CN105301193B - 海床侧向变形与滑动观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

海床侧向变形与滑动观测装置与方法，包括设有海上钻探装置与起吊装置的辅助船；设有位移测量装置、数据采集密封舱和防沉降架海底观测系统；位移测量装置是个带线缆的杆节组合结构，每个节点处设有一个三轴加速度传感器，根据三轴加速度传感器的姿态变化可推算出各个节点的位移偏量。其方法包括：利用辅助船对目标点位进行钻孔布放海底观测系统，通过海底观测系统中的位移观测装置对海床侧向变形与滑动进行观测记录，原位观测周期结束后进行打捞回收，通过分析数据可获得海床土体的变形量、变形过程。本发明为海床侧向变形与滑动观测提供了一种新的思路与方法，具有观测周期长、可重复利用、观测量程大、精度高等特点。

Description

海床侧向变形与滑动观测装置及方法

技术领域

本发明属于海洋地质观测领域，尤其涉及一种海床侧向变形与滑动观测装置及方法。

背景技术

在恶劣海况期间，大风浪会引起海床内部孔隙水压力的动态累积以及有效正应力的降低，大幅度降低了海床土体的抗剪强度，引发海床土体剪切破坏甚至液化，导致海床侧向变形与滑动，假如海床坡度较大、土体强度较低，甚至可能会引发海底滑坡，造成海底管线、防波堤以及海洋平台基础的失稳破坏。同样地震等因素也会引发海底滑坡等地质灾害，对海上生产安全造成不可估量的损失。目前对于大风浪或地震等因素引起的海床破坏甚至海底滑坡的研究，大多采用数值模拟或者模拟实验的研究方法，缺少原位观测手段技术，对于海床土体破坏后的侧向变形与滑动是如何发生的以及发生的规模无法进行原位动态观测，本发明对于海床土体破坏滑移机制及预警方案的研究具有突出贡献。

目前,应用于陆上的土体侧向变形与滑动观测技术在国内外已非常成熟,并广泛的应用于陆上工程领域，主要靠光纤、位移传感器来监测变形位移量。然而关于海底滑坡观测方面的相关专利少之又少，经过现有的技术文献检索发现，中国专利名称：天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统的制作方法，专利申请号CN201410139109，该发明提出了一种可测量土体变形过程及变形量的变形测量单元，可对滑坡变形进行定量化描述，但该发明属于物理模拟实验范畴，可移植性差，不能满足原位观测的需求。因此，在海底土体侧向变形与滑动原位观测技术领域，我国目前仍然没有拥有自己独立知识产权的技术和设备，这也一直是关于海底滑坡原位观测的技术难题，本发明将填补这一空缺，推动我国海洋工程地质灾害防治的发展进程，保障海底管线、港口、海洋基础设施等的安全生产。

发明内容

本发明针对现有技术的不足或缺陷，提供一种海床侧向变形与滑动观测装置及方法，以实现对海床变形的长期原位观测。

海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于包括用于布放和回收的辅助船以及海底观测系统，所述辅助船上安装有海上钻机装置、起吊装置、钻杆以及套管，

所述的海底观测系统包括位移测量装置、数据采集密封舱和防沉降架；

所述的位移测量装置由一系列具有固定长度的刚性空心杆串联组成，最前端的一个刚性空心杆前部设有锥头，适当增加锥头的重量使之可作为配重使用，且相邻两个刚性空心杆之间通万向节连接，刚性空心杆可绕万向节进行360度弯曲，万向节为具有韧性的塑胶材料，每个万向节内部设有一个三轴加速度传感器，三轴加速度传感器的数据传输线从刚性空心杆中穿过，通过三轴加速度传感器的姿态变化以计算出各个节点的位移偏量；在末端万向节内还附加有一个用于处理三轴加速度传感器信号的微处理器和用于测量温度变化的温度传感器，各个三轴加速度传感器以及微处理器和温度传感器的数据传输线均通过位移测量装置末端的数据传输线缆与所述的数据采集密封舱连接；

所述的数据采集密封舱内部设有用于采集和存储数据的数据采集装置以及电源。

所述的防沉降架是由防沉降板和安装在防沉降板上的密封舱固定支架组成，均可采用不锈钢材料加工。

可在防沉降架表面喷漆防止海水腐蚀，防沉降板上设有若干个镂空圆孔，目的是为减轻重量以及打捞回收时减轻海床对防沉降板的粘滞阻力。

每个万向节内部的三轴加速度传感器通过支架而固定在位于其前端的一根刚性空心杆的杆端，而使各个三轴加速度传感器随其前端的刚性空心杆保持一致的角度变化。

所述的位移测量装置的万向节与刚性空心杆外表面由两层保护套包裹，其中内层保护套是柔性的防水塑胶套，外层保护套是高强度钢丝网套。

在靠近线缆端附有提拉环，用于整个位移测量装置的回收上拔；

上述数据传输线缆通过密封插件与所述的数据采集密封舱连接。

利用上述装置对海床侧向变形与滑动进行观测的布放与回收方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将数据采集装置进行采集频率与采集时长的设置，然后安装入采集密封舱进行密封；

