CN111504549B - 一种海底失稳原位监测探杆、监测装置及探杆制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋监测技术领域，公开了一种海底失稳原位监测探杆、监测装置及探杆制备方法，海底失稳原位监测探杆包括柔性杆体、多个传感光纤及多个孔压计，多个传感光纤设置于柔性杆体上，与柔性杆体平行设置，在柔性杆体的径向相互间隔，监测柔性杆体的水平向变形位移量，多个孔压计设置于柔性杆体内，在柔性杆体的轴向相互间隔。本发明可同时监测海床内不同深度的水平向变形及孔压，柔性杆体的设计可提高变形及孔压监测的有效性，减少杆体自身挠度对其监测的影响，孔压计的设计可增大其监测量程，防止光纤光栅断裂,本发明所述探杆制备方法为传感光纤、刚性孔压计与柔性探杆集成封装提供了一种有效的方法。

Description

一种海底失稳原位监测探杆、监测装置及探杆制备方法

技术领域

本发明属于海洋监测技术领域，尤其涉及一种海底失稳原位监测探杆、监测装置及探杆制备方法。

背景技术

河口、海岸及近海区域是海洋开发利用相对集中的地带，其底床大都由松散沉积物沉积而成，在地震、波浪、潮汐等荷载的作用下，海床易发生剪切破坏、液化等失稳现象，严重威胁到海底管线、石油平台、风机基础等海洋工程构筑物的安全稳定。因此探究海底土失稳破坏的灾变过程与机制，并开展相关原位监测研究具有重要的科学意义与工程需求。海底土失稳破坏动力发生机制通常与沉积物内超孔压累积导致的液化过程密切相关，孔隙水压力探杆是针对海底孔隙水压力变化的一种常见原位观测技术手段，其能够针对海底滑坡、震后超孔隙水压力升高、高压气喷出及不稳定底层中孔隙水压力的变化过程等多种问题做原位观测。

目前，通常采用的探杆为刚性杆，考虑到海底土失稳破坏发生过程中，破坏范围内的土体大变形对整体探杆的扰动，会导致更深部稳定土体内孔压的增高，影响观测数据的真实性；现存在一种具有一定柔性的管状杆体，传感器等部件置于管状杆体内，介于贯入式探杆的特征，此种杆体仍需具有一定刚性，对数据的准确性仍具有一定的影响。

而且，通常使用的探杆中光纤光栅是通过拉应力变形监测孔隙水压力，当孔隙水压力过大时，光纤光栅的变形太大会引起光纤断裂的情况发生，故需要进行量程保护，保证孔压控制在传感器量程内，此类监测探杆所能监测的压力范围较小，而且不能测量负超孔隙水压力。

因此，如何获取海底失稳过程中真实有效的孔隙水压力是目前亟需解决的海底失稳原位监测探杆技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种海底失稳原位监测探杆及监测装置，不仅能增大孔隙水压力的监测范围，还能防止光纤光栅因应变过大而导致断裂的情况发生。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种海底失稳原位监测探杆，包括：

柔性杆体；

多个传感光纤，设置于所述柔性杆体上，与所述柔性杆体平行设置，且在所述柔性杆体的径向上相互间隔，所述传感光纤用于监测所述柔性杆体的变形；

多个孔压计，设置于所述柔性杆体内，且在所述柔性杆体的轴向上相互间隔，所述孔压计包括本体块、应变鼓膜、光纤光栅和弹性件，所述本体块上开设有测压腔，所述测压腔分别通过静水通道和孔隙水通道连通于外部，所述应变鼓膜设置于所述测压腔内，封堵所述孔隙水通道的连通口，所述静水通道用于将海床上部的海水导向所述测压腔，所述孔隙水通道用于将海床内的孔隙水导向所述测压腔，所述光纤光栅的一端连接于所述测压腔的内壁，另一端连接于所述应变鼓膜，用于监测所述孔隙水的压力，初始状态下所述光纤光栅处于预应力拉伸状态，所述弹性件设置于所述测压腔中，一端抵靠于所述测压腔的内壁上，另一端抵靠于所述应变鼓膜。

