CN109798868B - 三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，包括空心探杆，探杆一侧间隔开有观测片推出孔，内部为每个观测片推出孔对应安装一套沉降观测潜标，潜标包括固定片、沉降观测片和推片，固定片为弧形结构，下端固定在观测片推出孔下边缘，上端固定在探杆内壁，沉降观测片和推片通过滑块在固定片上自由移动；每个沉降观测片均配一不锈钢丝，其下端与沉降观测片上缘相连后，依次穿过推片的下缘开孔和底面开孔，再自上而下穿过导线孔、自下而上穿过导环、自下而上穿过集线孔；观测时钢丝上端拉紧后与探杆顶部对应的位移传感器相连。本发明能减小对观测土体的扰动，实时、精确地对自然状态下三角洲沉积体的固结沉降量进行分层观测，实现了长期不间断数据采集。

Description

三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置及方法，不仅可以实现陆域三角洲沉积体沉降特征的原位分层观测，更可以实现对水下三角洲沉积体沉降特征的原位分层观测，并对地形高度变化进行观测，尤其适合大河三角洲地区沉积物在快速堆积后的固结沉降过程和相应的地形变化观测，通过该装置可以准确测定不同沉积层的固结沉降量和沉积体固结沉降量对地形变化的贡献率。

背景技术

地面沉降普遍发生在世界上的许多地区，特别是沿海低洼和三角洲区域，地面沉降现象更为突出。陆域地面沉降会引起高速公路塌陷断裂、建筑物裂缝倒塌等，海底地面沉降则会导致海洋工程设计高度不够、海上平台失稳、海底管道破裂等。随着全球气候变化引起的绝对海平面不断上升，海底地面沉降在相对海平面上升中的作用也逐渐凸显，另外，考虑海底土体固结沉降也是准确预测和评估水动力作用下冲淤环境演变的关键因素。

大河三角洲是由河流携带泥沙在河口区不断淤积形成，形成时间短、沉积物结构松散，其中的黏性土层及下伏海相沉积层在自重应力和上附应力的作用下会发生压实固结作用，压实性沉降明显，因此沉积体固结沉降在三角洲的形成期及之后的几十年内对地面沉降起着关键性作用。以黄河三角洲为例，由于地面沉降导致的沿岸水准点失效，使水深资料出现错误，导致多个平台导管架出现设计标高与实际水深不符、海岸防护工程设计高度不够等问题，产生了巨大的经济损失，三角洲沉积体固结沉降研究关系到海洋工程与海上生产的安全，意义重大。

与陆上三角洲可以采用多种观测方法进行地面沉降监测的现状相比，水下三角洲地形变化受水动力作用下的冲淤、土体固结沉降等因素的影响，不能直接进行观测，对水下三角洲固结沉降的相关研究很少，相应的现场沉积物固结沉降分层实时监测设备和方法更少。因此，有必要研制一种用于三角洲等快速堆积区沉积物固结沉降特征的原位分层观测装置。

CN201310338686、CN20310651342、CN201710198046、CN201710787646公布了应用于不同领域的土体沉降分层观测装置或方法，但其共同特点是在所监测土体上钻一直径合适的测量孔，测量孔内置入空心管，空心管和测量孔之间设置若干个分层标后，用不同材质的材料向测量孔和空心管之间的间隙进行回填，填满后进行土体分层沉降观测，这些土体沉降观测设备或方法存在若干问题，例如：在沉积物结构松散、塑性差的三角洲沉积体上钻取测量孔，并在测量孔内置入空心管的过程中，周边沉积物容易发生坍塌、液化等，从而导致观测结果与实际情况不符，甚至会发生因测量孔坍塌而导致的空心管完全放不到测量孔内的状况。

