CN104792452B - 一种自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置 - Google Patents

Abstract

一种自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，该装置自下向上依次包括下钻头、配重、主控舱、浮体材料、上钻头和保护架；并通过水声/长波通讯器与船载控制器用于对自动升降孔压计进行控制。布放时通过吊钩将布放支架和自动升降孔压计送入海床表面；下钻头开始钻孔进入沉积物，到达设定深度后停止运行；通过缆绳收起吊钩布放完成。回收时，通过发射控制信号启动释放器，使自动升降孔压计除下钻头及其配重以外的部分分离，使其上浮，并进行回收。本发明避免了复杂深海仪器的反复布放回收，提高了工作效率，降低了科研成本，避免了回收再布放过程对现场研究环境的人为扰动。

Description

一种自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置

技术领域

本发明涉及一种自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，属于海洋观测技术领域和海洋工程地质领域。

背景技术

孔隙水压力(以下简称孔压)是指土壤或岩石中地下水的压力，该压力作用于微粒或孔隙之间，其分为静孔压和超静孔压。孔压在海底土尤其在砂性海床中扮演着一个非常重要的角色。目前已知海底孔压变化会引起许多液化破坏现象,如粉土海床的塌陷、凹坑、粉砂流及构筑物基础周围的过量冲刷造成石油管架下沉等等。采用孔压观测系统进行原位观测，理论上能够得到最为真实可靠的数据，用于科学研究或指导工程实践活动。

孔压观测系统包括孔压计和采集装置，用于原位观测还需要添加辅助回收装置，还需要辅助布放装置、实时通讯设备或外置电源等等。对于孔压的原位观测过程，观测设备本身技术已足够成熟，但适用的布放安装方法却始终无法满足需要。

对于孔压观测系统的布放安装，目前业界普遍认可的是钻孔法、压入法和钻孔压入法。钻孔法简而言之就是在海底预定位置打钻孔到指定深度，放入孔压计。压入法是采用电动或液压设备，直接将孔压计强行压入海床内部指定深度。钻孔压入法是先在海底打钻到指定深度之上0.5-1m，然后使用压入法将孔压计压入到指定深度。以上三种情况均可根据现场情况选择静置或回填钻孔。

传统结构的孔压观测系统，和目前所采用的布放安装方法相配合，布放完成后的最终结构大致相同。为满足设备回收要求，传统方法一般都需要在海床面以上部分预留回收辅助装置(比如配重、吊钩、脚架、潜标或者浮标等)。因此，采集装置也往往置于海床面以上。而孔压计要埋设到海床面以下一定深度，并与采集器或回收辅助装置通过线缆或杆体相连。于是在线缆和杆体的外表面，形成一条无法避免的孔隙水传导通路，甚至经常直达海床表面与海水连通。

由于孔压参数的特殊性，要求测量必须在独立、密闭的环境中。传统方法放大了孔隙水环境，甚至将其改变为开放环境，使得采集结果无法代表目标特性，甚至毫无意义。目前业界尚无普遍认可的方法解决这一问题。

发明内容

本发明目的是提供一种自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，其在原有孔压观测系统基础上进行改进，以更适应原位观测之特点。该装置及其与之配套的水声/长波通讯器、船载控制器和布放设备，能够很好的解决目前孔压观测过程中，缆线或杆体外表面的孔隙水通路问题，使孔压计能够处于一个密闭稳定的环境中，使得观测设备对孔隙水压力累计和消散的影响尽可能降低，使得原位观测数据符合现场真实情况，更好的为研究和工程活动服务。

一种自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，其特征在于该长期观测装置是上下两端分别设有圆锥形钻头的圆柱体形结构，该长期观测装置自下向上依次包括下钻头、配重、主控舱、浮体材料、上钻头和保护架；其中，所述主控舱下部为释放器，该释放器通过一个水密接插件与主控舱相连以保持信号通讯和电源供给，且主控舱内设有孔压传感器；

