CN101526348B - 拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种用于海洋平台系泊系统的拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量方法，包括：(1)固定拉线传感器；(2)将双轴倾角传感器埋置在拖曳锚内，确保双轴倾角传感器的轴线和锚板的轴线对齐，并确保锚胫连接关于锚板的轴线对称；(3)通过滑轮组将拉线传感器的拉线接于拖曳锚尾部；(4)将拖曳锚放置在海床面上，并形成初始嵌入角度；(5)对拖曳锚施加作用在锚板轴线上的水平外力，使其嵌入土体内，实时采集拉线传感器和双轴倾角传感器获取的信号；(6)迭代计算拖曳锚瞬时的横、纵坐标，获得锚板在土体中完整的嵌入运动轨迹。本发明同时提供实现上述方法的一种测量装置。本发明提供的测量方法和装置，具有设备简单，实施容易，精度较高的优点。

Description

拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量方法和装置

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量技术。

背景技术

在深海油气资源的开发中，随着大型和超大型海上顺应式结构物的逐渐增多，适用于深水和超深水的系泊系统日益受到重视。研发新型深水系泊系统和新型深水系泊技术，成为国际海洋油气资源开发和国际海洋工程技术界的一个重要研究领域。

20世纪80年代中期，人们发现深海蕴藏着丰富的油气资源，由此在全世界范围内掀起了一股深海油气资源开发技术研究的热潮。随着油气开采向深水化推进，新型绷紧式系泊系统的优势日益突现，它不仅能节约材料，降低投资，同时也能减小系泊半径，优化系泊方式。而与绷紧式系泊系统相配合的系泊基础——新型拖曳锚也日益受到青睐，它能同时承受水平和垂直荷载，具有较高的抗拔承载力，同时具备重量轻、材料省、易操作、易存储、可回收和重复使用等优点。

在国外，目前新型拖曳锚在设计、施工和应用等方面均存在很多问题有待深入认识和解决。在国内，更无自主应用新型拖曳锚的先例。针对拖曳锚关键技术的实验研究，主要有模型实验、现场实验和工程应用三种方法。由于拖曳锚嵌入在不可见的海洋土中，所以对锚板实施精确定位，并探测其嵌入运动轨迹成为实验研究的重点和难点。目前在国际范围内，关于拖曳锚在土体中运动轨迹的实验测量技术主要存在以下几种方法：

1、1994年，Neubecker和Randolph在西澳大学岩土离心机实验室开展传统拖曳锚的实验研究。实验选用金属探针作为轨迹测量设备固定在锚胫上，与锚胫成直角。探针随锚板嵌入一起前进，通过电子刻度系统对探针的感应并经过简单的几何换算测得锚板的三个自由度(水平位移、竖向位移和锚板方位角)，从而测得锚板的嵌入运动轨迹。

虽然这种测量方法在离心机实验中操作简单有效，但是在模型水槽实验中其适用性还存在疑问。一方面，探针固定在锚胫上将会影响锚板嵌入，另一方面，随着模型比尺增大，探针尺寸也相应增大，这将势必产生更大的土抗力致使探针发生变形，从而严重影响测量精度。

2、1999年，Dahlberg和Strom在其开展的新型拖曳锚海岸场地测试中，选用轨迹跟踪器固定在锚板上，测量了包括锚板方位角、锚板翻转角和拖曳力等在内的锚板多运动参数。同时结合锚板运动位移的测量，得到了完整的嵌入运动轨迹。实验结果表明，在拖曳前期(拖曳距离在4～5倍锚长之内)，测量轨迹与实际轨迹吻合较好，但在拖曳后期将会出现一定的偏差。

值得注意的是这种跟踪器测量法，由于其体积较大，只适用于大比尺的现场实验，而在实验室小比尺的模型实验中并不适用。

3、2000年，Goncalves等实施拖曳锚模型水槽实验。实验采用模型锚板定位系统测量锚板的嵌入运动轨迹。系统采用滑轮组和导轨将三根碳纤维绳与锚板相连，通过三个拉线位移传感器测得各纤维绳伸长量的变化曲线，应用相应软件计算出任意瞬时锚板重心的坐标和锚板倾角，从而获得锚板的嵌入运动轨迹。

从以上测量方法来看，由纤维绳伸长量换算出锚板的瞬时位置，其计算过程尚存疑问，除此以外，定位系统还存在一个更为关键的问题，即随着锚板嵌入，纤维绳由于其回复力较小，将因土抗力的存在呈现出复杂的曲线形状，由此根据几何关系不能真实可靠地得到锚板的瞬时位移。

4、2000年，Heyerdahl和Eklund针对定位安装平板锚(PositionInstalled PlateAnchors)开展靠海陆地测试。测试选用三个倾角传感器，分别用于测量锚板的倾斜、翻转角度及拖缆与锚板连接处的角度，此外将压力传感器埋置于锚板内部测量锚板的埋置深度。

