第 19 卷 第 7 期 2019 年 7 月
中 国 水 运（下半月） China Water Transport
Vol.19 July
No.7 2019
张存勇
（淮海工学院 测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005）
摘 要：海底航道沉积层是影响航道安全的重要因素，海水介质的特殊性使淤泥质海底航道直接观测比较困难。声
学探测是目前连续检测海底沉积层最为有效的方法，通过声波在海底沉积层中反射带回的地层信息，可以获得相关
地层特征。利用 SES-2000 浅地层剖面仪获得连云港淤泥质海底航道海域浅地层剖面声图，结合钻探和 区域地质资
圆极化天线
料，对航道声学浅地层剖面沉积层进行了识别，分析了浮泥层、淤泥层、粘土层、砂质土层声学剖面特征，并对异常声图进行了初步探讨，结果对淤泥质海底浅地层声图辨识和航道边坡稳定性分析具有重要意义。
关键词：浅地层剖面；淤泥质；海底航道；连云港
人脸抓拍系统中图分类号：TV967
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2019）07-0166-03
边坡稳定是淤泥质海底航道安全运营需要克服的关键问 题之一，在海洋动力和人为因素影响下，风暴潮、横跨航道 的海流、波浪、潮位变化、沉积物快速堆积、坡脚冲刷、孔 隙气体逸出、渗流作用以及人类活动、来往船只等都可能引 起海底航道安全问题[1]。由于淤泥质海域海水具有良好的导 电性、极强的吸热能力和极差的透光性使得雷达、红外线望 远镜、卫星遥感等依赖于激光、电磁波传播的探测技术束手 无策，无法对海底沉积层进行高效探测，而声波在固体和液 体中较强的穿透力和相对较小的衰减使其在海底沉积物探测 中发挥了重要作用[2]。
浅地层剖面测量是利用声波在海水和海底沉积物中的传 播和反射特性对海底沉积物进行连续探测，从而获得直观的 海底浅部地层结构剖面的一种海底声学探测技术，能提供一 套直观、连续的海底剖面记录图像，工作效率高，是进行浅 海沉积层探测的有效手段，可为海底地质调查、障碍物探测、 水下工程选址、航道疏浚等提供直观的信息，已在海洋工程 勘查、海底管线探测等方面得到了广泛应用[3]。本文利用 SES-2000 参量阵浅地层剖面仪在连云港淤泥质海底航道海 域进行声学探测，结合钻探和区域地质资料，分析航道沉积 层声学特征，以期对有效辨识淤泥质海底浅地层声图和海底 航道边坡稳定性检测起到一定作用。
一、材料与方法 1．现场观测 采用德国 SES-2000 参量阵浅地层剖面仪对连云港海底 航道海域进行现场走航测量，航线间距 50m，浅地层剖面仪 发射与接受信号为同一换能器，通过支架安装在船舷中部一 侧，换能器吃水深度为 1.4m，GPS 固定在安装杆上，与换 能器的水平距离为 1.5m，SES-2000 参量阵浅地层剖面仪 采用两个 100kHz 左右的频率作为主频，利用二者带宽之差 形成多个低频，声波指向性好、旁瓣小、穿透能力强[4]，适
合浮泥、淤泥、沉积层等浅部地层的探测。 2．浅地层剖面测量原理 浅地层剖面测量利用声学原理，通过声学换能器向海底
发射声波，声脉冲穿过海水触及海底以后，部分声波反射回 换能器，另一部分声波继续向沉积层深处
传播，在传播过程 中遇到地层分层等声阻抗界面后反射回接收换能器。由于沉 积物不同，它们的颗粒成分、级配、密度、含水量等也不相 同，对声波的透射和反射能力也就不同，反映在记录图像上 就表现为由不同密度和大小的点、块和线组成不同调和类 型的图像，根据图像的调和类型结合钻探资料即可对其进 行判定[5]。