因此，根据现代大型河口三角洲沉积特征，设计一种能够适应大河三角洲快速堆积沉积物特性的三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，尽可能的减小对观测土体的扰动，实时、精确的对自然状态下三角洲沉积体的固结沉降速率、沉降量等进行分层观测，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置及方法，以解决目前土体沉降分层观测存在的诸多弊端或不足，填补三角洲沉积物固结沉降原位分层实时观测的空白。

一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，其特征在于该装置包括底端带有锥尖的空心管状结构的探杆，探杆一侧间隔开有观测片推出孔，观测片推出孔是开在探杆侧面外周上的一段弧形开孔，所述弧形开孔为探杆横截圆面的外周的一段，在探杆内部为每个观测片推出孔对应安装一套沉降观测潜标；沉降观测潜标包括固定片、沉降观测片和推片，所述固定片为弧形结构，其中固定片下端固定在观测片推出孔的下边缘，上端固定在探杆的内壁、观测片推出孔对侧上方的位置，固定片下底面的上端与探杆内壁之间设有一导环，固定片上表面的中间、沿弧形方向开有一条截面呈“凸”字形状的“凸”形槽，在“凸”形槽的下端、靠近观测片推出孔的位置开有一导线孔；沉降观测片和推片的下底面中间设有若干“凸”字形滑块，所述滑块安装于上述“凸”形槽中，在外力作用下可以在“凸”形槽中自由移动，推片位于沉降观测片的斜上方；所述沉降观测片为弹性片，当其滑块卡在“凸”形槽中时，沉降观测片的弯曲弧度与固定片的弧度一致，当将位于推片斜下方的沉降观测片推出观测片推出孔时，推出部分自然变为平直，完全推出时，沉降观测片水平插入探杆外的沉积物中；所述推片的下缘中部开有一沿长度方向的下缘开孔，推片的下底面设有一个与上述下缘开孔相通的底面开孔；探杆的顶部装有监测支架，所述监测支架的下部为固定环、上部为设备安装平台，固定环与设备安装平台之间由多根支撑杆连接，支撑杆的长度以能够保证设备安装平台一直在海面以上为准；通过固定环将该监测支架安装在探杆顶部；固定环上设有一轴向且与探杆内腔相通的集线孔，且集线孔与所述导环位于同一轴线上，在设备安装平台的下底面、集线孔的正上方装有若干个位移传感器，数量与沉降观测片一致；每个沉降观测片均配有一根不锈钢丝，不锈钢丝下端与沉降观测片上缘相连后，依次穿过推片的下缘开孔和底面开孔，在自上而下穿过导线孔、自下而上穿过导环、自下而上穿过集线孔；进行观测时，不锈钢丝上端拉紧后与对应的位移传感器相连。

所述设备安装平台的上表面还安装有电池仓、数据采集模块、数据传输模块和太阳能电池板。

当其应用于浅海海底沉积体固结沉降特征监测时，其特征在于该装置还包括测距仪，所述测距仪固定在探杆上部外侧面，可以实现对海底沉积物固结沉降占海底地形变化比例的实时观测。

所述探杆上部外侧面设有一卡环，卡环上设有一横杆，所述的测距仪固定在该横杆上。

所述探杆为拼接式探杆，根据所需观测的沉积体厚度、上覆水深和潮汐特征等确定所需探杆长度，进而进行拼接组装。

所述沉降观测片靠近推片的上边缘为直线结构，靠近观测片推出孔的下边缘为弧形结构，且下边缘弧度与观测片推出孔外侧弧度一致。

所述观测片推出孔的下方正中还开有一个与“凸”形槽横截面大小一致的开孔，以利于沉降观测片的推出。

显然，本发明结构合理，能够尽可能的减小对观测土体的扰动，实时、精确地对自然状态下三角洲沉积体的固结沉降量进行分层观测，同时，该设备可以实时将不同沉积层土体的固结沉降量发送给科研人员，避免了现场数据采集的人力资源浪费，实现了长时间、不间断的数据采集，这些优点在以往的沉积物固结沉降分层观测设备上是实现不了的。

