地球物理在航道工程勘察中的运用
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摘要：伴随航道工程建设的迅猛发展，对勘察工作的要求日益提高。相较于其他勘察方法，地球物理勘察技术因其动态连续作业，成果资料的连续性较高，具有较大的技术优势。本文以某航道工程勘察为依托，分析地震映像法的技术原理、测试过程及成果解译效果，提出了带状航道工程勘察的新思路，并对实际操作中遇到问题进行总结。
关键词：航道工程勘察；地球物理；地震映像法
伴随国家依托黄金水道推动长江经济带发展战略的提出，航道工程建设在交通建设领域的比重日益加大。随着沿线经济的发展，水运行业发展突飞猛进，运输船舶大型化、运输航线远程化的趋势日趋明显。其中，长江干线货运量2015年增至21.8亿t，黄金水道的地位日益凸显。航道工程建设的主要目的是增强干线航运能力，整治浚深下游航道，缓解中上游航道瓶颈，改善支流通航条件。工程实践中涉及较多的为航道整治工程。相较于其他工程，航道整治工程的研究重点是论证河床演变特点，揭示河段内水沙运动规律、预测航道条件变化趋势等。由此可见，航道整治工程的研究对象多为线性且具面状特征。航道工程实践中的勘察方法多为工程钻探、原位测试、工程地质测绘等方式。其中工程钻探具有经验丰富、直观可靠的特点，但其局限于钻探点位的分析，对于面状工程而言其信息可靠度值得商榷；原位测试方法较多，相对而言静力触探测试法具有连续性，且受外界干扰较小等优点，但其贯入度较小，仅适用于松软地层，且仍局限于测试点位的分析；工程地质测绘通过对工程建设场地的地质调查，研究拟建场地的地层、岩性、构造、水文地质条件及不良地质作用[1]，但其应用范围为陆域，水域勘察中实施难度较大。相较于上述勘察方法，地球物理勘察技术在航道整治工程中的应用较少。地球物理勘察方法多为线性作业，揭露对象为带状，相对于其他勘察方法，其信息可靠度较高。地球物理勘察方法为动态连续作业，无需抛锚定位，施工过程对航道的通航影响几乎为零。地震映像法是近年来应用领域较广的地球物理技术，它利用了水中无面波干扰的特点，采用了小偏移距与等偏移距、单点高速激发，单点接收或多点接收，经过实时数据处理，以大屏幕密集显示波阻抗界面的方法形成彩色数字剖面，再现地下结构形态[2]。地震映像法可有效消除气泡效应且穿透能力较强[3]。地震映像法主要应用弹性波的动力学特征对波场进行解释，没有繁杂的资料处理流程，是一种能适应各种工作环境、简便、快速的地球物理勘察技术[4]。鉴于地球物理勘察技术在航道整治工程中积累的工程经验较少，现以长江流域某工程为例进行分析、总结。
一、项目概况
该项目为长江流域航道工程，因工程建设需要，勘察范围涵盖主航道（见图1），受限于工程钻探对航道通航安全的影响，采用地震映像法进行线状勘察，并补充钻探工作进行成果验证分析。
二、测试操作
为消除气泡效应，本项目采用船载式水域连续冲击震源船。数据采集使用SWS数字映像剖面仪，具12通道高速采集功能，与船载连续冲击震源配合，实现高速密点距采集地震波场记录。12通道高速采集，有利于在具有波场特征的记录上识别有效波与多次波等干扰波。该震源由观测船上发电机供应激发能量，设置于观测船船头外侧舷。船舶定位及水深测量采用中海达IRTKGPS及海鹰测深仪HY1601，其中GPS天线及水深探头距震源7.66m，水上电缆第一道距震源22m.震源激发采用快速连续冲击方式，冲击时间间隔控制在1s之内，1h内连续激发3,600次，激发同时将观测船的走航速度控制在8km/h之内。通过现场试验，确定仪器采集参数，以保证信号采集质量。船舶工作中震动大，为抑制环境噪音和走航噪音干扰，同时兼顾最大限度地提取地层深部反射信号，仪器在采集工作时选用高通滤波档，高通档的频率为75Hz，对噪音干扰波的抑制效果较好。水上地震对采集到的原始资料进行时频转换和频谱分析。采集有效信号的主频为600Hz左右，干扰信号（主要为船舶马达的震动及快速水流）的主频为100Hz，在频域有很大的可分性。对资料进行带通滤波，频带为200~850Hz，滤波后信号效果较好。此外，在时间-空间域及频率-波数域对锤击及船舶马达产生的声波干扰进行预测，在资料处理工作中通过各种处理方法消除或抑制该干扰。由于采集中观测系统不规则，速度分析主要是基于炮集。根据对反射界面速度的准确分析，得到反射波的动校正速度组。动校正将不同偏移距的地震信号都校正为自激自收的零偏移距，这样有利于后期资料的分析和解译。考虑到采集过程中行船速度与路线原因造成观测系统不规则，形成共中心点道集并进行多次叠加有一定的困难，一般抽取共偏移距剖面进行分析。根据速度分析结果，可以计算不同地层的地震波速度并对地震时间剖面进行时深转换，形成深度剖面。
三、测试效果分析
现场采集数据工作完成后，滤波及多次波消除后进行深度衰减补偿，最终进行地震映像的成图工作。本区域的地震映像成果见图3，其中ZK03为验证钻孔。通过地震映像解译图与ZK03的钻探资料的对比分析，两者成果基本吻合。勘探水域中覆盖层分为两层，上部为粉细砂，褐灰色，松散-稍密，厚度介于18~20m之间，波速为1,000m/s；下部为细砂夹卵砾石，褐灰色，稍密-中密，厚度介于15~22m之间，波速为1,800m/s。覆盖层底部平缓。基岩为泥质粉砂岩，灰-褐灰色，较完整，波速约4,500m/s。
四、结语
相较于其他勘察方法，地球物理勘察技术因其动态连续作业特点，对航道通航安全影响较小，成果资料的连续性较高，在航道工程勘察中的应用前景广阔。其中地震映像法在浅部地层解译判别领域已积累一定经验，可作为航道工程勘察工作中的一种验证、补强手段。地震映像测试船舶走航过程中的GPS定位与水深测量存在延时现象，需重视现场延时的修正工作，准确确定河床表面高程后方可进行震映像测试成果的解译工作。地震映像法在测试过程中对水深小于5m地段成图效果较差，尚需调试震源激发能量进行试验性论证工作。
参考文献
[1]常士骠，张苏民.工程地质手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社.
[2]李哲生，颜志宏，林榕.水域工程物探勘察的新方法-地震映象法[J].工程勘察，1998，3：70-73.
[3]熊章强，张学强，李修忠等.高密度地震映象勘查方法及应用实例[J].地震学报，2004，3：313-317.
[4]王治华，仇恒永，杨振涛等.地震映像法及其应用[J].物探与化探，2008，6：696-700.宁夏回族自治区电力设计院宁夏银川750016
作者:赵志达 孙爱国 程江涛 唐正涛 熊荣军 单位:长江航道规划设计研究院
