CN111121730A - 适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统与其布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统与其布设方法。本发明建立可简易自制的低成本、易操作的水力桩基系统，既可保证打桩深度，实现海底观测系统的防沉降和稳定性功能，又可在观测系统布设时根据需要进行指定数量和位置的打桩；采用不锈钢管自由拼装手段，搭建仪器布设区和无扰流观测区，实现各类仪器的集成，避免仪器架体对观测空间的扰流影响，仪器布设区可根据用户需求进行调整和搭配；在观测架支脚和底桩顶端之间采用脚盘进行系统固定，不受观测系统自身重量的限制，改进了沉降板的缺点。本发明各组件替换或维修方便，成本低廉，可广泛应用，有效解决底边界层原位观测在全层位、多参数、连续稳定和高成本等方面的问题。

Description

适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统与其布设方法

技术领域

本发明提供了一种海床的观测系统，属于海洋勘测技术领域。

背景技术

底边界层是指水流结构明显受到海底边界影响的近海底水层。它是由底部非均匀水流和床底之间的多种相互作用而形成的，具有密度梯度和浊度梯度大、湍流不稳定、边界厚度难以确定等特征。在边界层内，水流因底部摩擦和湍流运动而发生能量耗散，并以底部切应力的形式表现出来，引起底床沉积物的侵蚀或再悬浮，产生悬沙浓度的垂直分层现象，反过来又影响水流结构。底边界层水动力和细颗粒泥沙运动过程对于海床冲淤、物质输运、生物地球化学过程等具有重要影响。对底边界层水沙运动过程的认知，是沿海地区港口、码头、桥梁、人工岛、航道等海洋工程建设以及沙滩保护、养护和修复等防灾减灾技术的理论基础。

目前，底边界层原位观测是对底边界层水沙运动过程认知的主要手段之一。对于浅水粘性海床水沙运动的原位观测通常以海床基为平台搭载自容式海洋观测仪器达到连续观测的目的。海床基通常采用支脚支撑方式和打桩固定方式。支脚式承载系统坐于海床上时，由于粘性海床沉积物空隙率较大，观测架的自身重量（约600~1000 kg）及水流对支脚的反复冲刷往往导致其整体沉降，轻者会影响观测效果，重者会导致观测架部分被掩埋无法回收。如果采用沉降板方式，沉降板的大小要根据观测系统自重来决定，沉降板向内扩展面积过大会挤压观测空间，对底边界层观测产生干扰；过小则会影响防沉降效果（CN201621100512.6 近底边界层的观测架）。

桩体承载系统则可将观测架置于底桩之上避免沉降，但由于钻机成本较高，操作相对笨拙，通常只打一根或两根桩进行承载，桩体本身或观测系统易形成扰流，可供仪器固定的搭载空间有限，限制了仪器的数量和集成方式。使用高压水枪打钻相对成本较低也较灵活，但已有技术仅考虑了高压水流的冲刷作用：即通过额外加压并减小水枪管径，将海床冲出坑槽来放置桩管，不仅无法突破固结层而使打桩深度有限（约3m），且冲刷坑范围较大对观测空间产生干扰，还需额外配备GPS、测深仪、加压泵等设备，在桩基深度、稳定性、打桩成本、灵活度和操作性等方面多有不足（CN201720662009.8 一种深海简易打桩装置）。

底边界层观测精度、参数多样化、海床沉降、桩基稳定性、操作便捷性等技术和经济成本问题长期以来成为浅水粘性海床底边界层观测的阻碍，已有技术方案不能满足经济、便捷、稳定、模块化、多参数的浅水粘性海床底边界层原位观测需求。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于浅水粘性海床底边界层水沙运动原位观测系统与布设技术，以克服现有技术的不足。

