单波束测深仪结合浅地层剖面仪在上海液化天然气项目海底管线探测中的应用

单波束测深仪结合浅地层剖面仪在上海液化天然气项目海底管线探测中的应用 单波束测深仪结合浅地层剖面仪在上海液化天然气项目海 底管线探测中的应用 单波束测深仪结合浅地层剖面仪在上海液化天然气项目海 底管线探测中的应用 刘宏，仲丛宏，赵元生，张斌 (上海达华测绘有限公司 上海 200136 ) 【摘 要】 本文介绍了利用单波束测深仪与浅地层剖面仪对上海液化天然气项目海底管线掩埋综合状况 进行探测，通过对数据和图像进行处理，导入定位资料，解释出所测管线状况。 【关键词】单波束 浅地层剖面仪 海底管线探测 1、 引言 随着洋山深水港发展的需要，上海液化天然气有限公司建造液化天然气码头、终端和输送干线。工程包括存储设备、一个接收站和重复气化终端、一条天然气输送干线和其它配套辅助设施。输送干线总长51.9公里，包括三个部分:岛上部分(0.22公里)、海上部分(35.8公里)、陆地(15.8公里)。输送干线海上部分采取埋设海底管线的方法，由韩国现代重工集团株式会社施工，我公司承担了测量作业的任务。本项目海底管线施工采用预先按路由铺设管线，然后用挖沟施工船采用高压冲水方式挖出管沟，使管线埋设在沟里。在进行测量时，有的管线已被淤泥掩盖，有的管线还裸露着。因此，我们——————————————————————————————————————————————— 须对不同情况采用不同探测方法。对裸露的管线采用单波束测深仪测量海床面和管顶的水深得出管线埋深;对埋藏在海底的管线采用浅地层剖面仪探测得出管线位置和埋深，或者浅地层剖面仪与单波束测深仪结合使用来探测管线掩埋状态。 2、 单波束探测 2.1单波束测深仪进行管线探测的原理 单波束运用于海底管道探测已有一定的历史，主要用于海底管道的位置、掩埋情况和管道沟的形态等情况。 单波束测深系统通常包括单波束测深仪和数据采集系统等。单波束测深仪的工作原理非常简单:由换能器向水中发射一个具有一定空间指向性的短脉冲声渡(波束)，声波在水中传播，遇到海底后，发生反射、透射和散射(反射回来的回波被换能器接收，已知换能器发射和接收到回波的时间间隔t与声波在水体中的平均传播速度V，就可以计算出声波的单程旅行距离z，即换能器到海底的距离。重复这一过程就可以对水深进行连续测量。单波束测深仪的工作原理与垂直收发的地震勘探方法很相似。 测深仪发射的声波遇到海底管道时同样会发生反射和散射，换能器接收到管道回波后就 84 会同时保存在模拟记录和数字记录中，内业处理中结合模拟记录和数字记录进行分析就可得到管线掩埋状况和管道位置。 2.2数据采集 ——————————————————————————————————————————————— 采用Knudsen320M回声测深仪进行单波束探测数据的采集，使用高精度DGPS进行定位，美国HYPACK公司的HYPACK MAX 6.2软件进行导航并采集水深数据，在每条测线上当单波束测深仪的换能器通过管顶上方水面区域时，测量船的船速都应当控制得比较慢，一般在3至4节左右，这样能够在每条断面上管线埋设的沟槽部位采集到更多的数据，有利于内业处理中对管线位置的判读，同时把测深纸记录速度调到最快，这样管线埋设沟槽的位置能在测深纸上打印得更加清楚。如图1所示。 图 1 单波束探测记录图 2.3资料解释 通过HYPACKMAX6.2软件的单波束数据处理模块对采集数据进行编辑，加入潮位文件，并剔除假水深，形成编辑文件。使用编辑后的断面数据文件结合探测记录的模拟信号来判读管顶坐标、管顶水深、左右两边海床面水深、沟底深度等，其中海床深度等于左边海床水深及右边海床水深的平均值，管线的埋深即是管顶的水深值减去平均海床面水深所得到的值，然后通过沟底的水深减去管顶的水深值得到管顶至沟底的深度。 