海洋技术▏海底输电工程地质勘察中的声波探测技术
一、引言
我国拥有300多万平方公里的海域和18000公里的海岸线，沿海分布有6000多个岛屿。随着发展需求增长，我国对海洋资源的开发利用越来越重视。国防建设、海岛开发、海上风电场、海洋油气资源等的开发利用均需要电力的支撑，从而需要开展海底输电工程建设。
从1951年日本明石海峡敷设了世界上第一条22kV海底充油电缆开始，目前世界上已经敷设了相当多的海底电缆。国内海底输电工程建设相对较晚，1986年珠江至虎门海底电缆工程是我国第一条海底输电工程；1989年国内自行研制、建设了浙江舟山海底直流输电工程。海南电网联网工程，是我国也是世界上最长的500kV海底输电工程。可以说，海底输电工程建设是推动经济一体化，适应国家能源战略规划，优化能源配置，减少环境影响的重要组成部分。而海底输电工程勘测是跨海域联网工程建设的基础，对实现岛屿间或跨海域电网互联，对推动中国电网国际化战略起着重要作用。
作为海洋地质勘察主要手段之一的地球物理探测技术，相对于成本高昂的海洋工程地质钻探、水下静力触探等工程地质手段具有高精度分辨率、快速高效和成本低廉等诸多优点而被广泛应用，其中，海洋地震波勘探应用最为广泛，具有探测深度大、分辨率高的优点，但相对成本较高，主要应用于研究海底构造或者海洋岩石圈深部结构，以及寻找海底矿产等大型海洋勘察项目中；浅地层剖面测量、多波束测深和侧扫声呐则是现阶段几种主流的探测海底浅部结构信息的声波技术，虽然探测深度较浅，但是分辨率高，而且随着近几十年来海岸工程业务的增长，这些技术也快速地发展了起来。
本文从声波在介质中传播的特性出发，简单讨论海底声波探测技术波动理论，并介绍单波束、多波束、侧扫声呐、浅地层剖面等几种海底输电工程常用声波探测技术。
二、声波波动方程
声波是物质运动的一种形式。在不同成分、结构和密度的介质中，声波的传播速度、频谱成分和能量衰减等波场的特征都会变化。图1为声波的反射和透射现象。
由于水体剪切模量为零，海水中只有纵波能够传播，因此海水中的地震波动方程可以简化为声波方程。
图1 声波的反射和透射现象
声波在水体和地层中传播的波动方程为：
式中，c＝c(xi)、p＝p(xi,t)为声速和声压；▽2为拉普拉斯(Laplace)算子。若⑴式的i取值为1或2，则平面谐波的表达式为：
p(xi,t)＝p0sin(2πxi/λ－ωt＋φ) ⑵
式中，t为周期；p0为声波振幅；λ为波长；ω＝2πf为角频；φ为相移。在海底探测中，声波探测设备的声源激发的声波，可看作是多个简谐正波之和。
三、海洋声波探测技术
⒈单、多波束水深测量技术
单波束测深是利用单波束测深仪发射的超声波在均匀介质中作匀速直线传播，在不同介质表面会产生反射这一原理来测量水体深度，用以描绘航线方向的地形起伏变化，是一种线性测量技术。多波束测深技术是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。与传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，建立海底高程模型，其原理如图2所示。
图2 多波束水深测量原理
多波束测深系统主要适用于大范围、大比例尺、精度较高的水下地形测量，它能获得一个条带覆盖区域(一般可设置为水深6倍带宽)内多个测量点的海底深度值，在深水(大于10m) 区域能大大提高测深效率，并能建立海底数字高程模型。常用于测量水深区域海底带状地形图，可以判定沉船、管线等明显地物的位置。
⒉侧扫声呐技术
侧扫声呐可探测海底面状况。扫测是由随船行进的拖鱼(换能器)产生两束与船行进方向垂直的扇形声束，声波碰到海底或礁石、沉船等物体就被反射回来，或者是受到海水密度、温度的影响而使传播方向和速度发生改变，反映海底精细地物图像。