2)利用辅助船的GPS定位系统将辅助船开到目标点位，并抛锚、下桩使船体保持平稳状态；

3)使用辅助船上的海上钻机装置对目标点位的海床钻孔，钻孔过程中同时下放套管，钻孔深度不低于位移测量装置的长度，钻孔完成之后取出钻杆；

4)将位移测量装置顺着套管下放至海床钻孔中，使位移测量装置呈垂直姿态，通过观测数据传输线缆是否呈绷直状态以判断位移测量装置是否垂直；

5)采用工程用砂对钻孔进行填充，并将套管逐渐上拔，使位移测量装置留置在海床内；

6)将位移测量装置的数据传输线缆末端用水密插件密封，并附加浮球使数据传输线缆末端能在水中浮起，将线缆顺着套管丢入水中；

7)将套管完全拔出，从水中打捞起数据传输线缆，并将其与采集密封舱进行连接；

8)将采集密封舱固定于防沉降架中，然后用起吊装置将防沉降架下放至水中海床面坐底；

9)海底观测系统的三轴加速度传感器按照设定的采集频率与采集时长开始进行数据测量；

10)原位观测周期结束之后，将辅助船开回目标点位，对海底观测系统进行打捞；

11)将数据采集装置进行数据读取，从而将海床侧向变形与滑动的信息进行动态输出。

与现有的技术相比，本发明采用一种位移变形测量装置对海床侧向变形与滑动进行观测。利用这种装置与方法可以实现对海床侧向变形与滑动的原位观测，可精确地反映海床土体破坏后的滑动变形过程。所述的供电装置可在水下为位移测量装置与数据采集装置长期供电，为原位观测的长周期性提供条件。本发明中的装置可以进行回收再利用，具有很强的重复利用性，可大大节约观测成本。本发明的位移测量装置具有大量程的测量特征，可以捕捉记录变形较大的海床土体滑移过程。已利用本发明在黄河口进行过一次长期原位观测，观测期间成功捕捉到明显的海床侧向变形现象，实践证明本发明是一种简单有效且测试精准的海床侧向变形与滑动观测方法。

附图说明

图1是本发明的辅助船结构示意图。

图2是本发明的海底观测系统的结构示意图。

图3是本发明的位移观测装置的截面图，

其中图3a是纵截面示意图，图3b是横截面示意图。

图4是本发明的海床侧向变形与滑动观测方法的流程框图。

图5是本发明的一次原位观测结果曲线图。

其中，1、辅助船，2、海上钻探装置，3、起吊装置，4、钻杆，5、套管，Ⅰ、位移测量装置，Ⅱ、数据采集密封舱，Ⅲ、防沉降架，6、刚性杆，7、万向节，8、末端端万向节，9、提拉环，10、数据采集装置，11、供电装置，12、固定支架，13、防沉降板，14、镂空圆孔，15、密封插件，16、数据传输线缆，17、防水塑胶套，18、钢丝网套，19、三轴加速度传感器。

具体实施方式

本发明的海床侧向变形与滑动测量装置主要包括：

如图1所示的辅助船1，用于布放和回收海底观测系统，所述控制船1上安装有海上钻探装置2、起吊装置3、钻杆4，套管5，其中海上钻机装置2、钻杆4、套管5组成钻探系统，采用下放套管5钻孔的方式可以避免海床土体坍塌，为下放位移测量装置Ⅰ提供条件；

如图2所示，所述的海底观测系统包括位移测量装置Ⅰ、数据采集密封舱Ⅱ和防沉降架Ⅲ。

位移测量装置Ⅰ是个带数据传输线缆16的杆节组合结构，上述的位移测量装置Ⅰ是由一系列长度为50cm的刚性杆6串联组成，刚性杆6可采用高强度轻质量的高分子聚合物材料，刚性杆6为空心管，供三轴加速度传感器19的数据传输线从中穿过。上述的刚性杆6与刚性杆6之间通过节点7连接，刚性杆6可绕节点7进行弯曲，节点7可采用有一定柔韧性的塑胶材料，内部设有一个三轴加速度传感器19，通过三轴加速度传感器19的姿态变化可计算出各个节点的位移偏量。在靠近线缆端的节点8还附加有一个用于处理三轴加速度传感器信号的微处理器和用于测量温度变化的温度传感器。在所述的位移测量装置Ⅰ靠近线缆端附有提拉环9，用于位移测量装置的回收上拔。