作为优选，所述应变鼓膜能够朝向所述孔隙水通道内变形。

作为优选，在所述柔性杆体上所述孔隙水通道的开口处设置有透水石，所述孔隙水能够透过所述透水石流入所述孔隙水通道内。

作为优选，多个所述传感光纤绕所述柔性杆体的中心轴周向均布设置。

作为优选，所述柔性杆体的材质为聚乙烯。

一种监测装置，包括上述的海底失稳原位监测探杆。

作为优选，还包括采集模块，所述采集模块连接于所述海底失稳原位监测探杆的一端，用于收集所述海底失稳原位监测探杆监测到的数据信息。

作为优选，所述海底失稳原位监测探杆与所述采集模块通过光电水密插件连接在一起。

作为优选，所述海底失稳原位监测探杆与所述采集模块通过铠装传感光纤缆远距离连接在一起。

本发明的另一个目的在于提出一种探杆制备方法，解决孔压计等刚性单元以及易变形的传感光纤嵌入柔性杆体的技术问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种探杆制备方法，用于制备上述的海底失稳原位监测探杆，包括：

将多个孔压计轴向间隔放置于第一筒状模具内；

向第一筒状模具内灌注柔性杆体的熔融液；

待第一筒状模具内的熔融液凝固定型，形成探杆半成品；

将多个传感光纤依次贴合在探杆半成品的外壁上；

在探杆半成品上沿轴向贴合多个透水石，每个透水石覆盖于一个孔压计的孔隙水通道的开口；

将探杆半成品置于第二筒状模具内，继续灌注熔融液，灌注完毕后静置定型，形成海底失稳原位监测探杆。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种海底失稳原位监测探杆及监测装置，孔压计内用于监测孔隙水压力的光纤光栅处于预应力拉伸状态，光纤光栅的一端连接于应变鼓膜，在监测时应变鼓膜的两侧分别受静水和孔隙水的压力，当应变鼓膜受到超孔压时，即孔隙水压力大于静水压力，光纤光栅回缩，根据回缩应变能够计算出孔隙水压力，随着压差的增大光纤光栅回缩到原长后，监测数据无效，不会造成光纤光栅断裂的情况发生，无需进行量程保护。且由于弹性件的设置，应变鼓膜受到超孔压时，光纤光栅的变形会减小，从而增大压力的监测范围。本发明提出海底失稳原位监测探杆及监测装置，不仅增大了孔隙水压力的监测范围，还能防止光纤光栅由于变形太大而引起光纤断裂的情况发生。本发明还提供了一种探杆制备方法，第一次灌注时将孔压计置于准确位置进行封装，然后将传感光纤准确贴合在初步探杆的外侧后进行第二次灌注，两次灌注分别将孔压计和传感光纤置于柔性杆体的准确位置并与聚乙烯柔性杆一体成型，解决了孔压计等刚性单元以及易变形的传感光纤嵌入柔性杆体的技术问题。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的海底失稳原位监测探杆径向的剖面视图；