本发明基于水力冲刷、震动和土体液化原理，设计了低成本、易操作、无干扰、模块化、防沉降、安全稳定的底边界层观测系统和布设技术，为浅水粘性海床泥沙运动的连续、精准、综合观测提供保障。本发明通过使用自由拼装的不锈钢模块化观测支架和成本低廉、易于布设、操作简单的拼装式水力桩基系统，在浅水粘性海床进行底边界层原位观测系统的布设和观测，能够最大限度的提供多种观测仪器的布设和观测空间，避免观测支架的扰流干扰，防止观测系统沉降，减少布设和观测成本，达到最优经济配置。

为实现上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

一种适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统，该系统包括：上层拼装式无扰流观测单元、下层水力桩基单元和用于连接固定两者的连接单元。

进一步的，所述拼装式无扰流观测单元包括上部的仪器布设区和下部的观测区；所述仪器布设区和观测区均为由不同直径和长度的不锈钢实心管构成的框架体。

进一步的，所述观测区为梯形结构体。

进一步的，所述下层水力桩基单元为多根中空桩管；一般为4根。

进一步的，所述连接单元为多孔圆盘，即带有多个大孔径圆孔的不锈钢圆盘，多孔圆盘分别固定于下层水力桩基单元的中空桩管顶端和上层拼装式无扰流观测单元的框架体的底端，以实现上下层结构的连接和稳定功能。

进一步的，所述观测系统还包括定位单元，有助于下层水力桩基单元的定位。

进一步的，所述定位单元主要由不锈钢管构成，该不锈钢管两端各连接一个直径大于多孔圆盘的半圆环，固定一点后，利用四根不锈钢管组装成与观测单元底部相同尺寸的矩形，即可确定下层水力桩基单元的另外三点，定位完成后定位单元即可拆卸。

上述下层水力桩基单元的具体的布设方法为：

该单元的布设方法利用土力学中的土体液化机理进行打桩；使用发电机加压抽取海水至普通细钢管即可形成高压水枪结构，将该高压水枪结构置于中空的桩基内部后共同置于海底，利用高压水流对海床的冲刷使海床粉土内部孔隙水过饱和而液化，帮助中空桩管插入海床，从而达到打桩的目的；当遇到较硬的粉土固结层难以继续向下冲进时，利用人工或机械辅助震动桩管和水枪管来加速固结海床的孔隙水渗透和液化。

上述一种适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统的布设方法为：

（1）搭建所述拼装式无扰流观测单元，采用不锈钢管自由拼装手段，搭建仪器布设区和无扰流观测区，仪器布设区可根据用户需求进行调整和搭配；

（2）布设下层水力桩基单元：该单元的布设方法利用土力学中的土体液化机理进行打桩；使用发电机加压抽取海水至普通细钢管即可形成高压水枪结构，将该高压水枪结构置于中空的桩基内部后共同置于海底，利用高压水流对海床的冲刷使海床粉土内部孔隙水过饱和而液化，帮助中空桩管插入海床，从而达到打桩的目的；当遇到较硬的粉土固结层难以继续向下冲进时，利用人工或机械辅助震动桩管和水枪管来加速固结海床的孔隙水渗透和液化；

（3）利用所述连接单元的多孔圆盘分别固定于下层水力桩基单元的中空桩管顶端和上层拼装式无扰流观测单元的框架体的底端，以实现上下层结构的连接和稳定功能。

进一步的，所述步骤中，将一根中空桩管固定后，利用所述定位单元确定其他3根中空桩管的定位点，再根据前述固定方法将其余3根中空桩管固定，固定之后拆除定位单元即可。

本发明的优点和技术效果：

本发明的技术优点：

（1）建立可简易自制的低成本、易操作的水力桩基系统代替钻机桩基系统，既可保证打桩深度，实现海底观测系统的防沉降和稳定性功能，又可在观测系统布设时根据需要进行指定数量和位置的打桩，操作便捷性强，经济成本低；

（2）针对底边界层观测支架“无扰流”、“模块化”、“多参数”等特点需求，采用不锈钢管自由拼装手段，搭建仪器布设区和无扰流观测区，即可实现各类仪器的集成，还可避免仪器架体对观测空间的扰流影响，仪器布设区可根据用户需求进行调整和搭配；

