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侧扫声纳在琼州海峡跨海通道地壳 稳定性调查中的应用

更新时间:2016-07-05

0 引言

“超级工程”琼州海峡跨海通道作为海南与内地连接的纽带,为南海开发提供更为强大的后勤保障,将极大巩固海南海防要塞、政治、军事、经济地位,被寄予社会经济快速发展重任。国内学者针对琼州海峡地质概况,对琼州海峡跨海通道工程地质条件、通道建设可行性、线路比选,乃至跨海通道隧道方案均开展了大量研究[1~5]。然而,琼州海峡地处雷琼坳陷,构造运动强烈,地震活动性强;地形复杂,差异性较大,其区域地壳稳定性才是确定工程能否建设和合理选择工程线路的重要因素。区域地壳稳定性评价通常考虑以内动力地质作用为主要内容的构造稳定性、以岩土体工程地质特征为主要内容的岩土体稳定性和以崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝等地质灾害为主要内容的地面稳定性,研究成果主要用于重大工程、城市建设等前期规划和选址[6~9],对于海域重大工程还未见应用。

为开展琼州海峡跨海通道地壳稳定性评价,需全面甄别控制琼州海峡区海底活动断裂的分布特征;全面了解海底地形地貌特征、浅地层结构、浅层气、海底表面活动沙丘、不稳定边坡、陡坎等潜在地质灾害因素。侧扫声纳仪器作为海洋地质调查、海洋资源开发利用必需的仪器已经在海洋测绘、海洋地质勘探、海底沉积物探测和海洋工程等多个方面得到了广泛的应用[10~13]。前期卢胜周等人对Sonar Beam S-150D侧扫声纳系统结构、仪器参数,及在琼州海峡海域物探工程中的成功应用进行了简介。因此,利用Sonar Beam S-150D侧扫声纳系统在琼州海峡海底开展地形地貌调查,通过数据分析、图像判读,对海底地质灾害类型及其潜在危害进行分析,不仅可以为跨海通道工程地壳稳定性评价提供基础资料,也可以为工程规划线路优选、建设实施提供技术支撑。

1 工程区地质概况

琼州海峡属于我国的南海,位于广东省雷州半岛和海南岛之间,东连南海北部,西接北部湾,呈东西向延伸,长超80 km,宽19.2~37.5 km,南北平均宽度29.5 km,最宽处33.5 km,最窄处18 km,面积2400 km2,平均水深44 m,最大深度160 m(见图1)。

不同波纹管壁面压力沿流动方向的变化趋势图如图5所示。可知,光滑管沿流动方向的压降非常平缓,压降数值很小。而波纹管壁面上压力随波纹结构呈周期性变化,在波纹凹槽内压力不断上升,流体流出波纹结构时壁面压力迅速下降,且波纹凹槽越深,流出凹槽时的压力越低,在A=0.2,A=0.4情况时,甚至出现负压。说明凹槽段与平直段相接处存在较大的能量损失,这将是波纹管进一步改良的方向。观察图3、图4,发现波纹凹槽右半部分流线稀疏,压力云图颜色较深,而涡则随波形度A的增大而向左偏移。在波纹结构平直段,压力云图颜色较浅,而流线较为密集,说明该处流速较大,压力较低,与图5相对应。

图1 琼州海峡活动断裂与地震分布图 Fig.1 Distribution of active faults and earthquakes in the Qiongxhou Strait

琼州海峡位于海南岛和雷州半岛断陷中部,自晚第三纪始的地块差异性运动导致雷琼之间地块下沉,形成地堑式凹陷。区域内构造运动强烈,地震活动强度大[14~17]。自1400年以来,共记载了在区内发生的Ms4级以上地震48次(包括前余震),最大为1605年琼山7.5级地震;1970年以来共记录了大于ML2级的地震1324次,其中5.0~5.9级8次,6.4级地震2次。琼州海峡主要受近东西向琼州海峡断裂、光村—铺前断裂和北西向长流—仙沟断裂、海口—云龙断裂、铺前—清澜断裂所控制,这两组断裂为长期继承性活动断裂,新构造运动时期也有明显活动,是影响跨海通道建设的主要活动构造。陆上的构造线方向同区域一致,以断块差异性升降、第四纪基性岩浆岩活动频繁、活动断裂发育为特征(见图1)。