因为此类锚板不是拖曳嵌入平板锚，所以并没有测量锚板的嵌入运动轨迹，测试采用压力传感器测量锚板的埋置深度在实验操作中相对简单。但主要问题在于压力传感器能否精确而灵敏地反映锚板的嵌入深度，这要求实验土体必须具有足够的稳定性和可重复性，考虑到测量精度的问题，该测量方法并不适用于实验室模型水槽实验。

5、2000年，Nunes Dias等采用一种监控装置探测法向承力锚在海洋土中的运动轨迹，此装置主要由光学编码器及磁感线发射器组成。将装置连接于锚板，能够获得与锚板嵌入运动轨迹相关的各项参数，包括锚板的倾斜与翻转角度和锚板的位移等。通过数学方程的迭代运算，结合相应的校正系数，可以得到锚板的嵌入运动轨迹。

很显然，这种测量方法在靠海陆地测试和近海场地测试中有其极大的优越性，但由于其尺寸较大，因此并不适合实验室模型水槽实验。

6、2002年Elkhatib等开展法向承力锚的离心机实验。为了观测锚板的嵌入运动轨迹，实验前将模型锚板涂抹高锰酸钾试剂，待测试结束后，小心剖开土体，露出锚板嵌入运动后留下的深红色轨迹。

这种直接观测轨迹的方法在锚板的多运动参数测量中将不可避免的带来误差，同时它也仅适用于小比尺的离心机实验。

纵观以上测量方法，目前在拖曳锚模型水槽实验中所采用的测量方法，在精确性、稳定性、可行性等方面还存在缺陷。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种拖曳锚嵌入运动轨迹的测量方法，适用于模型水槽实验和现场陆地测试，对拖曳锚在不可见海洋土中的嵌入运动轨迹实现精确、稳定的测量。为此，本发明采用如下的技术方案：

一种拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量方法，包括下列步骤：

(1)固定拉线传感器；

(2)将双轴倾角传感器埋置在拖曳锚内，确保双轴倾角传感器的轴线和锚板的轴线对齐，并确保锚胫连接关于锚板的轴线对称；

(3)通过滑轮组的导向作用将拉线传感器的拉线接于拖曳锚尾部，并使拉线伸出端与沙面平齐；

(4)将拖曳锚放置在沙面上，并形成初始嵌入角度；

(5)对拖曳锚施加作用在锚板轴线上的水平外力，使其嵌入土体内，实时采集拉线传感器和双轴倾角传感器获取的位移信号、倾斜角度信号和翻转角度信号。

(6)根据运动轨迹的迭代公式x_i＝x_i-1+(D_i-D_i-1)cosα_i和y_i＝y_i-1+(D_i-D_i-1)sinα_i迭代计算拖曳瞬时的横、纵坐标，式中x_i和y_i是锚板的横、纵坐标，D_i为扣除初始长度的拉线伸长量，α_i为锚板的倾斜角度，获得锚板在土体中完整的嵌入运动轨迹。

本发明同时提供一种实现该种测量方法的测量装置：

一种拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量装置，包括用于装载土体的水槽、拉线传感器、埋置于拖曳锚上的双轴倾角传感器、数据采集系统和滑轮组。双轴倾角传感器的轴线和锚板的轴线对齐，拉线传感器固定在水槽上，通过滑轮组的导向作用将拉线传感器的拉线接于拖曳锚尾部，并使拉线伸出端与沙面平齐，数据采集系统用于采集拉线传感器和倾角传感器的位移信号、倾斜角度信号和翻转角度信号，并根据公式x_i＝x_i-1+(D_i-D_i-1)cosα_i和y_i＝y_i-1+(D_i-D_i-1)sinα_i迭代计算拖曳锚瞬时的横、纵坐标，式中x_i和y_i是锚板的横、纵坐标，D_i为扣除初始长度的拉线伸长量，α_i为锚板的倾斜角度，获得锚板在土体中完整的嵌入运动轨迹。

本发明在测量中采用了拉线传感器，由于此类传感器拉线的回复力很小，拉线并不能随着嵌入的进行而横向切割土体，将呈现出与锚板嵌入运动轨迹相似的形状。同时基于锚板瞬时行进的方向与锚板平面平行的原理，扣除拉线传感器通过滑轮组和土体表面的长度，测量值反映的将是锚板瞬时运动的总位移。此种测量方法和装置，设备简单，实施容易，并具有较高的精度。

附图说明

图1为本发明的拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量装置布置示意图。

图2工况一锚板运动轨迹图。

图3工况二锚板运动轨迹图。

图4工况三锚板运动轨迹图。

附图标记说明如下：

1拖曳锚    2水槽    3双轴倾角传感器    4拉线传感器

5滑轮组  6拉线

图2、图3和图4中，实线为本测量方法结果，散点为人工测量结果

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步详述。

本发明的测量装置，包括用于装载土体的水槽，拉线传感器、双轴倾角传感器、数据采集系统和滑轮组。在所述拖曳锚的轴线上设有凹槽，双轴倾角传感器埋置于槽内，拉线传感器固定在水槽上，通过滑轮组的导向作用将拉线传感器的拉线接于拖曳锚尾部，拉线传感器和倾角传感器的位移信号、倾斜角度信号和翻转角度信号被送入数据采集系统。