二、结果与分析 1．沉积层声学特性 （1）浮泥层声学特性 浮泥是具有浓度高、密度大、颗粒细的物质所组成的一 种流体，含水量高、孔隙比较大[6]，一般位于海底表面，与 水的密度相差不大，声波容易穿透，对于声波的反射以高连 续为主要特征，在记录图上颜较均匀，上界面是海水层与 地层的分界面，其起伏的形态与海底地形有关，下层面界线 通常不清晰，呈绒毛状（图 1）。
图 1 浮泥层声学剖面图 （2）淤泥层声学特性 淤泥位于浮泥层的下部，海底地层的上部，粒径细、密 度小、固结程度较低，孔隙比和含水率比浮泥层略低，声阻 抗与水的声阻抗相差不大，以强振幅、高能量、高连续为特 征，反射界面平滑、清晰，主要为近似平行波纹层理，有连
收稿日期：2019-02-08 作者简介：张存勇（1971-），男，淮海工学院 测绘与海洋信息学院，副教授，博士，主要从事海洋技术教研工作。 基金项目：江苏省重点研发计划项目（BE2018676）。
第7期
张存勇：淤泥质海底航道浅地层声图分析
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续层理显示，层中常出现一些不均匀性，层间有浅条纹。局 部区域可能会出现一些较杂乱的反射。综合分析测区的淤泥 厚度，连云港海底航道海域淤泥厚度大都在 2~3m 之间，有 的地方厚度达到 5~6m（图 2）。
图 2 淤泥层声学剖面图 （3）粘土层声学特性 粘土层一般位于淤泥层的下方，层厚较薄，与淤泥层有 较大的区别，粘土颗粒细，质软、对声波的反射与散射都比 较弱，声波容易穿透，粘土的声学图像层面清晰，层内上下 颜较均匀，颜线条深而粗，起伏较大，呈不规则的丘状 或近似水平状，界面清晰，部分层位粘土层不连续（图 3）， 有多层分层。
图 3 粘土层声学剖面图 （4）砂质土层声学特性 砂质土层沉积物密实，硬度较大，含水量较少，声阻抗 差较大，上表面声波反射较强，一般难穿透，能够明显地记 录出它的层面界限，层面线深且粗、清晰，呈不平滑的波状， 层面线以下陡变浅或淡，灰度相近，差较小，并有散 射现象（图 4）。
图 4 砂质土层声学剖面图 2．异常声图 浅地层剖面仪以图像的方式表示海底沉积层的信息，依 据反射信号强弱，用像素点的强弱来反映地质构造的一些特 点，由于声波在传播与接收过程中受到海流、风浪、船速、 波束倾斜程度、地质复杂程度等各种因素的影响，有时出现 特殊声图现象。 （1）声学透
明层 声学透明层是指声学剖面记录上不存在具有一定灰度的 点状、块状和线状图形的空白区域（图 5），也称无声反射带 或无声信号带[5]，目前对声学透明层形成原因具有多种解释 [8]，连云港航道海域沉积层声学透明层可能是快速沉积的物 质固结差，含水量高而导致。
图 5 声学透明层 （2）界面畸变 界面畸变表现为沉积声学剖面记录上的畸变区（图 6），声 图层理出现严重扭曲，上层不连续，下层连续性受到扰动，其 形成原因可能是由于船只摆动，换能器不稳定造成图像不良[9]。
图 6 界面畸变 （3）界面突变 界面突变表现为声图界面层中断，出现一槽型凹陷（图 7），图中左侧层与层之间的界限比较明显，右侧声学反射界 面明显不同，其下界面发生突变，该槽型凹陷可能是人工疏 浚形成。
图 7 界面突变 （4）丘状凸起 丘状凸起表现为声图界面出现不连续块体，如图 8 为沉 积声图中出现一丘状孤立体，层与层之间界面较清晰，但沉 积声学层面突然断开，上凸部分切断浮泥层连续体，突峰陡 坎内声图层理上部不规则，沉积物组成没有发生突变，其周 围沉积物受水动力掏蚀不明显，与海底刺穿形成特征不符[10]， 需补充钻探等地质手段进一步查明。
图 8 丘状凸起 三、沉积层声图分析 根据连云港淤泥质海底航道海域浮泥、淤泥、粘土、砂 质土的声学剖面特征可以清晰地呈现海底浅地层剖面总体结 构和特征。第一层为浮泥层，在海底的最上面，含
水量较高， 其上界面可以表示海底地形的起伏状态；第二层为淤泥层， 在海底中具有很强的连续性，厚度起伏较大；第三层是粘性 土层，较薄，局部缺失，有时出现淤泥层夹粘性土层的情况；