数据采集密封舱Ⅱ是圆柱体空腔，可采用不锈钢材料加工，内设有用于采集并存储数据的数据采集装置10以及供电装置11；

防沉降架Ⅲ是由固定支架12和防沉降板13组成，均可采用不锈钢材料加工，可在防沉降架Ⅲ表面喷漆防止海水腐蚀，防沉降板13上设有若干个镂空圆孔14，目的是为减轻重量以及打捞回收时减轻海床对防沉降板13的粘滞阻力；

上述的数据采集密封舱Ⅱ固定在上述的固定支架12上，且通过密封插件15连接上述位移测量装置Ⅰ的数据传输线缆16。

如图3所示，刚性杆6与刚性杆6之间由一个节点7相连接，节点7内附加一个三轴加速度传感器19，三轴加速度传感器19固定在其中一根刚性杆杆端，随刚性杆保持一致的角度变化。所述的位移测量装置Ⅰ外由两层保护套包裹，内层保护套是柔性的防水塑胶套17，外层保护套是高强度钢丝网套18。

本发明的海床侧向变形与滑动观测方法主要包括：

利用辅助船对目标点位进行钻孔布放海底观测系统，通过海底观测系统中的位移观测装置对海床侧向变形与滑动进行观测记录，原位观测周期结束后进行打捞回收，通过分析数据可获得海床土体的变形量、变形过程。

下面结合图4对本实施例的步骤做如下说明：

1)将数据采集装置10进行采集频率与采集时长的设置，然后安装入采集密封舱Ⅱ进行密封；

2)利用辅助船的GPS定位系统将辅助船1开到目标点位，并抛锚、下桩使船体保持平稳状态；

3)使用辅助船1上的海上钻机装置2对目标点位的海床钻孔，钻孔过程中同时下放套管5，钻孔深度不低于位移测量装置I的长度，钻孔完成之后取出钻杆4；

4)将位移测量装置Ⅰ顺着套管5下放至海床钻孔中，使位移测量装置Ⅰ呈垂直姿态，通过观测数据传输线缆16是否呈绷直状态以判断位移测量装置Ⅰ是否垂直；

5)采用工程用砂对钻孔进行填充，并将套管5逐渐上拔，使位移测量装置Ⅰ留置在海床内；

6)将位移测量装置Ⅰ的数据传输线缆16末端用水密插件15密封，并附加浮球使数据传输线缆16末端能在水中浮起，将线缆顺着套管5丢入水中；

7)将套管5完全拔出，从水中打捞起数据传输线缆16，并将其与采集密封舱Ⅱ进行连接；

8)将采集密封舱Ⅱ固定于防沉降架Ⅲ中，然后用起吊装置3将防沉降架Ⅲ下放至水中海床面坐底；

9)海底观测系统的三轴加速度传感器19按照设定的采集频率与采集时长开始进行数据测量；

10)原位观测周期结束之后，将辅助船1开回目标点位，对海底观测系统进行打捞；

11)将数据采集装置10进行数据读取，从而将海床侧向变形与滑动的信息进行动态输出。

对上述数据采集装置内的数据进行处理的方法，如下：

位移测量装置Ⅰ的各个万向节7内部的三轴加速度传感器19通过检测重力场，得出刚性空心杆6与X、Y、Z轴各个轴向的夹角：θ_xn、θ_yn、θ_zn，已知刚性空心杆6和万向节7的总长度L，可以计算出各个万向节7处的坐标：

$\left(\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Lcos\θ}}_{xn}\underset{,k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Lcos\θ}}_{yn}\underset{,k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Lcos\θ}}_{zn}\right);$

当位移测量装置Ⅰ发生位移变形时，各个万向节7处的坐标也会随之变化，通过计算各个万向节7的坐标差可以得出相对应的万向节7处变形位移量。

实验结果

附图5是上述实施例的方法在水深7m处，海底沉积物6m范围内的土体侧向变形与滑动观测结果图。

观测位置选在黄河口埕岛海域，海床平均坡度为7-8°的坡顶位置。观测周期达129天，处于春冬季，属风暴潮多发期。该观测装置于2015年2月7日捕捉记录到一次强风浪海况引起的海床破坏滑移，当天的有效波高最高达3m。如图5中所示海床侧向变形位移于当天发生较大增量，第一个节点埋置深度为1.23m，该处的位移偏量达13mm，随海床深度的增加，波浪作用对海床的影响逐渐减小，直接反映在土体侧向变形位移量随深度递减。由曲线可知，此次强风浪海况对海床的影响深度达3m，3m以下的土体位移量变化不明显。

由以上分析可以清楚看出，根据本发明的海床侧向变形与滑动观测方法能够有效地观测到海床侧向变形位移量，如1.23m处的位移偏移量13mm，其测试精度和可靠性均有据可依，为海床侧向变形与滑动观测提供了新的思路与方法。