附图说明

图1是本发明的外部结构示意图。

图2是本发明的剖示图。

图3是沉降观测潜标的结构示意图。

图4是本发明进行沉降监测时上半部分的结构示意图。

图5是测距仪7及其附属配件的结构示意图。

图6是监测支架8的结构示意图。

图7是不锈钢丝10的连接及穿线示意图。

其中，1、探杆，2、观测片推出孔，3、固定片，4、沉降观测片，5、推片，6、导环，7、测距仪，8、监测支架，9、位移传感器，10、不锈钢丝，11、集线孔，12、电池仓，13、数据采集模块，14、数据传输模块，15、太阳能电池板，31、“凸”形槽，32、导线孔，71、横杆，72、卡环，81、固定环，82、支撑杆，83、设备安装平台。

具体实施方式

一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，

如图1、4、6所示，其特征在于该装置包括底端带有锥尖的空心管状结构探杆1，探杆1一侧间隔开有观测片推出孔2，观测片推出孔2是开在探杆1侧面外周上的一段弧形开孔，探杆1的顶部装有监测支架8，所述监测支架8的下部为固定环81、上部为设备安装平台83，固定环81与设备安装平台83之间由多根支撑杆82连接，支撑杆82的长度能够保证设备安装平台83一直在海面以上；通过固定环81将该监测支架8安装在探杆1顶部；固定环81上设有一轴向且与探杆1内腔相通的集线孔11，且集线孔11与导环6位于同一轴线上，在设备安装平台83的下底面、集线孔11的正上方装有若干个位移传感器9，所述设备安装平台83的上表面还安装有电池仓12、数据采集模块13、数据传输模块14和太阳能电池板15。

如图2、3、7所示，在探杆1每个观测片推出孔2处对应安装一套沉降观测潜标；沉降观测潜标包括固定片3、沉降观测片4和推片5，所述固定片3为弧形结构，固定片3下端固定在观测片推出孔2的下边缘，上端固定在探杆1的内壁、观测片推出孔2对侧上方的位置，固定片3下底面的上端与探杆1内壁之间设有一导环6，固定片3上表面的中间、沿弧形方向开有一条“凸”形槽31，在“凸”形槽31的下端、靠近观测片推出孔2的位置开有一导线孔32；沉降观测片4和推片5的下底面中间设有“凸”字形滑块，所述滑块卡在上述“凸”形槽31中，在外力作用下可以在“凸”形槽31中自由移动，推片5位于沉降观测片4的斜上方；所述沉降观测片4为弹性片，当其滑块卡在“凸”形槽31中时，沉降观测片4的弯曲弧度与固定片3的弧度一致，当将位于推片5斜下方的沉降观测片4推出观测片推出孔2时，推出部分自然变为平直，完全推出时，沉降观测片4水平插入探杆1外的沉积物中；推片5的下缘中部开有一沿长度方向的下缘开孔，推片5的下底面设有一个与上述下缘开孔相通的底面开孔；沉降观测片4靠近推片5的上边缘为直线结构，靠近观测片推出孔2的下边缘为弧形结构，且下边缘弧度与观测片推出孔2外侧弧度一致。

如图1、5所示，当该装置应用于浅海海底沉积体固结沉降特征监测时，其特征在于该装置还包括测距仪7，所述探杆1上部外侧面设有一卡环72，卡环72上设有一横杆71，所述的测距仪7固定在该横杆71上，可以实现对海底沉积物固结沉降占海底地形变化比例的实时观测。

如图7所示，每个沉降观测片4均配有一根不锈钢丝10，不锈钢丝10下端与沉降观测片4上缘相连后，依次穿过推片5的下缘开孔和底面开孔、固定片3下端的导线孔32、固定片3与探杆1内壁之间的导环6、集线孔11；进行观测时，不锈钢丝10上端拉紧后与对应的位移传感器9相连。

以本发明所述装置进行水下三角洲沉积体固结沉降特征的观测为例，三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置的工作过程如下：