1) 管道位置的确定:管道的顶点在探测时不发生变形，模拟记录上得到的管道反射曲线的 最大值点就是管道的顶点。管道的位置可以通过检索垂直剖面上的极值点获得，对于图 85 ——————————————————————————————————————————————— 4的情形，对应剖面上最大值的位置就是管道的位置; 对于图3和图5的情况，管道沟中的上凸点对应的位置，就是管道的位置。 图2 管道穿越管沟的地形剖面 图3 管道敷设在海床面的地形剖面 图4 管道穿越管沟的地形剖面 2) 管道掩埋状况的判断:管道掩埋状态可用垂直于海底管道的海底地形剖面来表示。通常 情况下，海底管道的管径是已知的，这样就可以通过管道顶部和平均海床面的距离来判断管道掩埋的状态。如果海底管道直接敷设在海底面，并且呈一定的裸露状态，那么单波束就非常容易检测到海底管道，如图3，并且可以认为地形剖面上的最大值就是管道顶部。如果海底管道敷设在管道沟中，情况较复杂，图2和图4分别代表垂直管道沟测线的海底地形剖面，在这些位置，海底管道其实都是裸露在海底管道沟中，换句话说，就是海底管道沟并没有被完全自然回填;图5代表管道被完全掩埋，图中识别不出海底管道，需要借助浅地层剖面仪等物探设备来进一步探测管道沟中的管道。 86 图5 被完全掩埋的管道地形剖面 3) 管道悬空状态的判断:海底管道悬空与否是海底管道检测中需要查明的重要问之一， 由于水深记录上的管道具有侧向变形，管道沟也因沟壁的变形和沟底数据的缺少而变浅变窄，只靠单波束测深仪器本身难以给出全面——————————————————————————————————————————————— 的判断。在水深记录上，如果管顶至海底的垂向距离大于管径，就可以断定管道处于悬空状态。现以KP4.90至KP5.20的管线状态数据为例，见表1。由管线状态数据可以看出，KP4.90至KP5.20的管线埋深结果并不相同，根据设计KP4.90至KP5.0段管线埋深达到2米才符合要求，而KP5.0至KP5.20段管线埋深达到1.5米就符合要求，从埋深数据可以判断以上断面的埋深结果都符合设计要求 了，结合工程采用的管道尺寸(直径为1.2m)可以进一步判断管线状态未悬空。 表1 KP值 X(m) Y(m) 管顶水深 左边海床面水深 右边海床面水深 平均海床面水深 埋深 管顶至沟底 深度 单波束测深技术是通过测量管道与海底面的相对高差来探测海底管道掩埋状况的，对尚未完全掩埋的海底管道，可以使用单波束测深技术确定管线位置和掩埋状况，对完全掩埋的海底管道无效。要分析完全掩埋的海底管道的状况，需要配合浅地层剖面仪等物探设备进行探测。 3 浅地层剖面仪探测 浅地层剖面仪主要由接收/发射机、拖鱼、连接电缆、记录仪及后处理设备组成。通常 采用Chirp 技术进行信号处理。Chirp 技术使用数字技术生成线——————————————————————————————————————————————— 性调频声学脉冲来产生高分 87 辨率的海底轮廓和浅地层剖面。对于浅地层剖面系统，随着频率的增高将导致海底穿透深度的降低。在Chirp III 声学剖面系统中，由于采用发射线性调频脉冲，及使用全新的DSP做匹配滤波信号处理技术，采用匹配滤波信号处理技术，即可满足高分辨率又可获得良好穿透。 本文采用的数据是由Benthos Chirp III浅地层剖面仪系统采集的。Chirp III浅地层剖面探 测系统连接示意图如图6示。 图 6 Chirp III浅地层剖面探测系统连接示意图 3.2 海上检测 探测时，采用船舷式拖鱼，拖鱼位置与GPS相对位置关系如图7示，根据此偏移值进行修 正，将显示的定位点转移到浅剖拖鱼处。 