由于在海底土体侧向变形与滑动原位观测技术领域，我国目前仍然没有拥有自己独立知识产权的技术和设备，这也一直是关于海底滑坡原位观测的技术难题，本发明将填补这一空缺，推动我国海洋工程地质灾害防治的发展进程，保障海底管线、港口、海洋基础设施等的安全生产，具有很强的应用价值。

Claims (7)

1.海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于包括用于布放和回收的辅助船(1)以及海底观测系统，所述辅助船(1)上安装有海上钻机装置(2)、起吊装置(3)、钻杆(4)以及套管(5)，

所述的海底观测系统包括位移测量装置(Ⅰ)、数据采集密封舱(Ⅱ)和防沉降架(Ⅲ)；

所述的位移测量装置(Ⅰ)由一系列具有固定长度的刚性空心杆(6)串联组成，最前端的一个刚性空心杆(6)前部设有锥头，且相邻两个刚性空心杆(6)之间通过万向节(7)连接，每个万向节(7)内部设有一个三轴加速度传感器(19)，所述三轴加速度传感器(19)的数据传输线从刚性空心杆(6)中穿过，通过三轴加速度传感器(19)的姿态变化以计算出各个节点的位移偏量；在末端万向节(8)内还附加有一个用于处理三轴加速度传感器信号的微处理器和用于测量温度变化的温度传感器，各个三轴加速度传感器(19)以及微处理器和温度传感器的数据传输线均通过位移测量装置(Ⅰ)末端的数据传输线缆(16)与所述的数据采集密封舱(Ⅱ)连接；

所述的数据采集密封舱(Ⅱ)内部设有用于采集和存储数据的数据采集装置(10)以及电源(11)。

所述的防沉降架(Ⅲ)是由防沉降板(13)和安装在防沉降板(13)上的密封舱固定支架(12)组成。

2.如权利要求1所述的海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于每个万向节(7)内部的三轴加速度传感器(19)通过支架而固定在位于其前端的一根刚性空心杆(6)的杆端，而使各个三轴加速度传感器(19)随其前端的刚性空心杆(6)保持一致的角度变化。

3.如权利要求1所述的海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于所述的位移测量装置(Ⅰ)的万向节(7)与刚性空心杆(6)外表面由两层保护套包裹，其中内层保护套是柔性的防水塑胶套(17)，外层保护套是高强度钢丝网套(18)。

4.如权利要求1所述的海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于在最后一个刚性空心杆(6)的末端有提拉环(9)，用于整个位移测量装置的回收上拔。

5.如权利要求1所述的海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于上述数据传输线缆(16)通过密封插件(15)与数据采集密封舱(Ⅱ)连接。

6.如权利要求1所述的海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于上述防沉降架(Ⅲ)表面喷漆防止海水腐蚀，且防沉降板(13)上设有若干个镂空圆孔(14)以减轻重量以及打捞回收时减轻海床对防沉降板(13)的粘滞阻力。

7.利用权利要求1所述的装置对海床侧向变形与滑动进行观测时的布放与回收方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将数据采集装置(10)进行采集频率与采集时长的设置，然后安装入数据采集密封舱(Ⅱ)进行密封；

2)利用辅助船的GPS定位系统将辅助船(1)开到目标点位，并抛锚、下桩使船体保持平稳状态；

3)使用辅助船(1)上的海上钻机装置(2)对目标点位的海床钻孔，钻孔过程中同时下放套管(5)，钻孔深度不低于位移测量装置(I)的长度，钻孔完成之后取出钻杆(4)；

4)将位移测量装置(Ⅰ)顺着套管(5)下放至海床钻孔中，使位移测量装置(Ⅰ)呈垂直姿态，通过观测数据传输线缆(16)是否呈绷直状态以判断位移测量装置(Ⅰ)是否垂直；

5)采用工程用砂对钻孔进行填充，并将套管(5)逐渐上拔，使位移测量装置(Ⅰ)留置在海床内；

6)将位移测量装置(Ⅰ)的数据传输线缆(16)末端用水密插件(15)密封，并附加浮球使数据传输线缆(16)末端能在水中浮起，将线缆顺着套管(5)丢入水中；

7)将套管(5)完全拔出，从水中打捞起数据传输线缆(16)，并将其与数据采集密封舱(Ⅱ)进行连接；

8)将数据采集密封舱(Ⅱ)固定于防沉降架(Ⅲ)中，然后用起吊装置(3)将防沉降架(Ⅲ)下放至水中海床面坐底；

9)海底观测系统的三轴加速度传感器(19)按照设定的采集频率与采集时长开始进行数据测量；

10)原位观测周期结束之后，将辅助船(1)开回目标点位，对海底观测系统进行打捞；

11)将数据采集装置(10)进行数据读取，从而将海床侧向变形与滑动的信息进行动态输出。