所述的下钻头内配有独立电池和测深传感器，下钻头与配重联结为一体；配重上端与主控舱内释放器的可控端采用栓孔结构相连；

所述主控舱内部还安装有主控电路、水声/长波通讯装置、追踪定位GPS、测深传感器、电源(包括常规电源和备用电源)和孔压信号接入端水密接插件；所述孔压传感器信号接入端水密接插件固定于主控舱的侧壁；主控舱顶部通过一根线缆管穿过上方的浮体材料，与上钻头相连接，所述线缆管内部有用于连接主控舱和上钻头的信号缆；

所述保护架呈圆柱形，且套住上钻头，保护架下端固定于主控舱外表面，保护架外表面设有凸起块，用于与布放设备进行卡合。

所述配重包括一个安装在下钻头上方的柱体，柱体上套有多个配重盘。

上述自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，其特征在于：

该长期观测装置空气中整体净重为M，体积为V；配重和下钻头空气中净重为m₁，体积为v₁；该长期观测装置回收时，希望其在海水中的最大上浮速度为VSmax＝2m/s，海水的阻力系数为k，阻力为F_阻；

用绳缆下放该长期观测装置至下钻头锥尖到达海床面，此时，该长期观测装置浮力为F_浮，重力为G，海床面的支撑力——同时也是下落过程中的净重力为F_c，速度接近于0，阻力可忽略不计；

则F_c＝G–F_浮＝Mg–ρgV；

回收时，释放器打开，抛掉配重和下钻头，上浮至最大速度VSmax＝2m/s；

F_上升浮力＝F_阻+(G–G1)，即ρg(V–v₁)＝k*VSmax+(M–m₁)*g；

上述各个参数满足以下两个关系式：

0.2*F_浮<F_c<0.4*F_浮；

ρg(V–v₁)＝k*VSmax+(M–m₁)*g。

上述自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置的布放方法，包括

1.选择原位观测站点；

其特征在于包括以下步骤：

2.行船将布放系统运到观测点上方；

3.先将与船载控制器相连的水声/长波通讯器通过释放凯夫拉电缆下放到海床；

4.再将布放支架套置在该长期观测装置外周，通过吊钩将布放支架和该长期观测装置送入海床表面；

5.船载控制器向该长期观测装置送出启动信号，该长期观测装置的下钻头开始钻孔进入沉积物，到达设定深度后停止运行；

6.打开吊钩以将该长期观测装置从吊钩中释放；

7.通过缆绳收起吊钩，从而将布放支架回收，同时收起凯夫拉电缆以回收水声/长波通讯器，原位布放完成；

所述的水声/长波通讯器是用于将船载控制器信号同时转换为水声信号和长波无线电波信号的装置，该水声/长波通讯器包括一个壳体，壳体顶端有凯夫拉电缆接口、水声收发源，壳体底端有无线电天线，壳体内有水声通讯器和长波无线电波通讯器；

所述船载控制器包括通讯控制器、凯夫拉电缆接口、水声通讯器和长波无线电波通讯器，并通过水声/长波通讯器对该长期观测装置进行控制；布放时，船载控制器与水声/长波通讯器通过凯夫拉电缆进行连接；

所述布放设备包括布放支架和带有配重的吊钩，其中，布放支架由上部的圆筒状护套和下部的四脚架组成，两者刚性连接；布放时，该长期观测装置的顶端固定于所述圆筒状护套上，且该长期观测装置底端下钻头的水平高度要高于四脚架的底端高度；所述吊钩的配重用于稳定吊钩和该长期观测装置，同时该配重作为布放支架的上限端，将该长期观测装置限制在该配重以下；布放时，吊钩用于将该长期观测装置与布放支架吊入水中，布放完成后，吊钩将布放支架回收。