2 侧扫声纳成像原理

侧扫声纳内部安装有声电转换的换能器线阵,其内衬层由陶瓷组成。通过陶瓷的振动实现超声波和电信号相互转化,达到信号的传播和接收目的。换能器向两侧发出具有指向性宽垂直波束角、窄水平波束角的扇形声波波束,照射拖鱼两侧狭窄的海底,换能器接收经海底各点发射回波,按照声波传播时间进行各点定位,而回波声强幅度高低包含了对应海底的底质、地形起伏的信息。侧扫声纳可以得到连续的有限宽度的海底地形地貌的二维声图,并可能做到全覆盖。具有分辨率高、海底图像连续性好、价格较低特点,所以,侧扫声纳出现以后很快得到广泛应用,现在已成为水下探测的主要设备之一。

装有换能器的声纳载体(拖鱼)被拖曳在海面下一定深度(见图2),换能器在发射声脉冲后,记录发射脉冲时间,并立即开始收听回声。按照每个回声接收时间与脉冲发射时间差计算从拖曳载体到反射物体的距离。事实上发射脉冲也是一个非常强的信号,会在每个通道开始形成黑色标志。之后一小段时间内声纳脉冲通过水体并且没有产生任何回声。然后海底回声信号将依次到达,并在显示器上显示。

Rs—侧扫声纳拖鱼至目标物阴影最远点距离; Hf—拖鱼至海底高度 图2 侧扫声纳成像原理图 Fig.2 Schematic diagram of side scan sonar imaging

凸出海底面物体将阻挡声波,并遮挡一定距离的海底。这样在最终的记录上显示为声学阴影区。运用测量的方法在声纳记录上量出参数,根据系例几何关系大致的计算出目标的高度(见图3)。

睡眠是人类正常的生理需求,是恢复神经系统的重要过程,具有促进人体生长发育的功能,其在维持人体注意力、警觉性、记忆力、学习能力、执行功能等方面具有重要作用,一旦人体出现失眠现象,将可能引发多种躯体疾病、心理疾病及精神疾病等。因此,在临床治疗过程中需对失眠的发病机制及诱发因素进行全面了解,同时,还需对失眠与焦虑抑郁情绪的关系、失眠与认知功能的关系、焦虑抑郁情绪与认知功能的关系等进行详细了解,以制订最佳的治疗方案。

基于侧扫声纳上述特点,对琼州海峡地区开展海底地形地貌调查,可辨别获取琼州海峡跨海通道区域海底地形地貌特征的分布变化规律,以及各种地形地貌形态、结构。重点捕获沙丘、沙垄、沙脊、海丘及沙波等活动性微地貌、不稳定

图3 海底物体高度计算原理图 Fig.3 Calculation schematic of the height of the target on the seabed

边坡(陡坎、滑坡等)微地貌单元、软土地层浅部不良地质土层分布情况、海底火山锥、活动断裂发育程度及空间分布特征等信息,为这一区域的地质灾害评价、海底火山分布、构造稳定性分析、沉积速率分析等研究提供基础支持;为进一步开展海域地质钻探、OBS微地震观测、工程施工奠定基础;为跨海通道建设论证提供海底基础资料。

3 SonarBeamS-150D侧扫声纳

Sonar Beam S-150D完整的数字双频侧扫声纳系统由主机、拖鱼及连接线缆组成(见图4)。拖体(拖鱼)的两侧附有两个超声换能器阵列,向海底发射并接受超声波,并通过拖曳水中拖体(拖鱼)来实现海床实况探测与分析。该系统具有分辨率高,扩展性强的特点。

图4 Sonar Beam S-150D侧扫声纳系统 Fig.4 S-150D Sonar beam system

甲板主机设备通过线缆接收、处理并存储海底反射声纳信号、拖鱼状况信息以及所有拖鱼携带的传感器所属输出的信号(高度计、深度传感器和运动<姿态>传感器),并利用RealScan软件实现信息在显示器上的显示。除此之外,甲板主机设备和GPS 协同工作将位置信息添加到图像上,作为导航和制图器提供帮助。