(1)调整探杆1的长度使之满足所需的观测深度，将数量与沉降观测片4相同的不锈钢丝10下端与沉降观测片4上缘相连后，依次穿过推片5的下缘开孔和底面开孔、导线孔32、导环6、集线孔11后，上端简单固定，保证不锈钢丝10的上端不从集线孔11中脱出；

(2)为保证探杆1进入沉积体时，泥沙不会进入观测片推出孔2，从而妨碍沉降观测片4的推出，安装时，所述沉降观测片4的下边缘与观测片推出孔2外侧应处于重合状态；

(3)利用机械装置将探杆1压入沉积体中，依次用力拉拽不锈钢丝10，使其底端对应的推片5将沉降观测片4推出探杆1，并水平插入探杆1外的沉积物中；

(4)利用卡环72将测距仪7安装到设定的初始离底高度；

(5)再将电池仓12、数据采集模块13、数据传输模块14以及所需数量的位移传感器9集成到监测支架8上，将监测支架8安装到探杆1的顶端，并保证位移传感器9位于集线孔11的正上方；

(6)将不锈钢丝10依次拉紧后，上端与相应的位移传感器9相连；

(7)设定分层固结沉降数据和测距仪7离底高度的采集和发送间隔，三角洲沉积体固结沉降特征原位实时分层观测开始；

(8)到达预定的固结沉降量或观测时间后，将不锈钢丝10与位移传感器9断开连接，拆除监测支架8，利用吊机将整个设备从沉积物中取出，并对装置进行清洁、保养和存放。

Claims (8)

1.一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，其特征在于该装置包括底端带有锥尖的空心管状结构的探杆（1），探杆（1）一侧间隔开有观测片推出孔（2），观测片推出孔（2）是开在探杆（1）侧面外周上的一段弧形开孔，所述弧形开孔为探杆（1）横截圆面的外周的一段，在探杆（1）内部为每个观测片推出孔（2）对应安装一套沉降观测潜标；沉降观测潜标包括固定片（3）、沉降观测片（4）和推片（5），所述固定片（3）为弧形结构，其中固定片（3）下端固定在观测片推出孔（2）的下边缘，上端固定在探杆（1）的内壁、观测片推出孔（2）对侧上方的位置，固定片（3）下底面的上端与探杆（1）内壁之间设有一导环（6），固定片（3）上表面的中间、沿弧形方向开有一条截面呈“凸”字形状的“凸”形槽（31），在“凸”形槽（31）的下端、靠近观测片推出孔（2）的位置开有一导线孔（32）；沉降观测片（4）和推片（5）位于固定片（3）的上表面，沉降观测片（4）和推片（5）的下底面中间设有“凸”字形滑块，所述滑块安装于上述“凸”形槽（31）中，在外力作用下可以在“凸”形槽（31）中自由移动，推片（5）为弧度与固定片（3）相同的弧形结构，且位于沉降观测片（4）的斜上方；所述沉降观测片（4）为弹性片，当其滑块卡在“凸”形槽（31）中时，沉降观测片（4）的弯曲弧度与固定片（3）的弧度一致，当将位于推片（5）斜下方的沉降观测片（4）推出观测片推出孔（2）时，推出部分自然变为平直，完全推出时，沉降观测片（4）水平插入探杆（1）外的沉积物中；所述推片（5）的下缘中部开有一沿长度方向的下缘开孔，推片（5）的下底面设有一个与上述下缘开孔相通的底面开孔；探杆（1）的顶部装有监测支架（8），所述监测支架（8）的下部为固定环（81）、上部为设备安装平台（83），固定环（81）与设备安装平台（83）之间由多根支撑杆（82）连接，支撑杆（82）的长度以能够保证设备安装平台（83）一直在海面以上为准；通过固定环（81）将该监测支架（8）安装在探杆（1）顶部；固定环（81）上设有一轴向且与探杆（1）内腔相通的集线孔（11），且集线孔（11）与所述导环（6）位于同一轴线上，在设备安装平台（83）的下底面、集线孔（11）的正上方装有若干个位移传感器（9），数量与沉降观测片（4）一致；每个沉降观测片（4）均配有一根不锈钢丝（10），不锈钢丝（10）下端与沉降观测片（4）上缘相连后，依次穿过推片（5）的下缘开孔和底面开孔，再自上而下穿过导线孔（32）、自下而上穿过导环（6）、自下而上穿过集线孔（11）；进行观测时，不锈钢丝（10）上端拉紧后与对应的位移传感器（9）相连。

