底泥是河湖庫(kù)塘等水域底部淤積土的總稱，主要為淤泥土。淤泥土類是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，或伴有生物化學(xué)作用形成的粘性土，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0。通常，當(dāng)河湖庫(kù)塘淤積存量較大時(shí)，它將直接影響水環(huán)境質(zhì)量、行洪能力和通航安全，因此對(duì)底泥進(jìn)行探測(cè)調(diào)查，對(duì)于海岸工程、水利工程等基礎(chǔ)建設(shè)具有重要意義。目前，底泥探測(cè)方法主要有靜力觸探法、鉆孔取樣法、聲學(xué)探測(cè)法和放射線測(cè)量法。靜力觸探法、鉆孔取樣法受限于單點(diǎn)測(cè)定，無法進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，在效率和作業(yè)成本上具有很大劣勢(shì)。聲學(xué)探測(cè)法具有低成本、高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn)，是目前水下勘探和調(diào)查中應(yīng)用最為廣泛的探測(cè)方法。聲波相較于電磁波在水中的衰減程度最小，將其應(yīng)用于近海、江河、湖泊的底泥探測(cè)有助于提高作業(yè)效率與精度，為海洋工程建設(shè)、港口航道清淤、水利工程建設(shè)等提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。
底泥探測(cè)一直是水下底質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)難題，國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)研究資料較少，國(guó)內(nèi)研究人員主要利用聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行淤泥厚度的探測(cè)。謝津平利用Silas系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太湖湖底淤泥密度的劃分，進(jìn)而測(cè)量了太湖湖底淤泥量；張惟河等將側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀相結(jié)合，探索在淤泥厚度和密度較大的科倫坡進(jìn)行淤泥測(cè)量的方法，結(jié)果表明，該方法對(duì)于表層厚度較小的淤泥分辨能力較弱；張俊等利用雙頻測(cè)深儀與泥沙溶重測(cè)試儀配合使用，對(duì)長(zhǎng)江口深水航道地區(qū)的底部淤泥質(zhì)土分布情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)地驗(yàn)證測(cè)試研究，結(jié)果表明低頻（33kHz）聲波相較高頻（210kHz）聲波具有更強(qiáng)的穿透力，但在遇到14kN/m3的重土?xí)r也無法穿透；郭發(fā)濱等通過對(duì)雙頻測(cè)深儀的聲波透射信號(hào)的分析和地質(zhì)取樣資料的對(duì)比，驗(yàn)證了利用雙頻測(cè)深儀進(jìn)行海底淺層物質(zhì)類型判別的可行性；王寶成等，柯勰等在水庫(kù)利用雙頻測(cè)深儀實(shí)現(xiàn)了水底淤泥厚度的測(cè)量，并驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；楊?yuàn)櫜捎肧ES-96參量陣測(cè)深-淺地層剖面儀實(shí)現(xiàn)了港池的浮泥清淤測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)聲學(xué)設(shè)備的不同聲波頻率與其底泥穿透能力間的關(guān)系研究較少，本文將通過實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究?jī)烧唛g的相互關(guān)系，為典型水域（濱海、河道、水庫(kù)）的底泥探測(cè)提供技術(shù)參考。
一、數(shù)據(jù)與方法
⒈技術(shù)原理
聲波由發(fā)射換能器發(fā)射穿過水體觸及河床時(shí)，因?yàn)槁曌杪试谒w中和水底界面的不同，造成了聲波的反射，由接收換能器接受反射波，通過測(cè)定聲波在水中的傳播時(shí)間，按式⑴計(jì)算反射界面相對(duì)于換能器的距離（H）：
