浅地层剖面探测技术在水闸底板探测中的应用

潘纪顺，张嘉乐，张允涛，张 鑫

（华北水利水电大学，郑州 450046）

研究水下无损检测技术对水利工程不停水检修意义重大。运用电磁波理论的激光雷达等光学检测设备在水下检测应用中会受到极大限制，因为水体本身的电阻率十分低，常规的电磁波信号在水中的衰减极快。而弹性波信号可在水中传播，水体属于流体，其剪切模量几乎为0，只有压缩模量存在，因此利用弹性波中的声波在水中的传播规律研究水下结构状态，是解决目前水下问题的主要手段[1]。

浅地层剖面仪是一种于20 世纪60 至70 年代问世的水下声波探测设备，浅地层剖面仪的操作原理为通过发射低频声波，这些声波具备穿透海底的能力，当低频声信号穿越不同物质分界面时，由于界面物理特性的不同，导致波速、振幅和返回时间等方面的差异，从而实现了对海底浅部地层结构及其分布的测量。随着科学技术不断发展与进步，浅地层剖面仪已成为一种非常有效的勘探手段之一。本文探讨了浅地层剖面仪的操作原理和应用方式，通过案例展示了它的实际效用。相比于传统的钻孔取样方法，浅地层剖面探测技术具有简化操作、高速勘测、连续图像记录及经济实惠等多方面的优势[2]。伴随着科学技术的不断进步，调频声脉冲、声参量阵的不断发展并应用到浅地层剖面探测技术上，使得浅地层剖面探测不仅在探测能力上得到了加强，而且在数据采集及后续的数据处理上也得到了进一步提升，浅地层剖面探测技术也逐渐成为海洋浅层地质勘探的常用手段。目前，我国使用的浅地层剖面探测仪器、设备及数据处理软件大多来自国外，国内的浅地层剖面仪与国外相比仍存在较大差距。

浅地层剖面探测系统是由震源系统、接收系统、记录与控制系统及辅助系统这4 个主要部分构成的[2]。

产生声波的装置即为震源系统，按照产生声波的方式不同可以将震源系统划分为4 种形式，分别为参量阵震源、电火花震源、电磁式震源、压电换能器震源。

将声波信号转化为电信号的系统为接收系统（水听器），接收系统主要由检波器组成，检波器被密封在油缆里，检波器在油缆里按照一定的规律进行排列，接收系统的性质也与检波器的排列规律、数量及质量有关。

安装了处理信号相关软件的计算机或者特殊处理器为记录与控制系统，记录与控制系统的主要作用：将浅地层剖面探测系统的4 个主要构成部分组成一个整体，记录发射信号系统发出的特定频段范围内的调频声波信号同时接受有效的返回信号，传输到计算机或特殊处理器上，在计算机或特殊处理器上实时显示剖面探测的结果。

进行断面定位测量、船体姿态记录、声速剖面测量等工作时所使用的设备及相关处理软件统称为辅助系统。RTK 移动测量定位仪为目前常用的断面定位测量系统，船体姿态变化的记录通过姿态传感器来实现，准确的声速测量对浅地层剖面探测意义重大，对剖面时深转换的有效进行具有重要意义。

1 工作原理

浅地层剖面探测技术利用声波在不同介质中传播时的不同特性，当声波遇到不同介质之间的边界（称为声阻抗界面）时，它会发生反射和透射。在下一个边界处，透射波继续产生反射波和透射波，通过反演分析反射波的时间、振幅和频率等信息[2]，可以推断多层介质的厚度、类型等特性。根据声波的这些特性，可以对地下不同层位进行分析和解释，从而提高地震数据处理和地质认知的准确性。反射波的能量强度可以通过振幅的大小来表示，而声波的振幅则是由界面的反射系数所决定的，以两层水平介质为研究对象

式（1）中Ar为反射波振幅，Ai为入射波振幅，R为反射系数，式（2）中ρ1、v1、ρ2、v2分别为上层介质和下层介质的平均密度和声波传播速度，平均密度与声波传播速度乘积为介质的声阻抗[2]。从（1）（2）这2 个公式可以看出，相邻介质的声阻抗差异越大，反射系数R的绝对值就越大，反射波的能量也就越强，在浅地层剖面图像中，灰度越高，识别也就越容易。

2 工程案例

2.1 工程概况

水闸位于某河流沿岸，由于受潮汐水位影响产生水位差，打开闸门有很大水流作用，为准确获取水闸底板状况，确保工程安全，对水闸底板进行全面检测，主要检测表面破损及混凝土底板下的脱空情况。

2.2 探测方法

水闸底板检测使用浅地层剖面仪，浅地层剖面仪由甲板单元和水下单元这2 个主要部分组成，水下单元通常称为拖鱼，拖鱼悬挂在水中通过一根电缆与甲板单元相连。拖鱼内部装有宽频带发射阵列和接收阵列，当发射阵列发送的特定频段范围内的调频脉冲信号遇到不同的波阻抗界面时，会产生反射脉冲，这些反射脉冲信号被拖鱼内的接收阵列接收并放大，然后通过电缆传送到船上的甲板单元，经过数控放大器进一步放大，接着通过模数转换器进行采样和数字信号转换，然后送到数字信号处理器进行相关处理[3]。最后，处理后的信号被传送到工作站，以进行显示、存储和数据处理（图1）。