利用上述方法布放之后对该系统回收的方法，其特征在于包括以下步骤：

8.行船再次驶到观测点上方；

9.通过释放凯夫拉电缆，将水声/长波通讯器下放到海床；

10.通过发射控制信号启动释放器，使该长期观测装置除下钻头及其配重以外的部分分离，使其上浮，并进行回收；

11.收起凯夫拉电缆以回收水声/长波通讯器，回收任务完成。

本发明水声/长波通讯器的实质是一个转接器，其作用是将船载控制器信号同时转换为水声信号和长波无线电波信号。一方面，声学通讯在饱和沉积物中的传输距离受其频率、信号强度和沉积物固结状态、压强等因素影响，传输距离从小于一米到几十米不等，所以水声通讯在沉积物中的传输是有可能但无法完全适应的。另一方面，虽然电磁波在水中传播，海水对电磁波能量的吸收作用很强，但对于不同波长的电磁波吸收作用不同。波长越短，在海水中的衰减就越厉害，因此短波几乎无法穿过海水传播。而波长更长的长波、甚长波、超长波在海水中的衰减程度就要小得多，能够进入几十米至几百米的水中，理论上在固体中传输距离会更远。长波通信传输衰减小，稳定可靠，但是通信的频带较窄，只能用于低速通讯。在本发明的设备实际工作时，两种通讯手段同时放出试探信号，并监听回应信号的强度，根据信号强度选择该环境下最合适的通讯通路。水声/长波通讯器整体为长方体外形，此外还有顶端的水密接插口、水声收发源和底端的无线电天线，从结构上将包括通讯控制器、凯夫拉电缆接口、水声通讯器和长波无线电波通讯器。现场布放时，将连有船载控制器的凯夫拉电缆接到水声/长波通讯器的水密接口上，然后将其从船上沉入海底。此时，通讯器的一端为凯芙兰电缆连接船载控制器，另一端通过水声/长波两种通讯手段与本长期观测装置保存联络，从而实现两者的通讯。

船载控制器外形如一个方形掌机，面板上有一个液晶屏、方向控制器、确认键和取消键，底端有一个凯夫拉电缆接入端口。船载控制器的作用包括选择水声/长波通讯器的通讯方式、查看水声/长波通讯器的通讯状态、控制本长期观测装置的上下钻头启停、控制本长期观测装置释放器的运行、控制本长期观测装置的孔压传感器工作、查看本长期观测装置的状态参数、设置孔压采样率、采样间隔、回传数据等。

辅助布放设备其特征在于包括辅助布放支架、可控吊钩和配重。辅助布放支架由上部的圆筒状护套和下部的四脚架组成，两者采用焊接方式刚性连接。圆形配重中央有一个通孔，可控吊钩之上的吊缆穿过该通孔，一方面用于稳定吊钩和本长期观测装置，另一方面圆形配重作为辅助布放支架的上限端，将其卡在该位置以下。可控吊钩是能够在船上使用线缆吊装放入海底，能够通过机械、液压或电气方法控制其闭合、开启的吊钩。吊钩的两个钳臂上还各有一个小短臂，吊钩闭合时，小短臂被收在钳臂侧下方，保证下放工作不受影响；吊钩打开后，小短臂被撑开的侧面，能够在下放完成后，收回吊钩的同时回收辅助布放支架。

本发明能够很好的解决目前孔压观测过程中，传统仪器不可避免的由于杆体或线缆的存在，而导致出现孔隙水压力通道的问题。使孔压计能够处于一个密闭稳定的环境中，观测到真实的孔隙水压力累计与消散过程。同时通过水声/长波自匹配通讯系统，很好的完成原位观测过程中的数据传输，避免了复杂深海仪器的反复布放回收，一方面提高了工作效率，降低了科研成本，另一方面也有效避免了回收再布放过程对现场研究环境的人为扰动。

附图说明

图1本发明的长期观测装置的整体和模块化分解结构示意图。

图2本发明的水声/长波通讯器和船载控制器连接示意图。

图3本发明的布放设备示意图。

图3a吊钩打开时的示意图，图3b吊钩关闭时的示意图，图3c布放支架正视图，图3d布放支架俯视图。

图4本发明与水声/长波通讯器、船载控制器和布放设备的模块化示意图。

图5本发明布放过程示意图。

图6本发明回收过程示意图。

其中，1.本发明的长期观测装置,2.水声/长波通讯器,3.船载控制器,4.布放设备,5.辅助布放支架,6.可控吊钩和配重,7.保护架,8.上钻头,9.浮体材料,10.主控舱,11.孔压传感器,12.配重,13.下钻头,14.凯夫拉电缆。