式中：t1,2,…,n表示各反射界面對(duì)應(yīng)的聲波傳播時(shí)間；ν表示聲波傳播速度。
高頻聲波受散射衰減影響大，穿透力弱，遇到河床容易產(chǎn)生反射，低頻聲波在軟質(zhì)水底中傳遞則相對(duì)復(fù)雜，其受散射衰減影響較小，且其能量遠(yuǎn)大于高頻聲波，因而具有更強(qiáng)的穿透性，能穿透松軟底泥并產(chǎn)生反射，所以低頻聲波在垂直水底方向可出現(xiàn)多個(gè)反射波。測(cè)定不同反射波在地層內(nèi)的傳播時(shí)間，可確定每一層的厚度，如圖1所示。
到達(dá)分界面的聲波能量與到達(dá)該分界面之前的聲波的衰減有關(guān)，反射能量大小由反射系數(shù)決定，反射系數(shù)R為：
R＝(ρ2ν2－ρ1ν1)/（ρ2ν2＋ρ1ν1） ⑵
式⑵中：ρ1ν1，ρ2ν2分別表示上、下兩層介質(zhì)密度和聲速的乘積（即聲阻率），當(dāng)相鄰兩層介質(zhì)存在一定聲阻率量差，就容易形成反射界面。在一定范圍內(nèi)，底泥的天然含水率棕與密度ρ和聲速ν存在關(guān)聯(lián)性，通常當(dāng)含水率越大時(shí)，密度和聲速越小，當(dāng)含水率越小時(shí)，密度和聲速越大。本文采用含水率作為綜合反映各底泥分層密度和聲速變化的指標(biāo)。
⒉試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
本文分別在濱海（浙江省舟山市金塘島灰鱉洋附近）、河道（浙江省杭州市區(qū)中河附近）、水庫(kù)（浙江省新昌縣長(zhǎng)詔水庫(kù)），利用不同頻率聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行定點(diǎn)底泥穿透試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。底泥主要由淤泥土類組成，淤泥土類根據(jù)孔隙比或含水量分為淤泥質(zhì)土、淤泥、流泥、浮泥。淤泥土類的分類見表1。
表1 淤泥土類的分類
本文選擇12kHz，24kHz，33kHz和200kHz共4組聲波頻率進(jìn)行底泥穿透試驗(yàn)，各聲波頻率對(duì)的應(yīng)聲學(xué)設(shè)備見表2。以200kHz頻率作為測(cè)深參考基準(zhǔn)，計(jì)算各頻率測(cè)深數(shù)據(jù)與200kHz頻率測(cè)深數(shù)據(jù)的差值，即為各頻率聲波穿透深度，并采用測(cè)深桿校核儀器200kHz測(cè)深數(shù)據(jù)，校核結(jié)果顯示，測(cè)深桿讀數(shù)與儀器200kHz高頻測(cè)深讀數(shù)誤差不超過3cm。每次試驗(yàn)均選擇河床平坦、底泥狀態(tài)穩(wěn)定的水域，根據(jù)測(cè)點(diǎn)水深情況統(tǒng)一確定測(cè)深儀換能器安裝方式，將雙頻測(cè)深儀（頻率12/200kHz，24/200kHz，33/200kHz）換能器垂直安裝，對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行深度數(shù)據(jù)采集，之后對(duì)同一地點(diǎn)利用定深采樣鉆采集底泥柱狀樣，并在實(shí)驗(yàn)室按5～10cm間隔分層對(duì)采集的底泥柱狀樣進(jìn)行含水率檢測(cè)。
表2 試驗(yàn)參數(shù)及設(shè)備
二、試驗(yàn)結(jié)果
⒈底泥柱狀采樣檢測(cè)結(jié)果
表3為舟山市金塘島灰鱉洋附近底泥柱狀樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)所取的底泥樣品目力鑒別，底泥整體呈灰黃色，表部10cm左右含水率極高，明顯沁水呈油脂光澤，12cm以下局部含條帶狀黑色有機(jī)物，厚度0.2～0.5cm左右，其中50～55cm處有機(jī)質(zhì)含量高，底泥顆粒細(xì)膩、手感粘糊，隨著深度增加，硬度明顯有所增加。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，0.5m以上主要以流泥為主，0.5m以下主要以淤泥為主，且均為超軟土（棕躍70%以上）。
表3 濱海淤泥室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果
