CN105716781A - 基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法 - Google Patents

基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法，包括液化振动装置、孔隙水压力观测系统。其原理在于布放过程中通过液化振动装置使海床土体发生局部液化，液化的海床土体失去强度，孔隙水压力观测系统在自重作用下布放至指定深度；其方法包括：孔隙水压力原位观测装置由辅助船载到目标观测点；安装、布防液化振动装置和孔隙水压力观测系统至海床面；通过液化振动装置将孔隙水压力观测系统布放至指定深度，实现对海床孔隙水压力的长期原位观测。孔隙水压力观测系统由一系列的孔隙水压力传感器组成，可实现对海床不同深度处孔隙水压力的持续观测。本发明布放操作步骤简单，费用低廉，适合对滩浅海地区孔压进行原位观测。

Description

基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法
技术领域
本发明涉及一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法，属于海洋观测技术领域和海洋工程地质领域。
背景技术
在波浪动力作用下海床沉积物内部孔隙水压力不断地发生动态变化，孔隙水压力的动态累积会导致海床沉积物有效正应力下降，容易导致海床液化及海床侧向变形甚至诱发海底滑坡。孔隙水压力原位观测能够有效的反映海底动力地质过程，对于研究海床沉积物在波浪等水动力作用下的动态响应具有重要意义，同时对于地质灾害的有效预测防治起到重要的作用。
在滩浅海进行海床孔隙水压力(以下简称孔压)原位测试中，会遇到孔压计安装、布放等问题，孔压计的安装、布放方法会对实际孔压产生不同程度的影响。在滩浅海地区进行孔压原位观测时，孔压计的埋设方法一般采用钻孔法、静力压入法和钻孔压入法。在实际布放过程中，钻孔法要求孔隙水压力观测系统布放过程中提供钻机，使得孔隙水压力观测成本增高，同时采用钻孔埋设法，通常需要跟进套管或进行泥浆护壁，以避免成孔过程中出现缩孔或坍塌，这种方法操作繁琐；静力压入法往往需要提供巨大的反压，使得布放操作复杂，不能保证探头在土中保持竖直姿态，同时伴有一定的安全隐患。
发明内容
本发明针对现有技术的不足或缺陷，提供一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法，实现对海床孔隙水压力的长期原位观测。
一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置，其特征在于海床孔隙水压力的观测基于振动液化原理，可以实现对液化海床固结过程以及波浪等水动力下海床孔隙水压力的观测；
所述观测装置包括液化振动装置、孔隙水压力观测系统；
所述液化振动装置包括振动箱和活塞振动系统，振动箱为圆筒形结构，振动箱底部边缘设有防沉降圆盘，防沉降圆盘表面开有一系列排水孔用于释放防沉降圆盘与海床面接触形成的吸力；所述振动箱中间贯穿一根内部中空的护筒，护筒上下两端开口、用于布放过程中保护孔隙水压力观测系统；所述的振动箱底部和护筒之间用透水的柔性材料相连，布放过程中海水通过透水的柔性材料进出振动箱，柔性材料用来传递振动箱中产生的振动压力同时防止海床沉积物进入振动箱；
所述的活塞振动系统包括连接杆、偏心圆盘、振动活塞以及电机；所述电机固定在振动箱内部，所述振动活塞套置在所述护筒外部，其中电机为偏心圆盘的旋转提供动力，从而使偏心圆盘通过连接杆带动振动活塞上下振动；所述振动活塞为一刚性圆盘，且直径小于振动箱的内径以便于振动过程中振动箱内水体流动。