图1 浅地层剖面仪工作方法图

2.3 探测过程

对于露天区域有定位信号的地方进行检测，将GPS 移动站的数据线与船上3200-XS 浅地层剖面仪相连[4]，自动定位浅地层剖面仪拖鱼的位置；在测区内控制船只进行覆盖检测，仪器自动记录数据；时时观测浅地层剖面仪剖面影像图，发现缺陷，加密与重复检测，如果同一位置反复出现缺陷信号，可判断此次有缺陷，否则异常信号为船颠簸、后退等原因造成。

对于洞内区域没有定位信号的地方进行检测，在测区内控制船只进行覆盖检测。时时观测浅地层剖面仪剖面影像图，发现缺陷，加密与重复检测，如果同一位置反复出现缺陷信号，可判断此次有缺陷，否则异常信号为船颠簸、后退等原因造成，同时标记缺陷起始与结束位置，根据剖面影像图判断缺陷性质、读取深度。

2.4 仪器设备

水闸底板检测采用的浅地层剖面仪为美国EdgeTech 公司生产的3200-XS 浅地层剖面仪，断面定位测量使用的RTK 移动测量定位仪为上海华测导航技术公司生产的RTK 移动测量定位仪[3]，其定位精度为平面：±（10+1×10-6D）mm，高程：±（20+1×10-6D）mm。

2.5 数据处理与资料解释

数据处理流程如图2 所示。

图2 数据处理流程图

根据声波传播理论，声波只在遇到具有显著波阻抗差异的边界时发生反射。在河水中，由于悬浮颗粒的分布逐渐变化，声波在水中传播时不会形成明显的反射界面，只有当声波遇到水与泥沙、水与混凝土、或者泥沙与混凝土等边界时才会引发反射现象[5]。这个现象可以通过图3 进行详细分析和解释。

图3 反射波界面

1）水与泥沙之间的边界通常相对平滑，介质相对均匀，因此它是一个明显的反射边界。在波形图上表现为反射波的出现后持续时间较短，形成一个平整的界面[5]。

2）水与碎石或泥沙与碎石之间的边界相对较不平整，碎石呈块状，因此声波可以部分穿透[6]。在波形图上表现为反射波的持续时间较长，形成一个不太平整的界面。

3）脱空区域在剖面图上与声纳检测中的管线相似，因此当声波正好位于脱空区域正上方时，会形成一个弧形的反射。

2.6 探测成果

2.6.1 一号水闸检测成果与分析

一号水闸检测范围如图4 所示，检测过程中没有发现混凝土底板有破损与底板下脱空情况。在露天区域有施工废料、砾石、碎石等淤积物，由于底板淤积物并非淤泥，对声纳探测来说，与底板混凝土性质相似，所以底板与淤积物不容易区分，且淤积物相当于底板的耦合介质使声纳继续向下传播，如果遇到脱空，在行进过程中图形会有弧状反射形成[7]。

图4 一号水闸检测范围

在涵洞及闸门临近河流一侧的底板由于变窄水流大没有淤积物，剖面图中影像光滑，典型的剖面图如图5、图6 所示。

图5 一号水闸实际检测典型波形图1

图6 一号水闸实际检测典型波形图2

2.6.2 二号水闸检测成果与分析

二号水闸检测范围如图7 所示，检测过程中发现涵洞下底板相对两侧混凝土底板低7 cm，台阶在结构接缝处，每次经过台阶时都会有台阶的特征影像，台阶的典型影像剖面图如图8、图9 所示，根据理论分析台阶式沉降应在沉降的一侧有单边的斜面影像[8]，因为探头有一定的波束角，在沉降侧台阶的反射会被探头接收，而在正常一侧台阶不会有入射声纳的反射，在沉降侧探头由远到近接近台阶反射距离就由大到小，反之探头由近到远离开台阶反射距离就由小到大，而在台阶正常一侧并没有反射，这样在影像图中就会形成一个单边的斜面影像，初步分析可能为桥面过往车辆的荷载造成的沉降。

图7 二号水闸检测范围

图8 二号水闸实际检测典型波形图1

图9 二号水闸实际检测典型波形图2（船探测时在台阶处往复运动）

另外检测发现底板混凝土淤积物很少，所以剖面图中影像光滑，典型的影像剖面图如图8、图9 所示。

3 结束语

通过使用浅地层剖面探测技术进行水闸底板的检测，实践证明其效果显著。未来，这项技术的发展将注重以下方向：更深的地下穿透能力、更高的地质分辨率、更高的工作效率，以及将二维探测扩展至更高维度的探测。为了显著提高工作效率和探测的准确性，浅地层剖面探测技术将与其他声学探测技术进行集成[2]。