本发明测量装置的布置图见图1，其中拉线传感器布置于水槽壁，通过滑轮组的导向作用将拉线接于锚板尾部，并使拉线伸出端与沙面平齐。双轴倾角传感器埋置在锚板内部，能够直接测量锚板的倾斜和翻转两个角度，测量时，需要确保双轴倾角传感器的轴线和锚板的轴线对齐，并确保锚胫连接关于锚板的轴线对称。测量过程中，需要对拖曳锚施加作用在锚板轴线上的水平外力，使其嵌入土体内，拉线将随着锚板的逐渐嵌入而被拉出。由于传感器中拉线的回复力很小，仅有几个牛顿，由此可知，拉线并不能随着嵌入的进行而横向切割土体，这说明，拉线在土体以下的部分，由于土抗力的作用，将呈现出与锚板嵌入运动轨迹相似的形状。同时基于锚板瞬时行进的方向与锚板平面平行的原理，扣除拉线传感器通过滑轮组和土体表面的长度，测量值反映的将是锚板瞬时运动的总位移。至此，如果知道锚板瞬时运动的总位移以及锚板的方位角，经过以下的迭代公式，可得锚板在任意瞬时的横、纵坐标。

x_i＝x_i-1+(D_i-D_i-1)cosα_i                                        (1)

y_i＝y_i-1+(D_i-D_i-1)sinα_i                                        (2)

式中x_i和y_i是锚板的横、纵坐标，D_i为扣除初始长度的拉线伸长量，α_i为锚板的倾斜角度。

通过采集系统和计算机的监控与储存，记录拉线伸长量和锚板倾角的变化过程，结合以上公式的迭代计算，将获得锚板在土体中完整的嵌入运动轨迹。

本发明技术可有效应用于针对新型拖曳锚开展的科学研究，包括实验室模型水槽实验和现场陆地实验。

1、实验室模型水槽实验

在实验室模型水槽实验中，以饱和海洋粘土和沙土作为锚板的嵌入介质，将拉线传感器连接在锚板尾部，双轴倾角传感器埋置于锚板内部。模拟实际的拖曳情况对模型锚板实施水平拖曳，通过采集系统监控并储存各项运动参数，经过相应的数据采集、处理和转换，可绘制出完整的锚板嵌入运动轨迹。

2、现场陆地实验

实施方式同模型水槽实验基本相同。

为检验本发明的测量方法和测量装置的精度，发明人设计了专门实验。实验的基本工况如下：

土体为不饱和松沙，采用锚宽为250mm的简化正方形模型锚板实施实验。共设计三组工况，其中系缆点处拖缆与锚板面的夹角(即合力与锚板平面的夹角)分别为23°，26°和30°，各工况重复三次。

采用人工探测法对上述测量技术进行检验，其方法是，沿模型水槽横向和纵向精确标记刻度，将模型锚板的嵌入运动过程分为六段，采用探针实时探测包括锚板最终位置在内的六个测量点，记录各测量点的横、纵坐标。

结果表明，模型水槽实验的测量结果与检验实验吻合较好，三种工况的测量误差分别为11.1％，6.32％和4.87％。由此可知工况一的测量误差较大，这是因为合力与锚板的夹角较小，在此角度下实施拖曳，锚板处于极浅埋的情况，又因实验土质为非饱和松沙，导致实验误差偏大。而工况二和工况三精度较高，这是因为合力与锚板的夹角较前者增大，锚板在拖曳结束后锚板嵌入较深，土抗力相应增加，使拉线与锚板轨迹拟合更好，精度提高。由此可得，一般实验环境为饱和沙土或饱和粘土，土抗力较非饱和松沙增大，因此在一般的实验工况下，这种测量方法能够保证很高的测量精度，满足实验需要。

Claims (1)

1.一种拖曳锚在上体中嵌入运动轨迹的测量方法，包括下列步骤：

(1)固定拉线传感器；

(2)将双轴倾角传感器埋置在拖曳锚内，确保双轴倾角传感器的轴线和锚板的轴线对齐，并确保锚胫连接关于锚板的轴线对称；

(3)通过滑轮组的导向作用将拉线传感器的拉线接于拖曳锚尾部，并使拉线伸出端与沙面平齐；

(4)将拖曳锚放置在沙面上，并形成初始嵌入角度；

(5)对拖曳锚施加作用在锚板轴线上的水平外力，使其嵌入上体内，实时采集拉线传感器和双轴倾角传感器获取的位移信号、倾斜角度信号和翻转角度信号；

(6)根据运动轨迹的迭代公式x_i＝x_i-1+(D_i-D_i-1)cosα_i和y_i＝y_i-1+(D_i-D_i-1)sinα_i计算拖曳锚瞬时的横、纵坐标，式中x_i和y_i是锚板的横、纵坐标，D_i为扣除初始长度的拉线伸长量，α_i为锚板的倾斜角度，由此获得锚板在土体中完整的嵌入运动轨迹。

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