振动活塞上下振动拍击振动活塞下部水体，在海床面形成循环往复的正反压力作用，在这种应力循环作用下海床沉积物逐渐液化；
所述液化振动装置上端连接布放缆，所述电机供电控制线缆与布放缆固定在一起，布放缆作为持力缆与起吊装置相连完成装置的布放；
所述孔隙水压力观测系统包括孔隙水压力观测探杆，孔隙水压力观测探杆内部设有孔隙水压力采集舱、孔隙水压力传感器、顶部设有浮体并连接孔压布放缆。
所述孔隙水压力观测系统可采用现有技术，本发明中探杆总长度为160cm，内部设有5个孔隙水压力传感器，各传感器之间相距25cm；采集舱设置在探杆底部，用于提供电量和数据采集；探杆下端设有锥头，浮体与下端锥头形成一个下重上轻的结构，在布放过程中可确保观测系统始终处于竖直姿态。
利用上述的装置对滩浅海孔隙水压力原位观测的方法，其特征在于依次包括装置的布放步骤、原位观测步骤与转装置的回收步骤，其中所述的布放步骤如下：
1)将孔隙水压力采集舱进行采集频率和采集时长的设置，然后装入孔隙水压力观测探杆内部；
将所述装置搭载于辅助船上，所述的辅助船上设有用于布放的辅助支架、水上控制系统以及起吊装置，所述辅助支架可以通过调节支架底座，调整辅助支架的水平位置；
2)将辅助船开到目标观测点，用起吊装置分别通过布放缆和孔压布放缆将液化振动装置和孔隙水压力观测系统放到海床表面；
3)将布放缆固定在辅助支架上，调整辅助支架底座，使布放缆处于竖直状态；
4)将孔压布放缆跨过辅助支架的滑轮，使孔压布放缆处于拉紧且不受力状态；
5)将电机供电控制线缆与控制系统相连，通过控制系统设定电机的转动频率，打开控制系统上的电源开关使电机开始工作；
6)待海床沉积物液化后孔隙水压力观测系统会自动下沉到海床中，根据孔压布放缆下放长度确定孔隙水压力观测系统是否达到布放深度；待达到布放深度后，关闭电源开关使电机停止工作；
7)静置1到2小时后使液化海床固结后，将布放缆连接吊车吊勾，缓慢上提布放缆同时下放孔压布放缆；待液化振动装置提升出海面后，将孔压布放缆穿过护筒，将孔压布放缆的另一端与浮球相连后放入海中；或者将孔压布放缆的另一端与浮球相连、并将孔压布放缆的中段与配重相连后放于海水中；从而完成孔隙水压力观测系统的布放；并用淡水清洗回收至辅助船的液化振动装置；
所述的原位观测步骤是在上述步骤7)完成之后进行以下步骤：
8)孔隙水压力观测系统布放完成后开始按照设定的采集频率与采集时长进行孔隙水压力数据采集，实现对布放期间液化海床固结过程中孔隙水压力变化的采集，同时实现对后期水动力作用下海床孔压变化的采集；
所述的回收步骤是在上述步骤8)完成之后进行以下步骤：
9)原位观测周期结束之后，辅助船根据浮球位置确定观测目标点位，对海底孔隙水压力观测系统进行打捞；
10)将回收后的海底孔隙水压力观测系统内的数据采集舱进行数据读取，从而将观测期间海床沉积的孔隙水压力变化进行输出；
11)用淡水清洗海底孔隙水压力观测系统，完成海床孔隙水压力原位观测的回收。
上述布放过程中，孔压布放缆与孔隙水压力观测系统相连并穿过护筒；布放时保持孔压缆竖直且不受力，海床振荡液化后孔隙水压力观测系统逐渐下沉，通过测量孔压布放缆下放长度来确定是否达到下放深度。
与现有的技术相比，本发明提供一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置及方法，利用该装置可以实现对液化海床固结过程中孔隙水压力消散过程的观测以及波浪等水动力下海床孔隙水压力响应的长期观测。对于研究海床固结及其在波浪动力作用下的响应具有重要意义。所述的液化振动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。通过所述水上控制系统调节振动系统的振动频率可实现不同海床条件下孔隙水压力观测系统的布放。所述孔隙水压力观测系统由一系列孔隙水压力传感器组成，可实现对海床不同深度处孔隙水压力的持续观测。本发明布放操作步骤简单，费用低廉，适合对滩浅海地区孔压进行原位观测。
