ChirpⅢ淺地層地質剖面儀在航道勘察中的應用研究

汪坤

摘 要：介紹ChirpⅢ淺地層地質剖面儀的工作原理、技術特點、數據分析處理方法，采用ChirpⅢ淺地層地質剖面儀與鉆探相結合，反應航道工程水深及航道底一定深度范圍內的地質特征，提高航道工程勘測的工作效率和質量，為航道工程設計提供詳細的地質資料。

關鍵詞：ChirpⅢ淺地層地質剖面儀 地質剖面 航道工程

1.前言

隨著經濟的發(fā)展，水域環(huán)境中的建設工程越來越多，在工程可行性研究階段和設計階段，都必須對工程建設場地的地質條件進行調查和評價。特別是針對某些可能出現不良地質作用的航道區(qū)域。

目前航道工程地質勘察工作，主要采用地質鉆探方法。水上地質鉆探施工難度及成本相比陸上鉆探要高很多。且水上鉆探方法所揭露的工程地質條件僅代表工程場地某點處的地層情況，為了探明場地工程地質條件，需要在場地范圍內布置一定數量的鉆孔才能滿足工程的需要。當遇到地層變化較大時，需要加密鉆孔以探明場地工程地質條件，這大大增加項目成本及影響工程進度。

考慮到目前航道工程勘探中存在的問題，本次研究采用ChirpⅢ淺地層地質剖面儀結合地質鉆探資料進行了航道工程地質勘測，對ChirpⅢ淺地層地質剖面儀的成果進行分析研究，并結合已有的航道鉆探資料對地質剖面儀的成果進行對比分析研究，得到航道工程地質剖面圖，為航道工程的設計及后續(xù)施工提供更可靠的地質資料依據。

2.ChirpⅢ淺地層地質剖面儀工作原理

ChirpⅢ淺地層地質剖面儀的換能器按一定時間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖，聲脈沖穿過海水觸及海底以后，部分聲能反射返回換能器，另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播，同時回波陸續(xù)返回。利用淺地層地質剖面儀一方面能測量換能器到河底的水深，另一方面能探測換能器垂直下方的海底以下一定深度，反映海底地層分層情況和各層地質的特征。

本次使用ChirpⅢ接收機，淺地層剖面儀采用SonarWiz.Map軟件獲得海底地層分層情況，同時結合當地地層情況分析海底區(qū)域的海底底質情況，給出合理解釋。ChirpⅢ波形理論公式如下：

式中 A為振幅；

？1為開始頻率，？2為結束頻率；

T為延遲時間；

t為記錄時間。

為了解決理論Chirp波中太多頻率成分在同一界面處的反射波對信號分辨等的影響，在實際應用中，Chirp波還需要配合相關的包絡函數一起使用，此外，由于采集的信號與發(fā)出的Chirp波具有很好的相似性，而線性噪音通常不具備相似性，所以對所獲得的采集信號進行卷積處理后，可以降低噪聲，提高信噪比。

3.工程實例

那扶河及鎮(zhèn)海灣出海航道位于珠江三角洲西側，途經江門市境內恩平市和臺山市。該航道全長約40km，其中橫板～寨門口為那扶河河段，長約24km；寨門口～漭洲島為鎮(zhèn)海灣出海航道，長約16km。結合研究海域水深地形條件和航道規(guī)劃情況，整治范圍外延至莽洲島南側規(guī)劃的莽洲島南航道位置，本項目航道整治里程約44.5km。

3.1 數據采集

本次數據采集結合本項目航道中心軸線布置淺剖測線，并沿中心軸線布置部分勘探鉆孔對淺剖數據進行分析驗證。按照相關技術要求，本次試驗共布置淺剖測線10條，淺剖航跡線總長10km，部分測線如下圖所示。ChirpⅢ淺地層地質剖面儀系統使用Sonar Wiz配套軟件進行野外數據采集工作，同時使用Hypack Max軟件進行水深采集和導航定位。

3.2 數據分析

本次使用ChirpⅢ接收機，使用Sonar Wiz6后期圖像處理。通過調整探測深度與分辨率的協調關系軟件繪圖。

本次采用淺地層剖面探測來獲取航道范圍內河床的地層結構，聲波穿透深度一般在河底以下0～30m。淺地層剖面儀在泥質沉積中可以獲取很好的穿透深度，但是在河底沉積物中砂質含量較高、較致密或含淺層氣時，地層穿透能力明顯降低，反射記錄模糊甚至無反射。

（1）測線1地質剖面圖。SJ19至SJ20河段，淺地層剖面圖像中聲納穿透效果較好，能清晰地辨識地層的反射面R0和R1，R0是聲納傳輸到河床底面反射形成，推斷R1是聲納穿透河床底淤泥層抵達粘土層反射形成。反射面R0、R1構成了層A，該河段層A的厚度超過了5m。結合鉆探資料，A層主要為淤泥、淤泥質土、淤泥混砂，A層下部主要為含砂土和粉質粘土。

（2）測線2地質剖面圖。SJ18至SJ19河段，淺地層剖面圖像中聲納在海底穿透效果良好，能清晰地辨識海底反射面R0和以及第二反射面R1。結合鉆探資料，該河段底質主要為淤泥、淤泥質粘土、粘土和粉砂。其中，聲波穿透淤泥質粘土、淤泥后在底質較硬的砂質界面形成了R1界面。在該河段SJ18號孔附近（概位：22°51.50110′N，116°23.61615′E）河底面以下8m存在疑似埋藏古河道，見圖5.9～5.10。古河道主道均位于河底5.0m深度，主道寬度約80m，河道走向呈“SW-NE”，與航道夾角約50°。該古河道埋藏較深，不影響航道建設。

（3）測線3地質剖面圖。SJ16至SJ17河段，淺地層剖面圖像中聲納在河底有一定的穿透效果，能清晰地辨識河底反射面R0，第二反射面R1不清晰，且R1界面連續(xù)性一般。結合鉆探資料，該河段底質主要為淤泥、淤泥質粘土、粘土和砂土。其中，聲波穿透淤泥、淤泥質粘土在底質較硬的砂質界面形成了R1界面。

（4）測線5地質剖面圖。SJ11至SJ13河段，淺地層剖面圖像中聲納在海底有較好的穿透效果，能清晰地辨識海底反射面R0和第二反射面R1，但淺剖圖像中R1界面連續(xù)性、清晰度一般。結合鉆探資料，該河段底質主要為淤泥質粘土、淤泥質粉細砂、細砂。其中，聲波穿透淤泥質粘土、淤泥后在底質較硬的砂質界面形成了新的界面。

4.結論

（1）根據實驗數據，得出了整個航道部分的縱斷面地質剖面圖，較為精確的劃分地質分層，提高了工程質量。

（2）通過測線布置、數據采集及內業(yè)匯編等，同時結合場區(qū)地層情況，得出了航道區(qū)域的地質情況。

（3）根據本項目中淺剖的技術特點以及相關實際應用效果，可以根據不同的工程需要，在不同水域進行地質調查。

（4）通過分析探測深度與分辨率的協調關系，得出具有參考價值最佳的勘測系統、勘測參數與勘測方法。

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