深3.5-3.8m，經(jīng)過(guò)對(duì)多種方法的綜合比較分析，確定采用聲參量陣淺剖儀進(jìn)行探查。搭載船只采用玻璃鋼包木船，在水面航行采用河道兩邊繩索牽引方式。測(cè)線垂直于航道中心線布置，間距0.3m，測(cè)量前采用GPS放樣方法在河道兩岸做好標(biāo)記。水面平面定位采用華測(cè)X10型GPS接收機(jī)，橋樁探測(cè)采用德國(guó)Innomar公司研制的SEC2000標(biāo)準(zhǔn)型參量陣剖面儀。

探查時(shí)段水流速度實(shí)測(cè)小于0.1m/s，船只行進(jìn)速度1m/s，采用距離觸發(fā)模式控制采集，觸發(fā)間距0.1m。共完成62條測(cè)線，識(shí)別殘樁3處，水位下降后采用釬桿插入泥下驗(yàn)證均確認(rèn)為殘留橋樁。

4.2測(cè)量結(jié)果分析

共探測(cè)到殘留橋樁3處，如圖3所示，（a）為正常區(qū)域的反射圖像，（b）為殘留橋樁位置的反射剖面圖像，由圖可見(jiàn)，橋樁反射的特征弧較為明顯，能夠達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別的要求。在特征識(shí)別的基礎(chǔ)上，根據(jù)反射弧頂?shù)淖邥r(shí)和實(shí)測(cè)波速，計(jì)算得出了殘樁平面位置。使用釬桿在定位點(diǎn)及周邊進(jìn)行了搜索，結(jié)果表明，計(jì)算得出平面坐標(biāo)與實(shí)際樁位偏差，最大約0.3m，但均能被很容易地搜索到。

5.總結(jié)與展望

文中針對(duì)水下殘留橋樁探測(cè)難題，提出采用海洋地質(zhì)勘查中的聲參量陣淺剖方法予以解決，文中詳細(xì)分析了該方法的原理、系統(tǒng)組成和實(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）聲參量陣淺剖儀能夠有效用于軟土地質(zhì)條件下水下殘留橋樁或類似結(jié)構(gòu)的探測(cè)，具有分辨率高、準(zhǔn)確性好且易于實(shí)施的優(yōu)勢(shì)。

（2）測(cè)量前進(jìn)行波速校正能夠有效地提高測(cè)量準(zhǔn)確度，有利于提高橋樁的平面和深度探查精度。

（3）小角度傾斜測(cè)量的方式能夠有效地避免波束多次反射干擾，并且能夠有效防止漏測(cè)橋樁。

文中對(duì)該方法在上海軟土條件下的探測(cè)進(jìn)行了研究，上海絕大部分地區(qū)為單一的軟土地基，有利于殘樁探測(cè)。在地質(zhì)條件復(fù)雜情況下文中方法的可行性、準(zhǔn)確性和分辨率驗(yàn)證以及應(yīng)對(duì)措施將是下一步需要研究的內(nèi)容。

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