图7 拖鱼收放控制 为提高定位精度，采用Trimble高精度DGPS定位，定位信号送至导航系统，指示驾驶员按测线航行船只，船速控制在3-4节，同时定位信号送至浅剖工作站，通过工作站导航接口记录在图像信号上。 88 浅地层剖面数据采用Sonar Wiz. MAP软件进行采集。在Sonar Wiz. MAP软件里设置好正确的发射间隔，本区域测量采用63ms快速发射——————————————————————————————————————————————— 模式工作，采集波束为positive(正半轴波)。浅地层剖面仪收发控制器提供线性 FM 脉冲被发送到一个功率放大器里，放大器驱动浅剖换能器发射声波，回波被水听器基阵接收到，经处理后模拟图像信号及同步脉冲送至图像增强工作站，图像增强工作站对信号进行数字化保存在硬盘上。 3.3资料解释 将图像增强工作站记录的图像信号进行回放，经滤波及多次波抑制等处理后，可对管道的掩埋状态作出判断。 1)带通滤波滤除干扰波:将所要处理的文件打开进行回放，在回放时，回放窗口中右单击显示如下图所示，选取第一项Adjust SBP Gains (调节增益)。选用带通滤波器(Band Pass on)，在LOW-cut Freq选择最小波频，HIGH-cut Freq里选用最大波频，一般在NUM Taps里输入数据要比LOW-cut Freq数据稍大一点进行干扰滤波处理，本次测量采用最小波频LOW-cut Freq为3-5，最大波频HIGH-cut Freq为3000，NUM Taps为4-6。 图8 滤波调节 2)增益(TVG)选择:TVG增益的选择可以用AUTO TVG 进行自动调节，保证数据清晰可辨。在对操作熟悉的情况下可以采用手工调节使图像达到最佳效果。 89 图9 TVG选择 3)管线位置定位及埋深计算:通过浅剖图像来判别管线位置，——————————————————————————————————————————————— 通常浅剖图像在管线位置会产生管线的一个反射弧(类似抛物线线形式)，此时在管线反射弧的顶端即为实际的管线位置，通过查找该点的位置来作为管线的实际位置。见下图 10: 图10 解释与判读图 管线的埋深通过标尺量取管线顶端到海底表面之间的距离来作为实际管线的埋深。 选择适当的水深范围和测量范围，输出成图像。图11-14为部分浅地层剖面图像，栅格间距为1m 。 90 图 11 浅地层剖面图(1) 图12 浅地层剖面图(2) 图13浅地层剖面图(3) 91 图14浅地层剖面图(4) 通过图像可以直观地看出管道掩埋状态，图11和图14中管道已被回填土完全掩埋;图12中管道敷设在海床面上;图13中管道敷设在管道沟内，没有被自然回填，裸露在沟中。 使用浅地层剖面仪对管道掩埋状态进行探测，弥补了单波束技术的局限性，是一种有效的海底管道综合状态调查手段。 4 结论 ——————————————————————————————————————————————— 单波束测深仪结合浅地层剖面仪在上海液化天然气项目一期工程海底管线施工项目中充分发挥了设备自身的特点，完成了对管线状态的准确探测，形成了对管线状态测量及数据处理的一整套方法和流程。也为以后管线综合探测提供了一种切实可行的。 参考文献: [1] 来向华，潘国富，傅晓明，苟诤慷，陈云敏(单波束测深技术在海底管道检测中应用(海洋工程，2007，25(4) [2] 薛元忠，宋波，顾斌超，王家欣(海底输油管道掩埋状况调查研究(海洋工程，2000，18(3) 92 ———————————————————————————————————————————————