2.如权利要求1所述的一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，其特征在于所述设备安装平台（83）的上表面还安装有电池仓（12）、数据采集模块（13）、数据传输模块（14）和太阳能电池板（15）。

3.如权利要求1所述的一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，当其应用于浅海海底沉积体固结沉降特征监测时，其特征在于该装置还包括测距仪（7），所述测距仪（7）固定在探杆（1）上部外侧面，可以实现对海底沉积物固结沉降占海底地形变化比例的实时观测。

4.如权利要求3所述的一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，其特征在于所述探杆（1）上部外侧面设有一卡环（72），卡环（72）上设有一横杆（71），所述的测距仪（7）固定在该横杆（71）上。

5.如权利要求1所述的一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，其特征在于所述探杆（1）为拼接式探杆，根据所需观测的沉积体厚度、上覆水深和潮汐特征等确定所需探杆长度，进而进行拼接组装。

6.如权利要求1所述的一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，其特征在于所述沉降观测片（4）靠近推片（5）的上边缘为直线结构，靠近观测片推出孔（2）的下边缘为弧形结构，且下边缘弧度与观测片推出孔（2）外侧弧度一致。

7.如权利要求1所述的一种三角洲沉积体固结沉降原位分层观测装置，其特征在于所述观测片推出孔（2）的下方正中还开有一个与“凸”形槽（31）横截面大小一致的开孔，以利于沉降观测片（4）的推出。

8.利用权利要求1所述装置原位观测三角洲沉积体分层固结沉降的方法，其特征是包括以下步骤：

1）调整探杆（1）的长度使之满足所需的观测深度，将数量与沉降观测片（4）相同的不锈钢丝（10）下端与沉降观测片（4）上缘相连后，依次穿过推片（5）的下缘开孔和底面开孔、导线孔（32）、导环（6）、集线孔（11）后，上端简单固定，保证不锈钢丝（10）的上端不从集线孔（11）中脱出；

2）为保证探杆（1）进入沉积体时，泥沙不会进入观测片推出孔（2），从而妨碍沉降观测片（4）的推出，安装时，所述沉降观测片（4）的下边缘与观测片推出孔（2）外侧应处于重合状态；

3）利用机械装置将探杆（1）压入沉积体中，依次用力拉拽不锈钢丝（10），使其底端对应的推片（5）将沉降观测片（4）推出探杆（1），将观测沉降片（4）水平插入探杆（1）外的沉积物中；

4）利用卡环（72）将测距仪（7）安装到设定的初始离底高度处；

5）再将电池仓（12）、数据采集模块（13）、数据传输模块（14）以及所需数量的位移传感器（9）集成到监测支架（8）上，将监测支架（8）安装到探杆（1）的顶端，并保证位移传感器（9）位于集线孔（11）的正上方；

6）将不锈钢丝（10）依次拉紧后，上端与相应的位移传感器（9）相连；

7）设定分层固结沉降数据和测距仪（7）离底高度数据的采集和发送间隔，三角洲沉积体固结沉降特征原位实时分层观测开始；

8）到达预定的固结沉降量或观测时间后，将不锈钢丝（10）与位移传感器（9）断开连接，拆除监测支架（8），利用吊机将整个设备从沉积物中取出，并对装置进行清洁、保养和存放。