侧扫声呐探测技术主要通过形成海底表面图像，进行海底地形、地貌、地物及敏感障碍物解译及判读，用于调查海洋工程海底面状况，确定、获取敏感地物图像信息，是海底电缆走廊内海底表面敏感障碍物普查和精测的主要手段。根据工程经验，在进行侧扫声呐探测前应进行搜资，确定测区海域内海底管线、光缆电缆、建筑物、构筑物、航标、锚地、礁石、沉船等地物的大致位置信息。
⒊浅地层剖面测量技术
浅地层剖面仪是一种走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。浅地层剖面探测，发射的声波具有较强的穿透力，勘探深度可以达到近百米，而且地层分辨率也很高，一般能够达到数十厘米级，因此浅地层勘探常用于探测海底浅地层组织结构。对于确定底辟、浅层气、浅部断层、蚀余残丘、软弱地层、浅部基岩、埋藏古河道、沉积层的变形、沙波沉积构造、浅表地层内部构造等效果较好。不仅如此，它还是目前确定浅剖断层的剖面特征，根据剖面网络系统连接断点获得断层构造三维特征唯一可行方法。另外，浅层剖面测量与多波束或侧扫声纳联合使用，可将单独的二维图像记录变成三维空间，大幅提高对地质灾害的判别能力。
四、海底输电工程地质探测
海底输电工程地质勘察需要查清路由海域的海底面地形状况、浅地层结构和物性、海底障碍物等地质信息。本文结合工程实例，研究海底声波技术的应用与实际效果。
⒈水下地形三维测量
海南某大型风电场输电工程勘察阶段，使用Soinc 2024多波束测深仪开展了试验工作。地形测量成果图，如图3所示。
（a)凸起地形 (b)凹陷地形
图3 多波束系统测量的海底电缆路由地形三维视图
图中的海底地形由海量的点云数据组成，根据扫测的海底点云数据建立海底地形三维模型，并生成1∶1000水下地形图。多波束探测在深水区域能大大提高测深效率，并能建立海底高程模型。但是多波束测深系统相对单波束安装调试复杂、费时，在浅水区域(水深小于10m)作业效率低下。所以在浅水区域一般会选择安装调试方便的单波束进行测深作业。
多波束测深仪与单波束测深仪在海底地形图比例尺、带宽、测线布设、测深精度、检测限差、补测情况要求相同，但关于测线布设可以适当放宽要求，选择合适的设备成为主要考虑因素。设备的选择，需要考虑测深范围、测深准确度、覆盖率、更新率等因素；换能器波束角应不大于2°，姿态传感器横摇、纵倾测量准确度不低于0.05°，升沉测量不低于0.05m 或实际升沉量的5%，罗经测量不低于0.1°。
⒉海底岩性分层测量
因为海上钻探成本昂贵，而且存在“一孔之见”的限制。因此，高分辨率声波探测技术广泛应用于海底岩性分层工作。浅地层剖面仪种类繁多，有深水型和浅水型之分。具体型号选择根据实际工程需要确定浅地层剖面探测精度和深度要求。获得海底面以下l0m 深度内的声波地层剖面记录，地层分辨率要优于0.2m。
河北唐山港某大型电厂输电工程勘察，使用EdgeTech 4200－MP双频侧扫声纳系统和Edge-Tech3200XS浅地层剖面仪开展了试验工作。岩性声反射地层单元剖面如图4 所示。由图4可以清楚看到该区域岩性分为4层，而且埋有一条管线。
图4 河北唐山港某大型电厂的浅地层剖面探测成果
可见，地层剖面仪系统能够探测海底以下沉积物性质和地层结构特征，其纵向和横向的分辨率都比较高。
⒊海底地物测量
⑴海底表面地物
查清海底表面地物分布情况，有利于工程的施工建设。海底表面常发育沙波、砾石、潮沟等物体，有时还会有沉船等障碍物。这些出露地物都可以使用侧扫声纳进行探测。侧扫声纳系统有粗测、精测两种工作模式。粗测进行全测区覆盖，发现疑似目标物。精测准确得到目标物的位置、形状、大小。得到的海底面图像结合区域地质、水深测量、底质采样等有关资料，识别和确定底质类型分布、海底灾害地质因素(如裸露基岩、陡崖、沟槽、古河谷、活动性沙坡、活动断层等)、海底目标物(沉船、集装箱、锚等海底人为废弃物，海底面以上管道、电缆、海缆等)的位置、形状、大小和分布范围，为海底电缆勘测设计、施工提供依据。
图5为海南某大型风电工程勘察阶段使用侧扫声纳采集到的海底地物特征。其中，海砾石的分布可能会对电缆的铺设施工产生影响，在海底管线埋设时应尽量规避。
