CN111721581B - 海底沙波沉积物取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底沉积物采样领域，特别是一种海底沙波沉积物取样装置及方法。包括提取部和采样部，采样部与提取部之间活动连接，提取部包括数根沿竖直方向平行设置的钢管连接杆和沿钢管连接杆的轴向设置的数个环形储沙仓，环形储沙仓设置在数根钢管连接杆之间，环形储沙仓内设有环形的腔体，环形储沙仓的环形侧壁与其外部的数根钢管连接杆固定连接，环形储沙仓的顶部呈开口状，环形储沙仓的底部设有环形孔。实现了海底沙波土样的有效采集，结构简单，可回收多次使用，降低了使用成本。

Description

海底沙波沉积物取样装置及方法

技术领域

本发明涉及海底沉积物采样领域，特别是一种海底沙波沉积物取样装置及方法。

背景技术

海底沙波是一种在海洋浪、潮、流等水动力作用下发育的呈丘状、新月状的海底地貌，其波脊线垂直于主水流方向。作为一种活动性地貌，海底沙波的迁移会造成海底管道悬空折断、航道淤积碍航、油气平台结构失稳等事故，对海洋里的工程设施安全造成严重威胁，因此对海底沙波的观测研究具有重大意义。

在海洋地质勘探领域，泥沙现场采样是泥沙分析的基础工作，现有的泥沙采样器主要有重力式、挖掘式等，每次取样量大，适用于可以提供大采样深度的软质泥土，对于砂质沉积物的采样效果则不太理想。由于砂质海床贯入强度大，现有的重力取样所采用的取样柱很难贯入砂质沉积物，因此难以完成取样工作；而箱式取样器和蚌式取样器无法采集到海床内部的样品且在取海床表面样品时由于砂砾的作用，难以完全闭合，常出现漏沙现象。因此目前尚未有可以有效获取砂质海床内部沉积物剖面信息的取样装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种海底沙波沉积物取样装置及方法，实现了海底沙波土样的有效采集，结构简单，可回收多次使用，降低了使用成本。

本发明的技术方案是：一种海底沙波沉积物取样装置，其中，包括提取部和采样部，采样部与提取部之间活动连接，提取部包括数根沿竖直方向平行设置的钢管连接杆和沿钢管连接杆的轴向设置的数个环形储沙仓，环形储沙仓设置在数根钢管连接杆之间，环形储沙仓内设有环形的腔体，环形储沙仓的环形侧壁与其外部的数根钢管连接杆固定连接，环形储沙仓的顶部呈开口状，环形储沙仓的底部设有环形孔；

所述采样部包括数个沿竖直方向设置的采样单元，采样单元包括圆板Ⅰ和圆板Ⅱ，圆板Ⅰ位于圆板Ⅱ的上方，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ之间通过位于中心的圆板连接杆固定连接，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ位于环形储沙仓内，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ的尺寸小于环形储沙仓的内壁尺寸，圆板Ⅱ的尺寸大于环形储沙仓底部的环形孔的尺寸，相邻两采样单元之间的圆板连接杆之间通过紧固件连接，各钢管连接杆上部之间固定连接有固定板，位于最上方的采样单元的圆板连接杆顶端与固定板滑动连接。

本发明中，所述各采样单元之间的圆板连接杆可以为一体式结构，即上下各圆板之间通过一根圆板连接杆实现上下连接。

所述钢管连接杆的外侧设有控制其高度的机械抓环，机械抓环释放钢管连接杆，使该装置在自身重力作用下贯入砂质沉积物内；当需要回收砂质沉积物时，机械抓环抓紧钢管连接杆，通过外部的装置将该装置提起。

本发明还包括一种利用上述海底沙波沉积物取样装置实现取样的方法，其中该方法包括以下步骤：

S1.将取样装置贯入硬质砂质海床：

将该取样装置投放至海底的过程中，该装置在自重作用下贯入至沙体内，贯入过程中，由于提取部和采样部的重量和底面积不同，所受贯入阻力不同：提取部中的钢管连接杆自重大，底面积小，贯入深度大；采样部中的圆板自重小，底面积大，贯入深度小，因此提取部和采样部之间产生相对位移，每一个采样单元的相邻圆板之间的空间两侧脱离环形储沙仓侧壁的阻挡，暴露于沙波之中，沙波进出相邻两圆板之间的空间，在沙波迁移后，两圆板之间被砂体充满；

设砂质沉积物采样杆所在位置的沙波坡角为θ，观测时长为T，沙波迁移速率为v，环形储沙仓的高度为H，环形储沙仓的直径为D，相邻两环形储沙仓之间的间距为L，则在观测开始后的t时刻，观测点处沙波高程变化量Δh＝vt·tanθ，开始观测后的t时刻进入砂质沉积物采样杆的沉积物总容积为：