（3）在观测架支脚和底桩顶端之间采用脚盘进行系统固定，不受观测系统自身重量的限制，既不会挤占观测空间，又可确保极端天气下观测系统的稳定，改进了沉降板的缺点。

本发明同已有技术相比可产生以下积极效果：

成本低且易操作。所有单元的构成部件除中空桩管外，均可在五金店购得，价格低廉且易携带和操作，中空桩管可购买废弃金属管材。相比钻机打桩技术和高压水枪冲坑技术，节省了大量的人力物力成本，且贯入深度完全可以保证观测系统稳定、不沉降，对于具有一定沉积厚度的浅水粘性海床具有普遍适用性。② 观测参数灵活且全面。仪器安装单元采用灵活的钢管自由拼装方式固定各类传感器，可根据常用需求制作外部框架大小，根据每次观测需求确定内部拼装方式，拼装过程简单易行。当观测参数需求较多时，可将水沙观测常用的声、光学设备悉数包括在内，容量大。③ 观测空间大且不受架体扰流影响。观测区为钢管梯形体结构，仅边线处钢管可产生扰流，但由于实心钢管直径通常不超过5 cm，而观测空间中心距离边线钢管距离通常都在1 m以上，基本不受架体扰流影响；即使架体按比例缩小，钢管直径也因承重减小而减小，亦不受扰流影响。

本发明各组件替换或维修方便，成本低廉，可广泛应用，有效解决底边界层原位观测在全层位、多参数、连续稳定和高成本等方面的问题。

附图说明

图1为本发明的拼装式无扰流观测单元结构示意图。

图2为本发明的水力桩基单元布设流程图。

图3为本发明的连接单元布设示意图。

图4为本发明的定位单元结构示意图。

其中，1-拼装式无扰流观测单元，2-下层水力桩基单元，3-连接单元，5-仪器布设区，6-观测区，7-不锈钢实心管，8-发电机，9-输水管，10-高压水枪结构，11-中空桩管，12-多孔圆盘，13-不锈钢管，14-半圆环。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图，给出本发明的具体实施方式。

实施例1：

一种适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统，该系统包括：上层拼装式无扰流观测单元1、下层水力桩基单元2和用于连接固定两者的连接单元3；以及帮助下层水力桩基单元2定位的定位单元。

所述上层拼装式无扰流观测单元1分为由不同直径和长度的不锈钢实心管7、仪器卡扣、以及配套螺丝与螺母组成。上部的仪器布设区可根据使用仪器的数量、大小、朝向、位置等需求，自由拼接钢管，搭建固定支架，实现多仪器、多参数、全层位观测的目的。下部的观测区梯形设计确保四周支架管径的扰流不影响中间区域的观测。

所述水力桩基单元2包括：汽（柴）油发电机8，输水管9，钢管高压水枪结构10和中空桩管11，需渔船绞车辅助，可配备机械震动装置或手动震动均可。主要功能为抽取海水并加压射出，冲刷桩管内海床土体并使其液化分散，减小桩管贯入阻力，实现低成本、易操作的打桩目的。

所述连接单元3包括：多孔圆盘12，即带有多个大孔径圆孔的不锈钢圆盘，以及不锈钢螺丝、螺母或绳索。两组各四个多孔圆盘12分别固定于中空桩管顶和观测框架支脚，需潜水员辅助固定，实现上下层结构的连接和稳定功能。

所述定位单元由与观测单元1底部长度相同的不锈钢管13构成，不锈钢管两端各连接一个直径大于多孔圆盘的半圆环14，四根不锈钢管可组装成与观测单元1底部相同尺寸的矩形，用于四根中空桩管11的定位（桩管穿过圆环即可定位），定位后可拆卸。

