基于邊坡穩定性的海底采砂坑邊界識別方法研究

譚海川，唐 亮，唐 佳，楊肖迪，姚志廣

1.深港天然氣管道有限公司，廣東深圳 518000

2.中國石油集團海洋工程有限公司井下作業事業部，天津 300451

3.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

海砂是十分重要的海洋資源，隨著沿海經濟的不斷發展，尤其是臨海工業區建設規模的不斷擴大，建筑用砂和填料的需求日益增長，海洋采砂活動與日俱增[1-2]。而海底采砂完成之后，在海底形成了巨大的采砂坑，采砂坑在海洋動力環境下會逐漸發生淤積、擴散等現象[3-5]，會對鄰近的海洋工程構筑物造成影響。因此準確探測識別海底采砂坑邊界，進而評估采砂區對鄰近海洋工程構筑物產生的安全風險具有重要意義。

1 采砂坑邊界測量方法

1.1 多波束測深儀測量

多波束測深儀自20 世紀70 年代出現以來，首先在海底地形測量中得到了廣泛的應用。多波束測深儀利用相互正交的兩組換能器陣通過束控技術發射接收指向性波束來獲得一系列垂直于航跡的窄波束。

工作時發射換能器陣通過聲波的疊加形成一個垂直于航跡的扇形窄波束，遇到海底后發生反射和散射；接收換能器陣通過相位差利用多個換能器陣列接收特定角度的反射回波[6-7]，形成獨立電子波束（見圖1）。每個波束對應一個水深點，水深點的空間位置h(x,y,z)通過換能器位置h0(x0,y0,z0)、換能器角度、接收波束角度、返回時間、水體聲速來計算，見式（1）。

圖1 多波束測深儀原理示意

式中：x、y、z為水深點h的空間坐標；x0、y0、z0為換能器h0的空間坐標；t為聲波返回時間，s；θ為波束相對換能器陣列的角度，（°）；β為換能器的方位角，（°）；v為水體聲速，m/s。

這種發射接收方式使得多波束系統在完成一次完整的測量之后，形成一個由一系列水深點組成的與航跡垂直的水深剖面，可實現全覆蓋測量，提高了測量效率和測量精度。

1.2 側掃聲吶測量

側掃聲吶自20 世紀50 年代起開始應用，到70年代已在海洋開發等方面得到了廣泛的使用。側掃聲吶是通過左右2 組換能器陣列發射2 個垂直于航跡的扇形窄波束（見圖2），在遇到海底時，聲波發生漫反射，換能器陣列接收發射回波，檢測回波的時間和振幅并形成記錄[8-9]。

圖2 側掃聲吶測量海底地貌特征示意

探測點的空間位置S(x,y,z)通過換能器位置S0(x0,y0,z0)、換能器角度、換能器距海底高度、返回時間、水體聲速來計算，見式（2）。反射回波強度A(γ)通過聲波入射角度γ計算，見式（3）。即聲波的入射角越小，反射強度越大。

式中：x、y、z為探測點S的空間坐標；x0、y0、z0為換能器S0的空間坐標；β為換能器的方位角，（°）；t為聲波返回時間，s；v為水體聲速，m/s；d為換能器距海底高度，m。

式中：A(γ)為聲波反射強度，dB；γ為聲波入射角，（°）；A0為聲波入射強度，dB。

2 測量方法對比

目前主要使用多波束測深儀和側掃聲吶來進行采砂坑邊界的探測識別，二者特點如下。

2.1 探測準確性

多波束測深儀測量結果是離散的水深點，每個水深點具有準確的空間坐標，當波束數量足夠多、水深點密度足夠大時，可準確描述采砂坑海底地形特點以及在采砂坑邊界處的地形變化特征。

側掃聲吶測量的結果是海底反射強度圖譜，在空間上是連續的，反射強度圖譜取決于海底粗糙度、海底地形、聲波入射角度。

2.2 誤差分析

多波束測深儀測量時換能器與測量船剛性連接，定位中心與測量中心之間的相對距離可準確測量。因此多波束測深儀換能器的方位角、波束角、水體聲速、反射回波時間均可準確測量。則多波束水深測量誤差主要來源于定位中心（GPS天線）與測量中心（換能器）間距的測量誤差σ1，通?？煽刂圃? cm內。

側掃聲吶測量時換能器與調查船通過拖纜柔性連接，側掃聲吶換能器的方位角、反射回波時間、水體聲速可準確測量。則側掃聲吶測量誤差主要來源于定位中心（GPS天線）與測量中心（換能器）間距的測量誤差σ1、換能器距海底高度測量誤差σ2。