图2是本发明实施例一提供的海底失稳原位监测探杆的部分轴向剖面视图；

图3是本发明实施例二提供的监测装置的结构示意图。

图中：

1、柔性杆体；2、传感光纤；3、孔压计；4、透水石；5、采集模块；

31、静水通道；32、孔隙水通道；33、应变鼓膜；34、光纤光栅；35、弹性件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“安装”应做广义理解，例如，可以是安装连接，也可以是可拆卸连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供了一种海底失稳原位监测探杆，其包括柔性杆体1、多个传感光纤2及多个孔压计3，多个传感光纤2设置于柔性杆体1上，与柔性杆体1平行设置，且在柔性杆体1的径向上相互间隔，传感光纤2用于监测柔性杆体1的变形，本实施例中设置有四个传感光纤2；多个孔压计3设置于柔性杆体1内，且在柔性杆体1的轴向上相互间隔，孔压计3包括本体块、应变鼓膜33、光纤光栅34和弹性件35，本体块上开设有测压腔，测压腔分别通过静水通道31和孔隙水通道32连通于外部，应变鼓膜33设置于测压腔内，封堵孔隙水通道32的连通口，当柔性杆体1置于海床内时，海床上部的海水能够通过静水通道31进入测压腔，施压于应变鼓膜33的一侧，海床内的孔隙水能够通过孔隙水通道32进入测压腔，施压于应变鼓膜33的另一侧，光纤光栅34的一端连接于测压腔的内壁，另一端连接于应变鼓膜33，用于监测孔隙水的压力，初始状态下光纤光栅34处于拉伸状态，弹性件35设置于测压腔中，一端抵靠于测压腔的内壁上，另一端抵靠于应变鼓膜33。本实施例中的弹性件35可以为弹簧，也可以为波纹管等具有弹性恢复的原件。

本实施例提供的海底失稳原位监测探杆及监测装置，其孔压计3内用于监测孔隙水压力的光纤光栅34在初始状态下处于拉伸状态，光纤光栅34的一端连接于应变鼓膜33，在监测时应变鼓膜33的两侧分别受静水和孔隙水的压力，当应变鼓膜33受到超孔压时，即孔隙水压力大于静水压力，光纤光栅34回缩，根据回缩应变能够计算出孔隙水压力，随着压差的增大光纤光栅34回缩到原长后，监测数据无效，不会造成光纤光栅34断裂的情况发生。且由于弹性件35的设置，应变鼓膜33受到超孔压时，光纤光栅34的变形会减小，从而增大了压力的监测范围。本实施例提出的海底失稳原位监测探杆及监测装置，不仅增大了孔隙水压力的监测范围，还能防止光纤光栅34由于变形太大而引起光纤断裂的情况发生。

优选地，应变鼓膜33能够朝向孔隙水通道32内变形。当应变鼓膜33受负超孔压时，即孔隙水压力小于静水压力时，光纤光栅34继续拉伸朝向孔隙水通道32内变形，使得光纤光栅34能够监测负超孔压力。弹性件35的设置，使得应变鼓膜33不管是受到超孔压还是负超孔压，光纤光栅34的变形都会减小，从而增大孔隙水压力的监测范围。

具体地，在柔性杆体1上孔隙水通道32处设置有透水石4，孔隙水能够透过透水石4流入孔隙水通道32内。透水石4能够过滤海床内孔隙水的泥沙，将清晰的水导向孔隙水通道32内，防止由于泥沙进入导致孔压监测不准确及堵塞通道而不能正常使用。

本实施例提供的孔压计3为压差式传感器，即光纤光栅34的变形与受到的孔隙水与海水的压差呈正比例关系，相比于只受孔隙水压力的传感器，压差式传感器能够监测压力更大的孔隙水，适用于深海环境。

更具体地，多个传感光纤2绕柔性杆体1的中心轴周向均布设置。能够将柔性杆体1的变形监测地更加准确。多个孔压计3沿柔性杆体1的轴向均匀设置，更加方便地监测计算不同深度的空隙水压力。

优选地，柔性杆体1的材质为聚乙烯，聚乙烯的柔性较强，避免由于杆体的刚性影响监测的准确性。

实施例二

如图3所示，本实施例提供了一种监测装置，包括实施例一提供的海底失稳原位监测探杆。

本实施例提供的监测装置还包括采集模块5，采集模块5连接于海底失稳原位监测探杆的一端，用于收集海底失稳原位监测探杆监测到的数据信息，其中数据信息包括柔性杆体1不同位置处的变形及不同位置处的孔隙水压力。

