基于实践的海底管线探测技术研究

基于实践的海底管线探测技术研究

摘要:本文基于笔者多年从事海底管线及地球物体探测的相关工作经验,以笔者的工作实践为背景,探讨了基于海洋磁力、侧扫声纳及浅地层剖面三种地球物理探测手段的海底管线探测思路,给出了探测的原理和案例,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词:海底管线探测磁力声纳剖面地球物理

随着海洋开发的逐步发展,近海港口、码头、航道、填海造地、桥梁等工程建设面临一个新的问题,那就是可能和已有的人类构筑物或遗弃物(比如海底管线、人工鱼礁、沉船、爆炸物等)发生冲突,其中,海底管线对于工程设计和施工的危害最大。近年来,由于没有探明海底管线而造成的工程事故时有发生,经济损失严重,社会影响较大,因此不断总结不同类型海底管线的探测技术是一个非常迫切而重要的任务。

海底管线探测是管线探测的一个分支,由于环境差异,在水域环境中进行时,其与陆域的管线探测方法在探测方法、仪器、成果分析等方面完全不同。从目前的探测现状及未来的技术发展趋势分析,地球物理方法是海底管线探测的最常用也是最有效的方法。目前,海底管线探测主要采用海洋磁力探测、浅地层剖面探测、侧扫声纳等物探方法。

本文根据天津水运工程科学研究院完成的一些海底管线的探测实例,并参考国内外同行的一些探测资料,对海底管线的地球物理探测方法进行探讨。

1 海洋磁力探测

1.1 探测原理

磁法勘探是应用地球物理学的一个分支,以有关地质学和物质磁性的理论、地磁场理论和物体磁化理论、以及磁化物体磁场的数学理论为基础,借助专用仪器测量不同磁化强度的物体在地磁场中所引起的磁场变化(即磁异常),来研究这些磁异常的空间分布特征、分布规律及其与磁性体(场源)之间的关系,从而达到寻找场源(探测目标体)的目的,并提供场源的位置、埋深及规模等相关信息。

磁性物体的磁化率的大小,剩余磁化强度的强弱和方向,磁性物体的规模和埋深,以及磁性体所处的地理位置,是影响其产生的磁场分布特征及磁场强度的主要因素。对于工程勘察而言,尤以磁化率的大小对于磁场的影响最大。表1为一些常见的物体磁性(磁化率)的测定统计表。由表可见,金属物体和水泥构件的磁化率最强,与周围相关物质的磁性差异很明显。这就为磁法探测水底管线、沉船等铁磁性和水泥质目标体提供了很好的前提条件。

1.2 水域开展磁法勘察工作的相关技术

目前,国内外使用的磁力仪有很多种类,但在水域磁测施工,必须选用不需调平的、能自动连续测量和自动记录测量数据的仪器,如MP4、ENVI、G880、G882、SeaSPY、SMM-Ⅲ等型号的便携式质子磁力仪或光泵海磁仪。磁测精度由探测目的物的磁场强度决定,对于水泥管、钢管等较小规模的海底管线,一般应用高精度甚至特高精度磁力勘察。

水上磁法勘察一般采用船只作业,将仪器探头固定于船上某一位置或抛置于船后某一位置,开动船只在设计的测线上进行磁力探测,并采用GPS-RTK进行同步定位。在作业的同时,需在测区附近空旷处(磁场平稳处)设立地球磁场日变化观测站,进行日变观测,以便对原始数据进行日变校正。海上作业需进行潮位观测,以便准确判定场源埋深。

在海域获得的磁测资料,其资料处理过程与地面磁测的处理过程相同,一般包括数据回放、预处理、向上延拓处理、向下延拓处理、分量及磁化方向转换等过程。预处理包含日变校正、高度校正和经纬度校正等。经过上述处理之后,就可以通过专门的软件进行正演拟合等,并结合相关资料进行解释判断。

1.3 海底管线的磁测实例

天津某海域规划进行工程建设,但是该海域内有一条水泥排污管道穿过,访问调查后只能判断管线的大致位置,而工程建设需要找出该排污管道的具体位置及走向,其他的勘探技术较难达到对排污管线准

确定位之目的,应用磁法勘探却快速准确地完成了该项任务。

该项目采用加拿大产的ENVI型质子磁力仪,在社会调查认为可能的区域进行磁法测量,采用走航式,测线间距5m,测点间距2m,测线与社会调查了解的管道走向大致垂直。磁法勘探成果见图1(局部,该图为示意图,每条测线在水泥管上方即出现如图所示异常变化,异常幅值约为250nT,影响宽度约为15m～20m)。相邻的测线出现连续的磁场变化,磁异常呈条带状分布,通过定量解释,确定场源的平面位置,由此就可以判断海底管道的平面位置和走向。该探测结果经过现场潜水验证,认为磁法提供的探测结果准确可靠。

1.4 海洋磁力探测的优缺点分析

海底管线主要包括供水、供油、供气、排污等铁质、水泥质的管线和供电、通信等电缆和光缆,均存在明显的磁异常状况,可以用来快速准确探明海底管线的平面位置和走向,其优点是显而易见的,并且完全不受海底管线的埋深限制。

但是,由于磁法勘探的基础是海底管线与周围介质的磁性差异,这种差异容易受到管线埋深和周围介质的影响,另外,鉴于磁法勘探的深度确定是通过数学计算或正反演拟合而得,故其在纵向深度的探测精度需要其他更加直接的方法验证,比如人工探摸验证,或者采用其他的物探方法进行验证。

2 侧扫声纳探测

2.1 侧扫声纳探测原理

侧扫声纳也称旁扫声纳,起源于20世纪60年代,它主要通过发射高频的声波信号,并接收其海底的声波回声信号,形成海底的探测带的声学图谱图像,以分析海底面的状况,俗称海底扫描技术。该方法可以探明海底目标物的位置、状态、规模等,具有形象直观、分辨率高、扫描宽度大等特点。图2为海底管线的侧扫声纳探测示意图。

2.2 水域开展侧扫声纳工作的相关方法技术

目前,国内外使用的侧扫声纳仪器主要包括KLEIN2000,KLEIN3000,KLEIN5000,SIS1500,SIS3000,EDGE 4200,EDGE4200-FS,SES2000等不同的型号。其频率和扫描宽度略有不同。

侧扫声纳探测一般采用船只作业,将仪器探头固定于船侧某一位置,开动船只低速在设计的测线上进行探测,并采用GPS-RTK进行同步定位。海上作业需进行潮位观测及水深测量,以便准确判定目标管线的埋深。在海域获得的数据资料比较直观,不需要复杂的后处理,可以直接根据获取的数据进行分析,并结合相关资料进行解释判断。