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中国水运
第 19 卷
塑料空心球最下层为砂土层，该层没有穿透。虽然从浅地层剖面声图还 无法得到沉积层的物理、力学指标，但根据海底沉积物的物 理和声学特性知识，从浅地层剖面声学图像的度强弱、颗 粒大小、疏密等不同类型可以鉴别出沉积层的一般特性，也 可以推测出沉积层的一些物理力学特性，如沉积物含水量大 小、固结强度、密度大小等。由于淤泥质海域沉积层固结性 差，海底航道边坡在海洋动力和人类活动作用下可能发生失 稳滑塌，改变航道几何形状，加之人们较难直接接近海底对 航道边坡进行现场观测，尤其在恶劣的海况下，对淤泥质海 底航道的监测一直缺少有效的方法。随着海洋沉积声学的发 展，利用浅地层剖面仪遥测海底沉积层可以获得一个连续的 声学剖面图像，直观地反映出浅地层结构，因此有效辨识淤 泥质海底沉积层声图类型和特征、判识声图异常对正确认识 海底沉积层性质和航道边坡稳定性分析具有重要的意义。
四、结论 利用浅地层剖面测量技术探测并分析了连云港淤泥质海 底航道海域浮泥、淤泥、粘土、砂质土的声学剖面特征，各 沉积层声学特性明显，界面清晰，尤其是淤泥和粘土沉积层， 发挥了浅地层剖面仪在航道探测中的优势。由于地质条件、 船速、海况等诸多因素的影响，浅地层剖面声学图像有时出 现声学透明层、界面畸变、界面突变、丘状凸起等声图异常 现象。这些声学剖面特征和声图异常对正确认识航道浅地层 结构各单元的分布和埋深、有效辨识灾害地质体或障碍物、 维护疏浚、保障航道安全运营具有一定的作用。 参考文献
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（上接第 163 页） 第一层：含淤泥素填土，层厚 0.6~4.0m。饱和，松散；
以回填碎石、块石为主，含约 10~15%淤泥质土。尚未完成 自重固结。
第二层：淤泥质粉质粘土，层厚 1.0~4.0m。流塑，具 高压缩性；该层地基承载力设计值 fd=40kPa，压缩模量 Es1-2=3.4MPa。
2．试夯后地质剖面
图 4 试夯后地质剖面 第一层：含碎石素填土，层厚 3~5m，饱和，中密；夹 杂风化碎屑、中粗砂，底部含少量淤泥。粘聚力经验值 5kPa， 内摩擦角 28°。 第二层：含淤泥碎石素填土，层厚 0.4~0.9m，层底标 高-12.61~-11.75m。松散~稍密；为大量填海碎石挤入原海 底沉积层形成的混合层，含约 10%~40%淤泥质土。
六、强夯置换结果分析 A 区强夯一遍后，通过现场试验判断夯沉量太小，不能 满足设计要求。B 区强夯两至三遍后，存在残留的淤泥质粉 质粘土，需要进行设计参数的调整。C 区强夯两至三遍后， 两个剖面共 8 个钻孔均已揭示抛石体底部已到中粗砂层顶， 基本达到设计要求。D 区备选。 七、综合结论 现场开挖与钻孔揭示情况总体变化趋势是一致的，即夯后 淤泥质土层厚度较夯前大幅度降低，C 区第二层土厚由 1~2.2m 变为 0.4~0.6m，因此在重新调整强夯参数，提高夯 击能，扩大夯击范围后，强夯置换方案应是可行的。同时也应 看到，强夯置换受船机设备、人员操作经验和水平，补填料质 量，以及波浪、潮位等因素影响较大，不易满足工期的要求。 参考文献 [1] 杨光煦.强夯挤淤的原理、方法及工程实践[J].建筑技术， 1992. [2] 王军.填碎石圆柱形强夯法处理液化地基[J].建筑技术， 1992. [3] 谢立全，戚健文，盛旭圆.水下抛石基床重锤夯实及夯锤 工作性能数值分析.全国水工岩石力学学术会议，2010. [4] 杨光煦.强夯挤淤的原理、方法及工程实践[J].建筑技术， 1992.
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