具体实施方式

如图1-4所示，自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置及其配套的系统，包括本长期观测装置1、水声/长波通讯器2、船载控制器3和辅助布放设备4(包括辅助布放支架5、可控吊钩和配重6)各一套。其中，如图1所示，本长期观测装置1自下向上依次包括下钻头13、配重12、主控舱10(包括释放器)、孔压传感器11、浮体材料9、上钻头8和保护架7。下钻头13和配重12通过释放器与主控舱10连接。而主控舱10、孔压传感器11、浮体材料9、上钻头8和保护架7依次采用螺栓结构刚性连接。

原位布放前，按照图2将水声/长波通讯器2和船载控制器3用凯夫拉电缆14连接；将保护架7从本长期观测装置1的上方套入到凸起块处卡住，挂到可控吊钩上，完成布放准备。

如图5，其布放方法包括以下步骤：

1.选择原位观测站点，对该点进行资料分析，并确定布放方案

需要对该点的海底地质调查资料进行分析，讨论所需要的孔压观测深度和可行的孔压观测深度范围，结合天气和海况，最终确定进行原位观测布放的时间、地点、深度(海床面以下深度)等。

2.行船到预定观测点，进行布放准备

布放准备包括船身稳定、抛锚和组装仪器设备。将本长期观测装置、辅助布放支架、可控吊钩、配重依次连接；将水声/长波通讯器和船载控制器通过凯夫拉电缆连接；设置本长期观测装置准备布放到沉积物中的深度；条件允许的情况下测量当前的波浪、水深、流速剖面、浅地层剖面等环境参数。

3.通过释放凯夫拉电缆，将水声/长波通讯器下放到海床(图5A)

通过释放凯夫拉电缆，将水声/长波通讯器放入海底，平稳落到海床面。从水声/长波通讯器入水开始，同时打开水声通讯和无线电长波通讯，时刻关注水声/长波通讯器与本长期观测装置的信号对接情况，并在通讯信道建立成功后，注意本长期观测装置传来的性能参数(如深度、电量等)。

4.将本长期观测装置送入海床表面(图5B、图5C)

工作人员需要缓慢下放缆绳，将组装好的辅助布放设备和本长期观测装置放到海床表面。此时辅助布放支架坐底稳定，本长期观测装置也保持直于海床面。此后缆绳继续下放，从船载控制器上读到本长期观测装置的深度数值却不再变化，证明设备坐底成功，标定海床基准面位置。而后保持该深度不变，略微收紧缆绳，完成布放前期准备。

5.船载控制器向本长期观测装置送出启动信号，本长期观测装置开始钻孔进入沉积物，到达指定深度后停止运行(图5D)

监听船载控制器上，本长期观测装置通过水声/长波通讯器回传的深度数据，待其稳定后，通过船载控制器启动下钻头。直至当前深度达到步骤4中标定的海床基准面和步骤2中设置的拟布放深度之和，下钻头停止运行，而后进入长期观测模式。

6.回收辅助布放设备和水声/长波通讯器，原位布放完成

打开可控吊钩(图5E)，回收缆绳(图5F)，此时吊钩的小臂会卡住布放辅助支架，将其一同收回(图5G)，然后通过回收凯夫拉电缆收回水声/长波通讯器(图5H)。此时，原位观测布放工作完成，拔锚启航。

如图6，其回收方法包括：

7.再次驾船到观测站位，进行设备组装

到达指定站位(图6A)，将水声/长波通讯器和船载控制器通过凯夫拉电缆连接；进行现场环境调查。

8.通过释放凯夫拉电缆，将水声/长波通讯器下放到海床(图6B)

通过释放凯夫拉电缆，将水声/长波通讯器放入海底，平稳落到海床面。然后通过两种手段分别尝试与本长期观测装置取得联系，获取两者返回的信号强度，并选择相对可靠的一种通讯方式。建立通讯后进行设备状态参数的回传，包括当前深度、剩余电量、观测数据简报等。