表4為杭州市區(qū)中河附近底泥柱狀樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)目力鑒別，底泥整體為灰色夾黑色有機(jī)物，沉積粒徑較細(xì)，有氣孔，比較松軟。土層0～0.25m為污染底泥層，以灰黑色為主，土質(zhì)非常松軟，土性以浮泥為主，含較多腐殖質(zhì)，有腐臭味；0.25～0.60m為污染過渡層，灰色夾條帶狀黑色有機(jī)物，具明顯層理，有氣孔，比較松軟，土性以流泥為主；0.60～0.95m為無污染層，主要以灰黃色為主，具層理，局部有孔洞，土性以流淤泥為主?？傮w上土層為超軟土。
表4 河道泥室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果
表5為新昌縣長(zhǎng)詔水庫(kù)底泥柱狀樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)目力鑒別，底泥整體為灰色夾黑色有機(jī)物，沉積粒徑較細(xì)，有氣孔，比較松軟。土層0～0.30m為污染底泥層，以灰黑色為主，土質(zhì)非常松軟，土性以浮泥為主，含較多腐殖質(zhì)，有腐臭味，表層含絮狀懸浮物質(zhì)；0.30～1.00m為污染過渡層，灰色夾條帶狀黑色有機(jī)物，具明顯層理，有氣孔，比較松軟，土性以流泥為主。
表5 水庫(kù)底泥室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果
⒉測(cè)深數(shù)據(jù)結(jié)果
選取12kHz，24kHz，33kHz3組頻率聲波的部分測(cè)深數(shù)據(jù)樣本，以200kHz測(cè)深數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別計(jì)算各低頻測(cè)深數(shù)據(jù)與它的差值，進(jìn)行樣本統(tǒng)計(jì)，即得到12kHz，24kHz，33kHz聲波相對(duì)于200kHz聲波的穿透深度（見表6）。
表6 各試驗(yàn)區(qū)域底泥穿透深度
在濱海水域，33kHz聲波穿透底泥深度約0.09～0.17m，平均值為0.14m；24kHz聲波穿透底泥深度約0.14～0.29m，平均值為0.21m；12kHz聲波穿透底泥深度約0.59～0.69m，平均值為0.64m。
在河道區(qū)域，33kHz聲波穿透底泥深度約0.04～0.06m，平均值為0.05m；24kHz聲波穿透底泥深度約0.11～0.17m，平均值為0.14m；12kHz聲波穿透底泥深度約0.56～0.57m，平均值為0.57m。
在水庫(kù)區(qū)域，33kHz聲波穿透底泥深度約0.13～0.24m，平均值為0.18m；24kHz聲波穿透底泥深度約0.32～0.48m，平均值為0.42m；12kHz聲波穿透底泥深度約0.55～0.96m，平均值為0.70m。
各試驗(yàn)區(qū)底泥穿透深度與柱狀樣檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見圖2～圖4。圖中3處垂向黑色虛線分別對(duì)應(yīng)含水率數(shù)值55、85和150，分別為有關(guān)文獻(xiàn)中淤泥質(zhì)土、淤泥、流泥、浮泥之間的分類界限，紅色曲線為底泥柱狀樣分層檢測(cè)得出的底泥含水率與底泥穿透深度關(guān)系曲線。
圖2 濱海底泥穿透深度與柱狀樣檢測(cè)結(jié)果對(duì)比
圖3 河道底泥穿透深度與柱狀樣檢測(cè)結(jié)果比對(duì)
圖4 水庫(kù)底泥穿透深度與柱狀樣檢測(cè)結(jié)果比對(duì)
通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同區(qū)域，同一頻率聲波的反射區(qū)間所對(duì)應(yīng)的底泥含水率差異較大，在濱海區(qū)域?qū)?yīng)的底泥含水率最低，水庫(kù)區(qū)域次之，河道區(qū)域最高。在同一區(qū)域，隨著聲波頻率的降低，聲波反射區(qū)間對(duì)應(yīng)的底泥含水率也相應(yīng)減小，說明聲波頻率越低，其穿透能力越強(qiáng)。
四、總結(jié)
濱海水域垂直方向上底泥含水率在分層之間波動(dòng)最大，水庫(kù)中底泥含水率在分層之間波動(dòng)最小，因此聲學(xué)設(shè)備更容易在濱海水域中獲得清晰的反射層理，河道次之，在水庫(kù)中則不明顯。對(duì)于水下底泥探測(cè)作業(yè)，12kHz頻率的雙頻換能器相比24kHz和33kHz具有更強(qiáng)的穿透能力，可滿足浮泥、流泥及部分淤泥層的探測(cè)。
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