附图说明
图1是本发明的液化振动装置与孔隙水压力观测系统结构示意图。
其中，图1a为正视图，图1b为侧视图。
图2为本发明的液化振动装置结构示意图。
图3是本发明的孔隙水压力观测系统的结构示意图。
图4是辅助船示意图。
图5是本发明的观测装置布放示意图。
其中，图5a孔隙水压力观测系统的布放过程图，
图5b为两种孔隙水压力观测系统的姿态图；
图6是本发明基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置及方的流程框图。
其中，Ⅰ、液化振动装置，Ⅱ、孔隙水压力观测系统，用于布放和回收的Ⅲ辅助船；1、振动箱，2、连接杆，3、护筒，4、防沉降圆盘，5、透水的柔性材料，6、偏心圆盘，7、振动活塞，8、电机，9、布放缆，10、孔隙水压力观测探杆，11、孔隙水压力采集舱，12、孔隙水压力传感器，13、浮体，14、孔压布放缆，15、辅助支架，16、水上控制系统，17、起吊装置。
具体实施方式
参见图1a、图1b，一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置。包括液化振动装置Ⅰ和孔隙水压力观测系统Ⅱ；如图2，所述的液化振动装置Ⅰ包括振动箱1和活塞振动系统；振动箱1为圆筒形结构，底部周边设有防沉降圆盘4，防沉降圆盘4表面开有一系列的排水孔用于释放防沉降圆盘4与海床面接触形成的吸力；振动箱1中间贯穿一根内部中空的护筒3，护筒3上下两端开口，用于布放过程中保护孔隙水压力观测系统Ⅱ；所述液化振动装置Ⅰ的振动箱1底部和护筒3之间用透水的柔性材料5相连，布放过程中海水通过透水的柔性材料5进出振动箱1，柔性材料5用来传递振动箱1中产生的振动压力同时防止海床沉积物进入振动箱1。活塞振动系统包括偏心圆盘6、振动活塞7以及电机8；电机8为偏心圆盘6提供动力，偏心圆盘6通过连接杆2带动振动活塞7上下振动；所述所述振动活塞7为一刚性圆盘，直径稍小于振动箱1的内径便于振动过程中振动箱1内水体流动，振动活塞7上下振动拍击振动活塞7下部水体，在海床面形成循环往复的正反压力作用，在这种应力循环作用下海床沉积物逐渐液化。
图3为所述的孔隙水压力观测系统Ⅱ，包括孔隙水压力观测探杆10，孔隙水压力观测探杆10内部设有孔隙水压力采集舱11、孔隙水压力传感器12、顶部设有浮体13并连接孔压布放缆14；孔隙水压力观测系统Ⅱ总长度为160cm，内部设有5个孔隙水压力传感器12，各传感器之间相距25cm；采集舱11设置在探杆底部，用于提供电量和数据采集；探杆下端设有锥头，浮体13与下端锥头形成一个下重上轻的结构，在布放过程中可确保观测系统Ⅱ始终处于竖直姿态。
本发明的基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法主要包括：
利用辅助船(如图4)对观测目标地点进行定位，基于振动液化原理将孔隙水压力观测系统布放到海床沉积物中，孔隙水压力观测系统对海床沉积物沿深度方向进行持续观测。该装置可实现对布放过程中液化海床固结时孔隙水压力的观测，以及实现对观测期间波浪水动力引起的海床沉积物孔隙水压力的动态变化。
下面结合图5、6对本实施例的步骤做如下说明：
1)将孔隙水压力采集舱(11)进行采集频率和采集时长的设置，然后装入孔隙水压力观测探杆(10)内部；
将所述装置搭载于辅助船(III)上，所述的辅助船(Ⅲ)上设有用于布放的辅助支架(15)、水上控制系统(16)以及起吊装置(17)，所述辅助支架(15)可以通过调节支架底座，调整辅助支架(15)的水平位置；