(a)泥纹 (b)海砾石
(c)潮沟 (d)鱼网拖痕
图5 泥纹、海砾石、潮沟、鱼网拖痕等侧扫声纳探测
在整个路由区，沙波十分发育，特别在路由北段，地形起伏较小，沙波分布集中，呈线性发育，见图6(a)。从北向南，沙波波高从约0.8m增高至约2m，波长从约6m增长至约20m，显示了底质以及水动力环的变化。在路由的中段至南段，由于地形起伏较大，沙波形态也发生了较大变化，多为连续性较差的不规则沙波，见图6(b) 。
(a)线性沙波 (b)不规则沙波
图6 侧扫声纳探测沙波成果
⑵沉船
在河北唐山乐亭某风电场工程中，为获取场址西侧沉船的声纳图像，用EdgeTech 4200－MP双频侧扫声纳系统进行沉船附近海底面状况调查。该侧扫声纳系统具有高分辨率模式(HDM)和高速模式(HSM)两种工作方式。沉船扫测首先使用高速模式在大范围海域对沉船进行大致定位，然后再使用高分辨率模式对沉船进行高分辨率声纳图像扫测，得到的沉船声纳图像如图7所示。通过判读沉船附近扫海底面状况图像，沉船高于海床海底，沉船偏离航迹线一侧，因声纳无法到达导致声纳信号无法接收呈现黑色阴影状，沉船的姿态为船头向北，船尾向南，长度约90m、宽约15m。
（a)南北向航线 (b)东西向航线
图7 侧扫声纳探测沉船成果
⑶海底管线
海底管道是海底输送天然气、石油等介质的主要载体。典型的海底管道直径约20cm 到1m 不等；长度从数百米到数百千米不等; 水深变化从几米到2000多米。它们有的掩埋于人工挖槽内，有的直接放置于海床面上。目前，海底管线探测方法主要有单波束、多波束、侧扫声纳、浅地层剖面等。同时无人遥控潜水器(ROV)等设备也逐渐推广应用。
图8为利用浅地层剖面法探测的悬挂于海底面、掩埋于海底淤泥中、埋藏于海沟内以及海底表面起伏不平的几种情况下的石油管线与水管线的剖面图。从图中可以看出，不管何种埋设状态，管线在声反射剖面上，都呈现出双曲线形态特征，这也是探测海底管线的重要标志。其中，弧状的绕射波信号顶端就是管道的顶端位置，而弧状信号顶部与海床面的距离即为管道埋深。
(a)悬挂 (b)完全掩埋于海底淤泥中
（c)埋藏于海沟内 (d)海底表面起伏的管线
图8 浅地层剖面探测不同埋设情况的海底管线剖面
五、结论
⑴声波探测技术是海底输电工程勘察的重要手段，可以有效解决水下地形三维测量、海底岩性分层测量、海底地物测量等工程地质问题。
⑵一般来说，多波束测深技术在满足全覆盖海底水深测量的同时，也为人们研究海底的地形地貌和沉积物空间分布特征提供了更多的细节。侧扫声纳技术能够提供海底地貌形态，记录海底反射回来的连续信号是连续的声图谱，能够反映海底物质的相对粗糙度，为海底表层沉积物类型识别提供参考。浅地层剖面仪系统能够探测海底以下沉积物性质和地层结构特征，高分辨率的地层剖面仪能穿透几十米至几百米地层，其纵向和横向的分辨率都比较高。
⑶在实际应用中，应考虑各种方法的适用条件和优缺点，善于运用多种技术解决工程问题，增强不同方法之间的互补性，综合分析获得的探测资料，以达到最佳探测效果。
【作者简介】文/习建军 于明国 刘珍岩 王彦兵 张子引 李晓军，分别来自中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司和国网北京经济技术研究院；第一作者习建军，1982年出生，男，博士，高级工程师，中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，主要从事工程物探及电力勘测工作；本文为国家电网公司科技项目，海底电缆工程高精度多元数据获取及分析技术研究(JYYKJXM2007003)；文章来自《勘察科学技术》（2018年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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