具体地，海底失稳原位监测探杆与采集模块5通过光电水密插件连接在一起。光电水密插件将海底失稳原位监测探杆与采集模块5近距离连接在一起。

优选地，海底失稳原位监测探杆与采集模块5还可以采用另外一种连接方式，将海底失稳原位监测探杆与采集模块5通过铠装传感光纤缆远距离连接在一起。

实施例三

本实施例提供了一种探杆制备方法，用于制备实施例一提供的海底失稳原位监测探杆，包括：

S1.将多个孔压计轴向等间距放置于第一筒状模具内，每个孔压计孔隙水通道的开口抵于第一筒状模具的内壁处；

S2.向第一筒状模具内灌注聚乙烯熔融液；

S3.静置预设时间，待第一筒状模具内的熔融液凝固定型，形成探杆半成品；

S4.沿探杆半成品的外侧面周向依次均匀贴合多个传感光纤；

S5.在探杆半成品上沿轴向贴合多个透水石，每个透水石覆盖于一个孔压计的孔隙水通道的开口；

S6.将探杆半成品置于第二筒状模具内，继续灌注聚乙烯熔融液，灌注完毕后静置定型，形成海底失稳原位监测探杆。本实施例中的第二筒状模具的内径大于第一筒状模具的内径。

本实施例提供的探杆制备方法，利用聚乙烯熔融液分两次灌注柔性杆体，第一次灌注时将孔压计置于准确位置进行封装，然后将传感光纤准确贴合在初步探杆的外侧后进行第二次灌注，两次灌注分别将孔压计和传感光纤置于柔性杆体的准确位置并与聚乙烯柔性杆一体成型，解决了孔压计等刚性单元以及易变形的传感光纤嵌入柔性杆体的技术问题。且聚乙烯材质的杆体柔性较高，能够解决因为探杆的刚性使得海床扰动而影响观测数据真实性的问题。

显然，本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种探杆制备方法，其特征在于，用于制备海底失稳原位监测探杆，所述海底失稳原位监测探杆包括：

柔性杆体(1)；

多个传感光纤(2)，设置于所述柔性杆体(1)上，与所述柔性杆体(1)平行设置，且在所述柔性杆体(1)的径向上相互间隔，所述传感光纤(2)用于监测所述柔性杆体(1)的变形；

多个孔压计(3)，设置于所述柔性杆体(1)内，且在所述柔性杆体(1)的轴向上相互间隔，所述孔压计(3)包括本体块、应变鼓膜(33)、光纤光栅(34)和弹性件(35)，所述本体块上开设有测压腔，所述测压腔分别通过静水通道(31)和孔隙水通道(32)连通于外部，所述应变鼓膜(33)设置于所述测压腔内，封堵所述孔隙水通道(32)的连通口，所述静水通道(31)用于将海床上部的海水导向所述测压腔，所述孔隙水通道(32)用于将海床内的孔隙水导向所述测压腔，所述光纤光栅(34)的一端连接于所述测压腔的内壁，另一端连接于所述应变鼓膜(33)，用于监测所述孔隙水的压力，初始状态下所述光纤光栅(34)处于预应力拉伸状态，所述弹性件(35)设置于所述测压腔中，一端抵靠于所述测压腔的内壁上，另一端抵靠于所述应变鼓膜(33)；

所述探杆制备方法包括：

将多个所述孔压计(3)轴向间隔放置于第一筒状模具内；

向所述第一筒状模具内灌注所述柔性杆体(1)的熔融液；

待所述第一筒状模具内的熔融液凝固定型，形成探杆半成品；

将多个所述传感光纤(2)依次贴合在所述探杆半成品的外壁上；

在所述探杆半成品上沿轴向贴合多个透水石(4)，每个所述透水石(4)覆盖于一个所述孔压计(3)的所述孔隙水通道(32)的开口；

将所述探杆半成品置于第二筒状模具内，继续灌注熔融液，灌注完毕后静置定型，形成所述海底失稳原位监测探杆。

2.根据权利要求1所述的探杆制备方法，其特征在于，所述应变鼓膜(33)能够朝向所述孔隙水通道(32)内变形。

3.根据权利要求1所述的探杆制备方法，其特征在于，多个所述传感光纤(2)绕所述柔性杆体(1)的中心轴周向均布设置。

4.根据权利要求1所述的探杆制备方法，其特征在于，所述柔性杆体(1)的材质为聚乙烯。

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