在采砂坑邊界測量時，側掃聲吶換能器與GPS天線間拖纜長度通常設置為10 m，按照GB/T 12763.10—2007《海洋調查規范》 中第10 部分“海底地形地貌調查”第7.1.2 條規定[10]，σ1通常為拖纜長度的10%，即1 m；而側掃聲吶測量換能器距海底高度d是通過計算首次聲波反射回波的時間t0和回波角度得出的[11]，見式（4）。

式中：t0為首次反射回波時間，s；v為水體聲速，m/s；φ為首次聲波反射回波角度，（°）。

在實際測量中，由于波浪、海流、船舶偏航等因素，側掃聲吶換能器在roll 方向姿態存在±2°的晃動，導致φ也存在±2°的偏差。則σ2為±0.03 m。

在采砂坑測量時通常選用的比例尺為1:2 000，按照GB/T 17501—2017《海洋工程地形測量規范》第11.2.3 條規定[12]，定位誤差小于圖上2 mm，即4 m。側掃聲吶的測量誤差滿足規范要求。

3 工程案例

某海底管道位于珠江口海域，平均埋深10.5 m。在海底管道毗鄰區域批復了多塊采砂區。采砂活動結束后調查發現，海底管道毗鄰采砂區已連成片狀，形成了巨大的采砂坑，達到了17.7 km2，最深處從海底向下凹陷29 m，平均凹陷深度19.5 m，已經全面超過了海底管道埋深，采砂坑距管道278～1 233 m，如圖3 所示。采砂坑邊坡可能會發生滑坡、擴散，對管道的安全存在著一定的風險，因此需要準確識別采砂坑邊界，評估采砂坑對海底管道的影響程度。

圖3 海底管道與采砂坑的相對位置關系示意

分別使用了多波束測深儀和側掃聲吶進行了采砂坑測量，識別采砂坑邊界。

由于采砂坑周圍海底平坦，采砂坑邊坡陡峭，與周圍海底邊界明顯，因此在多波束測深儀測量整個采砂區的水深后生成等深線，等深線高差1 m，如圖4所示。在采砂坑邊界處等深線密集，與周圍海底形成明顯不同。

圖4 采砂坑周圍地形

由于采砂坑邊坡陡峭，從海底向下凹陷，側掃聲吶換能器發射的聲波在遇到采砂坑邊坡時，由于聲波入射角減小，反射回波強度增加；而在采砂坑周圍平坦海底，聲波入射角驟然增加，導致反射回波強度減小，因此在海底聲吶圖像上采砂坑邊坡和海底之間的反射強度對比明顯，如圖5所示。

圖5 采砂坑邊界處地貌圖像

4 采砂坑邊界識別方法

目前海底采砂坑邊界識別方法主要是基于海底地貌圖像識別和基于海底地形圖識別。其中基于海底地貌圖像主要是依據采砂坑邊坡處反射強度與平坦海底反射強度之間的差異；基于海底地形圖主要是依據海底采砂坑與平坦海底之間等深線間距的差距。

識別海底采砂坑邊界主要目的是計算采砂坑邊界距離海底管道的距離，評估其發生滑坡時造成采砂坑擴散對海底管道的影響?；诤５椎孛矆D像識別和基于海底地形圖識別均是基于海底表面進行識別，未考慮到海底采砂坑的邊坡穩定性。

因此，綜合海底表面、采砂坑邊坡坡度、海底地層穩定坡角三方面的因素進行采砂區邊界識別。首先基于采砂坑水深數據生成等深線，選取平坦海底和采砂坑凹陷區域分界處的等深線作為初始邊界。然后分析采砂坑邊坡地層的穩定性，確定穩定坡角。其次計算采砂坑邊坡處的坡度，如果采砂坑坡頂處坡度大于穩定坡角，則選擇此處的等深線作為有效邊界；如果坡頂處坡度小于穩定坡角，則選擇內部坡度大于穩定坡角部分的連線作為有效邊界。技術路線如圖6所示。

圖6 采砂坑邊界識別技術路線

4.1 海底采砂坑邊坡穩定性分析

對海底采砂坑邊坡處進行了地層剖面探測和工程地質鉆孔，分析了采砂坑邊坡處的地層結構和沉積物性質，如圖7所示。采砂區邊坡海底地層主要是淤泥和粉質黏土，工程地質鉆孔資料如表1所示。構建了采砂區邊坡穩定性模型，如圖8 所示，分析海底采砂區邊坡的穩定邊坡角度。

表1 采砂坑邊坡工程地質鉆孔數據

圖8 海底采砂坑邊坡的地層模型

按照鉆孔和地層剖面探測結果，構建了采砂區邊坡海底地層模型。采用強度折減法計算采砂區邊坡的穩定性。強度折減法是指在荷載作用不變的情況下，邊坡土體提供的抗剪強度的最大值與外荷載作用所產生的剪應力的比值[13]。對于采砂坑邊坡地層而言，抗剪強度參數可以表示為下列形式：