上述各个单元的布设连接方式如下：

首先，进行观测单元1的组装。两个功能区：上部功能区为可拼装和调节的仪器布设区5，该部分基本框架为不锈钢实心管7构成的长方体，长方体内空间可由不锈钢管按需求任意组装，为固定各类仪器提供空间；下部功能区为无扰流的观测区6，为了尽可能减少或消除扰流，下层空间区域为梯形空间，在保证观测架稳定的前提下采用尽可能细的实心不锈钢管作为梯形边界支撑，在足够大的梯形空间中部，其到边界钢管的距离都在钢管直径10倍以上，基本无管体产生的扰流。如果所需观测仪器数量较少，则可以缩小观测架尺寸，不锈钢实心管7的直径也可相应减小，亦无扰流影响。

其次，固定水力桩基单元2。使用发电机8加压抽取海水，海水经由两端固定（防止加压挣脱）的输水管9将海水进行加压输送，软管末端连接一定长度的中空细钢管，水流经细钢管射出，形成高压水枪结构10；将该高压水枪结构10置入中空桩管11，并由渔船上的渔用绞车吊起，靠重力铅直扎入海床（控制垂直）。在高压水枪的冲刷和土体液化作用下，中空桩管内部的粉土海床逐渐松散，下贯摩擦阻力大大减小，桩管可轻易贯入海床下十余米。贯入过程中可能遇到较为坚硬的粉土固结床层，只需手动或电动进行桩管或水枪管震动（如提拉震动），即可加速固结层内土体孔隙水饱和，逐渐使固结层发生土体液化而松散，反复多次后便可继续向下贯入。第一个水力桩基单元2固定之后，将组装好的定位单元套入第一个桩基单元，则其余桩基单元位置即可确定，然后重复上述步骤将所有桩管贯入海床，完成固定。

最后，拆除回收定位单元并通过连接单元3实现拼装式无扰流观测单元1和下层水力桩基单元2的连接与稳定。打桩完成后，在桩顶系好绳索连于船上，将已组装完毕的观测单元1吊起，支脚处的多孔圆盘12穿过绳索，顺着绳索缓慢下放至海底，上、下两圆盘即可基本对接，下放过程中由潜水员进行辅助微调，可使对接更加准确。最终潜水员使用不锈钢螺丝或绳索穿孔固定。多次实例实施表明，当使用四脚架时，每套盘只需1处固定即可达到稳定、无沉降的效果。

回收时，首先由潜水员解开连接单元的不锈钢螺丝或绳索，若支脚圆盘有泥沙覆盖可由潜水员手动剥离或使用高压水枪冲刷圆盘（通常高沉积速率区的年沉积速率仅为厘米级）。然后由绞车将观测单元1拉上甲板，进行拆卸、清洗、保养。由于已贯入海床的桩管较深，无法回收，但可挂浮球做标记，需要时反复利用。

需要注意，无论采用何种座底观测方式，观测地点都不宜选在会发生大量泥沙快速堆积的区域，如河口拦门沙堆积区、人工吹填区等，观测系统存在掩埋而无法回收的风险。如黄河调水调沙期间，若在河口口门排沙区放置坐底站，仅需数日便可将观测系统全部掩埋。

本发明中的水力桩基系统主要利用土力学中的土体液化机理进行打桩，无需配备加压泵、GPS、测深仪和特细枪头等设备。使用常见的移动汽（柴）油发电机加压抽取海水至普通细钢管即可达到高压水枪效果，将钢管高压水枪放置于中空的桩基内部后共同置于海底，利用高压水流对海床的冲刷使海床粉土内部孔隙水过饱和而液化，帮助桩基插入海床，从而达到打桩的目的；当遇到较硬的粉土固结层难以继续向下冲进时，利用人工或机械辅助震动桩管和水枪管来加速固结海床的孔隙水渗透和液化，仅在打入时间上相对表层海床而略长。为保证打桩至海底铅直性，配合使用船只后甲板的简易吊车将桩基吊起即可。此外，由于高压水枪未经过额外特殊加压，且置于桩基内部，不会形成大型冲刷坑，震动过程和土体液化过程也被桩基阻隔，对桩基外的观测区海床基本无干扰。而制成该系统的中空桩基、细钢管、移动发电机等装置成本低廉、易于拼装和操作，近海观测常用渔船也均有渔用吊车可供使用。