9.回收数据/回收设备。

可以根据现场情况(比如剩余电量，深度变化等)和观测需要，选择回收数据或回收设备。

回收数据时，操作船载控制器向本长期观测装置要求数据回传，通过水声/长波通讯器转接，数据直达船载控制器。而后收回水声/长波通讯器即可。

回收设备时，仍建议首先回收数据。如图6C、图6D，操作船载控制器首先打开释放器，抛掉本长期观测装置的配重和下钻头；然后启动上钻头，打开GPS，本长期观测装置将在浮体材料的帮助下从沉积物中钻出，直达海面；根据GPS信号位置和海面漂浮物情况进行打捞。而后回收水声/长波通讯器即可(图6E)。

实施例

黄河口水下三角洲现场观测工作，布放海底孔隙水压力观测系统。根据本发明所采取之使用方法及步骤，组装设备，顺利进行原位布放。

布放25日后驾船至观测点位，放下水声/长波通讯器，先获取该段时间内的采集数据(包括采集时刻、孔压值、当前深度等)，而后获取当前设备的运行状态参数(包括当前深度、剩余电量等)。由于剩余电量大于预期，现场决定再进行一轮观测，回收水声/长波通讯器，而后返航。

布放45日后回到观测点，放下水声/长波通讯器，先获取该段时间内的采集数据(包括采集时刻、孔压值、当前深度等)，而后获取当前设备的运行状态参数(包括当前深度、剩余电量等)。由船载控制器发送回收信号，本长期观测装置依次打开释放器、启动备用电源、启动上钻头、打开GPS。根据GPS信号在海面的位置进行打捞，回收水声/长波通讯器即可。

Claims (3)

1.一种自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，其特征在于该长期观测装置(1)是上下两端分别设有圆锥形钻头的圆柱体形结构，该长期观测装置(1)自下向上依次包括下钻头(13)、配重(12)、主控舱(10)、浮体材料(9)、上钻头(8)和保护架(7)；其中，所述主控舱(10)下部为释放器，该释放器通过一个水密接插件与主控舱(10)相连以保持信号通讯和电源供给，且主控舱(10)内设有孔压传感器(11)；

所述的下钻头(13)内配有独立电池和测深传感器，下钻头(13)与配重(12)联结为一体；配重( 12)上端与主控舱(10)内释放器的可控端采用栓孔结构相连；

所述主控舱(10)内部还安装有主控电路、水声/长波通讯装置、追踪定位GPS、测深传感器、电源和孔压信号接入端水密接插件；所述孔压传感器(11)通过该孔压信号接入端水密接插件固定于主控舱(10)的侧壁；主控舱(10)顶部通过一根线缆管穿过上方的浮体材料(9)，与上钻头(8)相连接，所述线缆管内部有用于连接主控舱(10)和上钻头(8)的信号缆；所述的电源包括常规电源和备用电源；

所述保护架(7)呈圆柱形，且套住上钻头(8)，保护架(7)下端固定于主控舱(10)外表面，保护架(7)外表面设有凸起块，用于与布放设备(4)进行卡合。

2.如权利要求1所述的自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，其特征在于所述配重(12)包括一个安装在下钻头(13)上方的柱体，柱体上套有多个配重盘。

3.如权利要求1所述的自动升降的无缆式深海底孔隙水压力长期观测装置，其特征在于：

该长期观测装置(1)空气中整体净重为M，体积为V；配重(12)和下钻头(13)空气中净重为m₁，体积为v₁；该长期观测装置(1)回收时，希望其在海水中的最大上浮速度为VSmax＝2m/s，海水的阻力系数为k，阻力为F_阻；

用绳缆下放该长期观测装置(1)至下钻头(13)锥尖到达海床面，此时，该长期观测装置(1)浮力为F_浮，重力为G，海床面的支撑力——同时也是下落过程中的净重力为F_c，速度接近于0，阻力可忽略不计；

则F_c＝G–F_浮＝Mg–ρgV；

回收时，释放器打开，抛掉配重(12)和下钻头(13)，上浮至最大速度VSmax＝2m/s；

F_上升浮力＝F_阻+(G–G1)，即ρg(V–v₁)＝k*VSmax+(M–m₁)*g；

上述各个参数满足以下两个关系式：

0.2*F_浮<F_c<0.4*F_浮；

ρg(V–v₁)＝k*VSmax+(M–m₁)*g。