式中：C為強度折減系數，通常取1.2；Fs為土體的黏聚力，kPa；CF為折減后土體虛擬的黏聚力，kPa；φ為土體的內摩擦角，（°）；φF為折減后土體虛擬的內摩擦角，（°）；τfF為折減后的抗剪強度，kPa；σ為軸向應力，kPa。

基于構建的地層模型，依據摩爾庫倫屈服準則計算了海底采砂區邊坡的穩定坡角。最終計算得到的采砂區邊坡穩定坡角為4.3°。

4.2 采砂區邊坡坡度計算

基于多波束測量的海底地形，計算了采砂坑和周圍海底的坡度，如圖9 所示。海底采砂坑邊坡坡度在0.6°～18.96°之間，在平坦海底區域，海底坡度基本小于1°；在海底采砂坑邊坡處，坡度陡然增加，在4.2°～18.96°之間，與周圍平坦海底的坡度形成了明顯的分界線。

圖9 采砂坑區域海底坡度

4.3 基于邊坡穩定性的邊界識別

通過前述計算可知，海底采砂坑邊坡的穩定坡角為4.3°，因此海底采砂坑邊坡大部分仍處于不穩定狀態，在識別海底采砂坑邊界時要將其標識為不穩定邊界；而對于坡度小于4.3°的邊坡部分，海底已經穩定，不會再發生滑坡，可將其標識為穩定邊界。在海底采砂坑測量中，主要識別可能會發生滑坡、對海底管道造成影響的不穩定邊界。

由于海底地貌圖像是二維圖像，像元為海底反射強度，不包含海底水深地形信息，無法從地形方面進行采砂坑邊界準確識別。海底地形圖包含了水深和等深線，是2.5 維數據，反映了真實的海底地形起伏變化，可以從地形方面進行采砂坑邊界準確識別。因此將海底采砂坑邊坡坡度底圖與海底等深線按照坐標進行疊加，對比等深線與海底坡度，進行海底采砂坑邊界的識別，如圖10、圖11所示。

圖10 采砂坑邊坡陡峭處邊界

圖11 采砂坑邊坡較緩處邊界

從圖10 中可以看出，在海底采砂坑邊坡處海底坡度較大，海底采砂坑最外側等深線處于坡度4.4°處，邊坡不穩定，此時等深線深度為-4 m，處于平坦海底與海底采砂坑的過渡段，可作為海底采砂坑的不穩定邊界。

從圖11 中可以看出，在海底采砂坑邊坡坡度較緩處，海底采砂坑最外側等深線處于坡度3.1°處，邊坡已經發生過滑坡，處于穩定狀態，作為海底采砂坑邊界并無實際意義。因此將海底采砂坑邊坡坡度4.3°處連接線作為不穩定邊界，更加具有實際意義，可用于分析評估海底采砂坑邊坡發生滑坡情況下對海底管道的影響。

最終識別的海底采砂坑邊界如圖12 所示，在海底采砂坑邊坡陡峭處，與等深線一致。在海底采砂坑較緩處，邊界在等深線內側、坡度在4.3°處。此邊界為海底采砂坑邊坡的不穩定邊界，具有風險分析中的實際意義。

圖12 采砂坑的不穩定邊界和穩定邊界分布

5 結論

分析了目前海底采砂坑邊界的常用識別方法，基于海底地貌圖像識別由于不包含水深信息，僅依靠像元的反射強度信息無法準確識別采砂區邊界；基于海底地形圖識別從海底表面地形進行分析，未考慮到采砂坑邊坡發生滑坡的可能性，識別的采砂坑邊界存在部分穩定邊界，并無實際意義。

基于海底采砂坑邊坡穩定性的采砂坑邊界識別方法綜合了海底采砂坑邊坡的穩定坡角、邊坡坡度、海底地形圖進行分析，在邊坡坡度大于4.3°的區域，海底邊坡不穩定，將邊坡頂部與坡度4.4°重合的等深線作為海底采砂坑的不穩定邊界，具有地形和地質上的實際意義，可作為有效邊界；在邊坡坡度小于4.3°的區域，已經發生過滑坡，邊坡已經穩定，將其視為無效邊界，而將其內部坡度為4.3°的區域作為海底采砂坑的不穩定邊界，即作為有效邊界，具有實際的地質意義。

因此，基于采砂坑邊坡坡度、海底地形圖綜合識別的海底采砂坑邊界為不穩定邊界，在分析評估采砂坑邊坡發生滑坡時對鄰近海底管道的影響具有實際的意義，是一種可行的方法。