确定连接好所有缆线以后,打开电源、RealScan软件启动, 遵循显示器上出现的信息设置通用信息(换能器频率、扫测量程、存储位置、存储方式、安全深度、自动增益等)、侧扫声纳(拖鱼类型、串口选择)、GPS(GPS 的类型,通讯端口以及波特率)、深度传感器、高度计(超声探测器)、后拖长度及勘测等参数,即可施测。

4 数据分析方法

侧扫声纳数据分析采用PostScan后期处理软件开展, PostScan的功能包含例如图形局部放大、目标测量、GPS 坐标修正检验、倾斜幅度校正、镶嵌、高度校正等功能(见图5)。该侧扫声纳系统调查获取通用的XTF格式文件,文件开始是XTFILEHEADER结

图5 PostScan后期处理软件窗口信息 Fig.5 PostScan processing software window information

[14] 叶春池. 琼州海峡沉积与地形发育[J]. 热带地理, 1986, 6(4): 346~353.

可通过鼠标对目标物体进行量测,先将鼠标指针移到目标上并点击右键,然后将鼠标指针移至阴影末端并再次点击右键即可得到目标物体的长度、宽度、高度等形状信息。

5 琼州海峡海底地质灾害类型分析

琼州海峡在往复潮汐作用下,形成东西两端潮流三角洲、中部峡谷、两岸强烈侵蚀台地及海陆交互相滨海平原的地貌格架。海底地形较复杂,差异较大。东、西部峡口水深较浅,东、西峡口为冲刷槽与浅滩相间,东部峡口呈“朵状”分布、西部峡口呈“指状”分布;中部深水槽谷水深大于50 m,长约70 km、宽约10 km,槽谷中轴线水深80~120 m。南北两侧分布有陡坎,最大高差为70 m。峡底还分布有珊瑚礁、沙坡、沙垄、海丘、火山锥等微地貌(见图6)。发育活动沙波、软土、古河道、侵蚀沟槽、海釜、水下浅滩、陡坎及海底活动构造等多种地质灾害[18,19]

软土区侧扫声纳调查时,超声波大部分被软土层吸收,仅少量被反射、接收,影像图像表现为均一灰黑色。调查显示软土主要分布于海峡水下岸坡,由水下岸坡向谷坡方向逐渐变薄以至消失尖灭,部分地区谷坡上部亦有分布。在南部岸坡中部(玄武岩区)缺失。软土层是在缓慢流水环境中的全新世沉积,天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.0。软土层具有孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、抗剪强度低、透水性低和流变性等性质。修建在软土上的建筑物在地震载荷作用下,可能出现突发性沉陷以及不均匀沉降,从而导致建筑物永久性变形破坏。1605年,琼山地震中琼山、澄迈、临高、文昌大片陆地沉陷成海可能就是软土震陷造成。为此,软土地层是跨海通道工程不得不防的地质灾害类型之一(见图7)。

图6 琼州海峡跨海通道工程区地质灾害分布图 Fig.6 Geological hazard distribution map of the cross-sea channel engineering area in the Qiongzhou Strait

图7 海底软土区地貌影像图 Fig.7 Topographic image of the submarine soft soil area

沙波为广布于海底表面的波状微地貌,泥沙颗粒在潮流、波浪作用下沿海底移动中形成。呈垂直于潮流、波浪水流方向条状分布。按照波高、波长,分为沙纹、沙脊、沙丘、沙垄等类型。侧扫声纳超声波受到沙波坡体影响,坡体一侧反射声波表现为“亮区”;另一侧受波体遮挡,表现为反射空白的“暗区”。调查显示沙波主要分布于峡谷两端的谷坡和谷底上。由两端至海峡中部最窄处,沙垄、沙丘呈逐渐发育趋势,海峡越窄,沙垄、沙丘的波长、波高值越大。各种规模水下沙坡,在波浪、潮流驱动下,具有强烈的侵蚀和堆积作用,严重影响了海洋工程施工及运营的安全。以海底侵蚀为例,自升式平台和固定式平台的桩腿直插海底,桩腿迎流一侧的底部泥沙易被水流携走造成侵蚀。长时间的侵蚀会导致一侧桩腿的地基基础减弱,从而产生不均匀沉降,平台可能发生倾斜,甚至翻倒。因此,海底活动沙波地貌是跨海通道工程必须考虑的地质灾害类型之一(见图8)。