2)将辅助船(Ⅲ)开到目标观测点，用起吊装置(17)分别通过布放缆(9)和孔压布放缆(14)将液化振动装置(Ⅰ)和孔隙水压力观测系统(Ⅱ)放到海床表面；
3)将布放缆(9)固定在辅助支架(15)上，调整辅助支架(15)底座，使布放缆(9)处于竖直状态；
4)将孔压布放缆(14)跨过辅助支架(15)的滑轮，使孔压布放缆(14)处于拉紧且不受力状态；
5)将电机(8)供电控制线缆与控制系统(16)相连，通过控制系统(16)设定电机(8)的转动频率，打开控制系统(16)上的电源开关使电机(8)开始工作；
6)待海床沉积物液化后孔隙水压力观测系统(Ⅱ)会自动下沉到海床中，根据孔压布放缆(14)下放长度确定孔隙水压力观测系统(Ⅱ)是否达到布放深度；待达到布放深度后，关闭电源开关使电机(8)停止工作；
7)静置1到2小时后使液化海床固结后，将布放缆(9)连接吊车吊勾，缓慢上提布放缆(9)同时下放孔压布放缆(14)；待液化振动装置(Ⅰ)提升出海面后，将孔压布放缆(14)穿过护筒(3)，将孔压布放缆(14)的另一端与浮球相连后放入海中；或者将孔压布放缆(14)的另一端与浮球相连、并将孔压布放缆(14)的中段与配重相连后放于海水中；从而完成孔隙水压力观测系统(Ⅱ)的布放；并用淡水清洗回收至辅助船(III)的液化振动装置(Ⅰ)；
8)孔隙水压力观测系统(Ⅱ)布放完成后开始按照设定的采集频率与采集时长进行孔隙水压力数据采集，实现对布放期间液化海床固结过程中孔隙水压力变化的采集，同时实现对后期水动力作用下海床孔压变化的采集；
9)原位观测周期结束之后，辅助船(Ⅲ)根据浮球位置确定观测目标点位，对海底孔隙水压力观测系统(Ⅱ)进行打捞；
10)将回收后的海底孔隙水压力观测系统(Ⅱ)内的数据采集舱(11)进行数据读取，从而将观测期间海床沉积的孔隙水压力变化进行输出；
11)用淡水清洗海底孔隙水压力观测系统(Ⅱ)，完成海床孔隙水压力原位观测的回收。

Claims (4)

1.一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置，其特征在于所述观测装置包括液化振动装置(Ⅰ)、孔隙水压力观测系统(Ⅱ)；
所述液化振动装置(Ⅰ)包括振动箱(1)和活塞振动系统，振动箱(1)为圆筒形结构，振动箱(1)底部边缘设有防沉降圆盘(4)，防沉降圆盘(4)表面开有一系列排水孔用于释放防沉降圆盘(4)与海床面接触形成的吸力；所述振动箱(1)中间贯穿一根内部中空的护筒(3)，护筒(3)上下两端开口、用于布放过程中保护孔隙水压力观测系统(Ⅱ)；所述的振动箱(1)底部和护筒(3)之间用透水的柔性材料(5)相连，布放过程中海水通过透水的柔性材料(5)进出振动箱(1)，柔性材料(5)用来传递振动箱(1)中产生的振动压力同时防止海床沉积物进入振动箱(1)；
所述的活塞振动系统包括连接杆(2)、偏心圆盘(6)、振动活塞(7)以及电机(8)；所述电机(8)固定在振动箱(1)内部，所述振动活塞(7)套置在所述护筒(3)外部，其中电机(8)为偏心圆盘(6)的旋转提供动力，从而使偏心圆盘(6)通过连接杆(2)带动振动活塞(7)上下振动；所述振动活塞(7)为一刚性圆盘，且直径小于振动箱(1)的内径以便于振动过程中振动箱(1)内水体流动。
振动活塞(7)上下振动拍击振动活塞(7)下部水体，在海床面形成循环往复的正反压力作用，在这种应力循环作用下海床沉积物逐渐液化；
所述液化振动装置(Ⅰ)上端连接布放缆(9)，所述电机(8)供电控制线缆与布放缆(9)固定在一起，布放缆(9)作为持力缆与起吊装置(17)相连完成装置的布放；