实施例2：

浅水粘性海床底边界层水沙运动原位观测系统（实施例1提供的观测系统）在渤海湾、莱州湾、胶州湾等河口海岸区域已多次布设（布设方法见实施例1），开展了长期、连续、全层位的水沙过程观测，已取得了包括极端天气、人为活动影响等条件下的大量理想观测数据，获得多项研究成果，是从观测实际出发，并由观测验证的切实可行的普适性发明。在已实施的多次观测案例中，观测海域水深最深处15 m，最浅处5 m，观测时间最短时间3天，最长时间1年，使用仪器最多一次达10台，观测系统自身重量最大为800 kg。观测地海床均以粘性粉土质或淤泥质海床为主，沉积厚度均在数十米以上，最深贯入桩基深度约12 m。

以莱州湾西部的一次观测实施过程为例。观测时间约1个月，站位水深约6 m，受黄河泥沙的影响，上部为现代黄河三角洲侧缘沉积，多为软塑到流塑状态，含水率高、压缩性高、强度小、承压性低，厚度约8~10 m，中间为一套浅海相沉积层，为粉土与粉质粘土互层，工程性质优于上部，厚度约10 m，底部为一套陆相沉积，砂粒含量增大，抗剪强度较高。实施过程中以普通渔船为海上作业平台，以潜水员为辅助实施人员，渔船提供了甲板渔用绞车，船电，绳索等条件。依据观测需求共使用了2台声学多普勒剖面海流仪（ADCP），1台浪龙波浪仪（AWAC），1台温盐深仪（CTD），1台单点流速仪（ADV），1台泥沙粒径组分仪（LISST），1台波潮仪（D|Wave）、光学浊度计（OBS）若干以及一个电池仓。仪器安装单元的架体大小为1m×1m×1m，观测空间单元为梯形空间，顶面1m×1m，底面2m×2m，共4个底脚连接圆盘。

首先，在渔船甲板或岸边拼装无扰流观测单元1。根据所用的仪器大小、朝向、观测层位等要求，进行自容式仪器位置的规划，提前设置好仪器下水工作时间。使用两端可装卸的实心不锈钢管搭建好该单元中部的骨架结构，逐一固定全部仪器于该单元中心，下方观测区可提供足够的空间计算观测点、线、柱的位置，从而不受观测架扰流影响。提前根据观测架底部矩形的尺寸焊接对应尺寸（2m×2m）的定位单元。

第二，利用水力桩基单元打底桩2。在后甲板安置汽油发电机，由输水软管和细钢管（长约7 m，内径约3 cm）紧密连接形成钢管高压水枪，中空桩管为废弃的油田金属输油管，长约10 m，内径约10 cm，提前加工将连接单元中的多孔圆盘焊接在桩顶，并在桩顶留出一处可系绳索位置。使用渔船绞车将桩管吊起，高压水枪置于桩管内，开动发电机射出高压水流，贯入海底。由于表层土体松散，高压水流迅速冲刷，可依靠重力轻松下贯2~3 m，随后在4~5 m处遇粉土固结层，下贯明显减慢或暂停，此时使用手提或绞车提拉方式进行垂直桩管震动和水枪管震动，反复数次后可明显感觉固结层液化松散，深色泥浆从桩管上部涌出，桩管继续下贯，在贯入10 m时关闭发电机，打桩完成，将提前制作的定位单元套入第一根桩管，随后移动渔船，按照定位单元上另外三个圆环的位置继续打入其余桩管。

最后，拆除定位单元，通过连接单元3固定观测单元1。打桩完成后，拆掉定位单元，在桩顶系好绳索连于船上，将已安装完毕的观测单元吊起，支脚多孔圆盘穿过绳索，顺着绳索缓慢下放至海底，上、下两圆盘即可基本对接，下放过程中由潜水员进行辅助微调后，使用不锈钢螺丝或绳索穿孔固定。