在工程区内发现疑似火山口、断层等活动构造,由于地壳活动和沉积作用引起地层错动及其伴生的海底表面变形,将造成跨断层修建的构筑物发生差异沉降,而对海洋工程产生极大危害。项目组通过野外海上作业、室内数据分析,获得

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图8 各种规模沙波影像图 Fig.8 Images of various sizes of sand waves

2处疑似火山口的影像,均分布在L5测线上。火山(H1)地理坐标为20°03.3768′N、110°05.6312′E,火山口中心处于L5测线与Z24测线交汇处东约500 m处。火山锥底部直径约400 m,火山口直径100 m,坡高24 m,锥体坡降0.24(见图9a)。火山(H2)地理坐标为20°03.1712′N、110°04.0505′E,火山口中心处于L5测线与Z25测线交汇处东约1200 m处。火山锥底部直径约300 m,火山口直径120 m,坡高25 m,锥体坡降0.28(见图9b)。

图9 H1、H2海底火山影像图 Fig.9 Images of submarine volcanos H1 and H2

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(3)参与志愿服务的道德自觉性不强。在中国社会,志愿服务如同行善助人,“是一种个人的社会行为,个人是否愿意对陌生人行善、是否愿意帮助陌生人受其社会行为取向的影响”。[4]而社会行为取向受到血缘关系、利益分配、道德规范和权威的影响。因志愿服务这一公益性社会行为缺乏以上四种关系,往往表现出偏向于冷漠,缺乏对与己无关的陌生人的人道主义、普世主义的关爱。同时,也存在志愿者把高校团委的“组织化动员”理解为“强制性命令”而“被迫”加入志愿者组织,造成“很多参与者并不是真正意义上的志愿者,或者说有些志愿者在组织压力下虽有参与行为但心理并不认同。”[5]他们并不认同志愿者的身份,参与志愿服务的自觉性并不强。

3.1.5 正确的手卫生 护士作为预防交叉感染的第一道防御线,应在接触患者前后仔细清洗双手,研究表明,医务人员洗手的依从性仅为50%,随着劳动强度增加,洗手的必要性增加,洗手依从性反而降低[37]。专家建议,在双手有可视污染时应流动水和抗菌液清洗[6]。此外,在可能接触到口腔或呼吸道分泌物时应佩戴手套,隔离衣的使用不作为常规推荐的方法,除非患者确诊为抗生素耐药菌感染[38]。

6 结论

(1)通过在琼州海峡进行侧扫声纳调查应用,得到了连续的有一定宽度的二维海底地形地貌的声图,据此辨别获取了琼州海峡跨海通道区域海底地形地貌特征的分布变化规律,分析了地质灾害类型及其可能的危害。

(2)在琼州海峡海底发现软土、活动沙波、岸坡及活动构造等微地貌单元,跨海通道工程施工、运行阶段都将遭受相关地质灾害的危害,跨海通道工程选址应做好相应规避,将危害程度降至最低。

(3)侧扫声纳所得的信息和数据分析为跨海通道工程地壳稳定性评价提供了基础资料,为工程规划线路优选、建设实施提供了技术支撑。研究表明侧扫声纳技术可应用于海底地壳稳定性调查与评价工作中。

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另外,琼州海峡峡谷谷坡、谷底发育大量洼地、陡坎等次一级地貌,成为琼州海峡跨海通道工程建设和运行期间长期遭受的地质灾害类型之一。在海峡中部陡坎、洼地发育,如上所述陡坎比比皆是,海峡中部是水下岸坡失稳重点防治区域。

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膨胀土是一种具有“吸水膨胀、失水收缩”特性的特殊土体,而这种性质正是使得自然界中的膨胀土边坡在长期经历季节性气候变化引起的干湿循环后产生各种形态裂隙的内在因素[1-2],裂隙的存在对边坡的稳定性造成不利影响。根据国内外膨胀土边坡失事案例及相关经验,可将其破坏特征总结为浅层性、逐级牵引性、平缓性及季节性破坏[3],其中季节性破坏主要缘于降雨的季节性。膨胀土边坡常常在降雨之后发生失稳,那么了解其在降雨工况下的变形破坏失稳特征就显得尤为重要。