所述孔隙水压力观测系统(Ⅱ)包括孔隙水压力观测探杆(10)，孔隙水压力观测探杆(10)内部设有孔隙水压力采集舱(11)、孔隙水压力传感器(12)、顶部设有浮体(13)并连接孔压布放缆(14)。
2.如权利要求1所述的基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置，其特征在于所述孔隙水压力观测系统(Ⅱ)的探杆总长度为160cm，内部设有5个孔隙水压力传感器(12)，各传感器之间相距25cm；采集舱(11)设置在探杆底部，用于提供电量和数据采集；探杆下端设有锥头，浮体(13)与下端锥头形成一个下重上轻的结构，在布放过程中可确保观测系统(Ⅱ)始终处于竖直姿态。
3.利用权利要求1所述的装置对滩浅海孔隙水压力原位观测的方法，其特征在于依次包括装置的布放步骤、原位观测步骤与转装置的回收步骤，其中所述的布放步骤如下：
1)将孔隙水压力采集舱(11)进行采集频率和采集时长的设置，然后装入孔隙水压力观测探杆(10)内部；
将所述装置搭载于辅助船(III)上，所述的辅助船(Ⅲ)上设有用于布放的辅助支架(15)、水上控制系统(16)以及起吊装置(17)，所述辅助支架(15)可以通过调节支架底座，调整辅助支架(15)的水平位置；
2)将辅助船(Ⅲ)开到目标观测点，用起吊装置(17)分别通过布放缆(9)和孔压布放缆(14)将液化振动装置(Ⅰ)和孔隙水压力观测系统(Ⅱ)放到海床表面；
3)将布放缆(9)固定在辅助支架(15)上，调整辅助支架(15)底座，使布放缆(9)处于竖直状态；
4)将孔压布放缆(14)跨过辅助支架(15)的滑轮，使孔压布放缆(14)处于拉紧且不受力状态；
5)将电机(8)供电控制线缆与控制系统(16)相连，通过控制系统(16)设定电机(8)的转动频率，打开控制系统(16)上的电源开关使电机(8)开始工作；
6)待海床沉积物液化后孔隙水压力观测系统(Ⅱ)会自动下沉到海床中，根据孔压布放缆(14)下放长度确定孔隙水压力观测系统(Ⅱ)是否达到布放深度；待达到布放深度后，关闭电源开关使电机(8)停止工作；
7)静置1到2小时后使液化海床固结后，将布放缆(9)连接吊车吊勾，缓慢上提布放缆(9)同时下放孔压布放缆(14)；待液化振动装置(Ⅰ)提升出海面后，将孔压布放缆(14)穿过护筒(3)，将孔压布放缆(14)的另一端与浮球相连后放入海中；或者将孔压布放缆(14)的另一端与浮球相连、并将孔压布放缆(14)的中段与配重相连后放于海水中；从而完成孔隙水压力观测系统(Ⅱ)的布放；并用淡水清洗回收至辅助船(III)的液化振动装置(Ⅰ)；
所述的原位观测步骤是在上述步骤7)完成之后进行以下步骤：
8)孔隙水压力观测系统(Ⅱ)布放完成后开始按照设定的采集频率与采集时长进行孔隙水压力数据采集，实现对布放期间液化海床固结过程中孔隙水压力变化的采集，同时实现对后期水动力作用下海床孔压变化的采集；
所述的回收步骤是在上述步骤8)完成之后进行以下步骤：
9)原位观测周期结束之后，辅助船(Ⅲ)根据浮球位置确定观测目标点位，对海底孔隙水压力观测系统(Ⅱ)进行打捞；
10)将回收后的海底孔隙水压力观测系统(Ⅱ)内的数据采集舱(11)进行数据读取，从而将观测期间海床沉积的孔隙水压力变化进行输出；
11)用淡水清洗海底孔隙水压力观测系统(Ⅱ)，完成海床孔隙水压力原位观测的回收。
4.如权利要求3所述的原位观测方法，其特征在于上述布放过程中，孔压布放缆(14)与孔隙水压力观测系统(Ⅱ)相连并穿过护筒(3)；布放时保持孔压缆(14)竖直且不受力，海床振荡液化后孔隙水压力观测系统(Ⅱ)逐渐下沉，通过测量孔压布放缆(14)下放长度来确定是否达到下放深度。
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