回收时，首先由潜水员解开连接单元3的不锈钢螺丝或绳索，然后由绞车将观测单元1拉上甲板，最后进行拆卸、清洗、保养。在桩管上挂浮球做好标记。半年后，使用该桩基又开展了一次为期1个月的观测。观测期间共经历两次冬季风暴过程，观测架方向垂直，观测架与仪器安全无损伤，获得了良好的底边界层观测资料。

通过上述实施例能够看出，本发明提供的观测系统和布设方法能够有效解决现有技术中存在的问题，操作简便，成本较低，能够长期多次使用，且最终能够获得稳定的观测数据。

Claims (10)

1.一种适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统，其特征在于，该系统包括：上层拼装式无扰流观测单元（1）、下层水力桩基单元（2）和用于连接固定两者的连接单元（3）。

2.如权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述拼装式无扰流观测单元（1）包括上部的仪器布设区（5）和下部的观测区（6）；所述仪器布设区（5）和观测区（6）均为由不同直径和长度的不锈钢实心管（7）构成的框架体。

3.如权利要求2所述的观测系统，其特征在于，所述观测区（6）为梯形结构体。

4.如权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述下层水力桩基单元（2）为中空桩管（11）。

5.如权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述连接单元（3）为多孔圆盘（12），即带有多个大孔径圆孔的不锈钢圆盘，多孔圆盘（12）分别固定于下层水力桩基单元（2）的中空桩管（11）顶端和上层拼装式无扰流观测单元（1）的框架体的底端，以实现上下层结构的连接和稳定功能。

6.如权利要求1所述的观测系统，其特征在于，所述观测系统还包括定位单元，有助于下层水力桩基单元（2）的定位。

7.如权利要求6所述的观测系统，其特征在于，所述定位单元主要由不锈钢管（13）构成，该不锈钢管（13）两端各连接一个直径大于多孔圆盘的半圆环（14），固定一点后，利用四根不锈钢管（13）组装成与观测单元（1）底部相同尺寸的矩形，即可确定下层水力桩基单元（2）的另外三点，定位完成后定位单元即可拆卸。

8.权利要求1所述下层水力桩基单元（2）的具体的布设方法，其特征在于，包括：该单元的布设方法利用土力学中的土体液化机理进行打桩；使用发电机（8）加压抽取海水至普通细钢管即可形成高压水枪结构（10），将该高压水枪结构（10）置于中空的桩基内部后共同置于海底，利用高压水流对海床的冲刷使海床粉土内部孔隙水过饱和而液化，帮助中空桩管（11）插入海床，从而达到打桩的目的；当遇到较硬的粉土固结层难以继续向下冲进时，利用人工或机械辅助震动桩管和水枪管来加速固结海床的孔隙水渗透和液化。

9.一种适用于浅水粘性海床的底边界层原位观测系统的布设方法，其特征在于，包括：

（1）搭建所述拼装式无扰流观测单元（1），采用不锈钢管自由拼装手段，搭建仪器布设区和无扰流观测区，仪器布设区可根据用户需求进行调整和搭配；

（2）布设下层水力桩基单元（2）：该单元的布设方法利用土力学中的土体液化机理进行打桩；使用发电机（8）加压抽取海水至普通细钢管即可形成高压水枪结构（10），将该高压水枪结构（10）置于中空的桩基内部后共同置于海底，利用高压水流对海床的冲刷使海床粉土内部孔隙水过饱和而液化，帮助中空桩管（11）插入海床，从而达到打桩的目的；当遇到较硬的粉土固结层难以继续向下冲进时，利用人工或机械辅助震动桩管和水枪管来加速固结海床的孔隙水渗透和液化；

（3）利用所述连接单元（3）的多孔圆盘（12）分别固定于下层水力桩基单元（2）的中空桩管（11）顶端和上层拼装式无扰流观测单元（1）的框架体的底端，以实现上下层结构的连接和稳定功能。

10.如权利要求9所述的观测系统的布设方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将一根中空桩管（11）固定后，利用所述定位单元确定其他3根中空桩管（11）的定位点，再根据前述固定方法将其余3根中空桩管（11）固定，固定之后拆除定位单元即可。

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