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·差异化原则。品牌定位能与同类服务不同,才拥有自己的特色。虽然图书馆少有同行竞争,但是与阅读推广类似的市场化服务还是存在的,比如“薄荷阅读”的阅读打卡服务是一项有吸引力的阅读推广服务,而图书馆的阅读推广只有具有其它服务不同的特色时才能更好地吸引读者。

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对于那些被毁灭者,毁灭他的,不是鸦片、麻将,也不是手机、外卖、抖音等,毁灭他的,是他自己。他太容易被毁灭了!这个东西不毁灭他,他也会被那个东西毁灭!

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加藤弘之是建立近代日本学术、思想的领袖之一。他出生于1836(天保7)年、但马国出石藩(今日的兵库县)甲州流兵学师范的家庭。1843(天保14)年,8岁便开始修习文武。1845(弘化2)年,10岁时进入藩校弘道馆。1852(嘉永5)年,17岁随父到江户,学习甲州流兵学,并进入佐久间象山的兰学塾,这是一间研究西洋学术、讲授西洋知识的学塾。返乡一趟之后,1854(安政元)年,19岁时再到江户,跟坪井为春学习兰学。后因父亲过世而归乡,但1856(安政3)年,21岁时三访江户,继续于坪井的学塾学习。1860(万延元)年,25岁时充当蕃书调所手传一职,在此首次学德语。

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游历野村谷,庶几可了却心愿,于篱笆内随意择一小方格,便拥得一块自主田地,春播秋收,自耕自食之余馈赠亲友。无暇无力躬身亲为者,以地主身份雇人代耕,约定严禁农药化肥,确保收成无虞。

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构,文件大小最少为1024KB,它包括声纳通道和测深通道信息等。后面是不同的数据包,目前主要有声纳、测深、姿态和注释4种类型。载入*.XTF 文件以后,可以看到文件的扫测量程、操作频率、采样频率以及文件大小等信息。

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(6) 氧指数测试(LOI):测试仪器为HC-2型氧指数测试仪,江宁分析仪器厂,样品尺寸为120 mm×6.5 mm×3.2 mm,按照ASTM D 2863-70标准进行测试。

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本文运用文献计量法、社会网络分析法、多维尺度分析法等对2001-2018年网络信息行为期刊文献的年代分布、高产作者、来源期刊、研究内容等方面进行总结分析,并简要探讨了该领域的研究前沿。当前网络信息行为的研究受到学者的重视并取得了一些成果,但仍存在诸多问题,如研究对象不够细化、定量研究较少、理论研究多于实践研究、研究多重视一般性问题等。在今后的研究中,学者应重视加强学术的合作和交流、研究内容的深入、方法工具的多样化等问题,为网络信息行为领域提供更多有价值的研究成果。

“十一五”时期以来,中国大力推动产业结构调整、清洁能源革命,推广绿色产品、绿色建筑和绿色交通,供给侧和消费侧双向发力,有利于从源头上减少碳排放;实施防护林建设、荒漠化治理等重大生态保护工程,保证了生态系统碳汇的增加,从而在末端上促进碳排放沉降与吸收;低碳城市、碳交易市场建设等发展策略的创新,为平衡减排和发展目标、统筹推进各部门和各领域的减排工作提供了实践手段。

牧儿去折了一束桃花来,有白的、粉红的,给了草儿,馨香把两个人包围了。草儿在桃花的掩映下,越发地妩媚了。身边的小河水涨了,这是解冻的泥土里的水,是桃花水,如小孩子一般,活泼泼的,在绿草间欢快地流淌着,发出哗哗的声响,如一首好听的歌。几只鸭子也游出了院子,似也被羊儿叫或草儿和牧儿这醉人的爱吸引,顺水赶了来。它们在水里自由地游着,嬉戏着,偶尔拍打着翅膀,发出欢快的嘎嘎的叫声,拍起了一阵阵晶莹的水花。水面上荡起一圈圈的波纹。

李振,彭华,姜景捷,孙尧
《地质力学学报》 2018年第02期
《地质力学学报》2018年第02期文献

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