S2.取样装置和沙波土样的回收：

将钢管连接杆向上提起，由于采样部和提取部之间相对独立，提取部的钢管连接杆先于圆板被提起，当钢管连接杆带动环形储沙仓底部向上运动至其底部的圆环与圆板接触时，圆板收到向上的推力开始被提起，此时一个采样单元的两圆板完全进入钢管环形储沙仓内，钢管环形储沙仓的侧壁与两相邻圆板之间形成相对闭合空间，两圆板之间的砂体被封闭在钢管环形储沙仓内，钢管连接杆1被提起的过程中，将处于两圆板之间的砂质沉积物一同采集提起；

设沉积物的浮容重为γ，砂质沉积物取样杆的自重为x(kg),要成功回收沉积物样品，则作用在砂质沉积物取样杆上的向上的拉力至少需要F(t)＝(V(t)·γ+x)·g,其中g为当地的重力加速度。

本发明的有益效果是：该装置通过提取部和采样部之间的相对位移，实现了对沙波土样的采集，同时利用提取部和采样部之间的相对位移，实现了沙坡土样的回收，实现了海底沙波土样的采集回收，对海底地形调查与海底科学研究有重要实际使用价值。

附图说明

图1是海底沙波沉积物取样装置的主视结构示意图；

图2是海底沙波沉积物取样装置底部的主视结构示意图；

图3是海底沙波沉积物取样装置的局部立体结构示意图。

图中：1钢管连接杆；2支撑抓环；3固定板；4圆板Ⅰ；5圆板Ⅱ；6环形储沙仓；7环形孔；8圆板连接杆；9紧固件。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1至图3所示，本发明所述的海底沙波沉积物取样装置包括提取部和采样部，采样部与提取部之间活动连接。本发明的取样装置一般配合深海原位观测装置共同使用，钢管连接杆1通过机械抓环2与深海原位观测装置的支撑杆连接，通过机械抓环2控制钢管连接杆 1的下降高度，从而控制整个海底沙波沉积物取样装置的下降高度。

提取部包括数根沿竖直方向平行设置的钢管连接杆1和沿钢管连接杆的轴向设置的数个环形储沙仓6，环形储沙仓6设置在钢管连接杆1之间，环形储沙仓6内设有环形的腔体，环形储沙仓6的环形侧壁与其外部的数根钢管连接杆1固定连接，环形储沙仓6的顶部呈开口状，环形储沙仓6的底部设有环形孔7。

采样部包括数个沿竖直方向设置的采样单元，相邻两采样单元之间通过紧固件9实现上下连接。采样单元包括圆板Ⅰ4和圆板Ⅱ5，圆板Ⅰ4位于圆板Ⅱ5的上方，圆板Ⅰ4和圆板Ⅱ 5之间通过位于中心的圆板连接杆8固定连接，圆板Ⅰ4和圆板Ⅱ5位于环形储沙仓6内，圆板Ⅰ4和圆板Ⅱ5的尺寸小于环形储沙仓6的内壁尺寸，圆板Ⅱ5的尺寸大于环形储沙仓6底部的环形孔7的尺寸，因此圆板Ⅱ5可以放置在环形储沙仓6的底部圆环上，环形储沙仓6 对采样单元起到了支撑作用。相邻两采样单元之间的圆板连接杆8之间通过紧固件9连接，从而实现了采样单元的上下连接。本实施例中，采样部的圆板连接杆也可以为一体式结构，即各圆板之间通过一根圆板连接杆实现固定连接。提取部和采样部之间可以相对滑动，通过提取部和采样部之间的相对滑动，实现了对沙坡土样的采样。

本实施例中，紧固件9采用内螺纹套管，对应的圆板连接杆8的顶端和底端均设有外螺纹，相邻两采样单元的圆板连接杆的顶端和底端均通过螺纹连接方式与内螺纹套管固定连接，从而实现相邻两采样单元的圆板连接杆的连接。本发明中，紧固件9也可以采用固定螺钉、铰链，当采用固定螺钉时，实现了相邻两圆板连接杆之间的固定连接；当采用铰链时，实现了相邻两圆板连接杆之间的铰接。

钢管连接杆1上部之间固定连接有固定板3，即各钢管连接杆1之间通过固定板3固定连接，位于最上方的采样单元的圆板连接杆与固定板3滑动连接，通过圆板连接杆与固定板 3的连接，实现了采样部的定位。本发明中采样单元的数量可以由采样需求进行选择和确定。

本发明还包括利用上述取样装置进行取样的方法，该方法包括以下步骤。

第一，将该取样装置投放至海底的过程中，控制机械抓环2释放该取样装置，该装置在自重作用下贯入至沙体内。贯入过程中，由于提取部和采样部的重量和底面积不同，所受贯入阻力不同。提取部中的钢管连接杆1自重大，底面积小，贯入深度大，采样部中的圆板自重小，底面积大，贯入深度小。由此使得提取部和采样部之间产生相对位移，每一个采样单元的相邻圆板之间的空间两侧脱离环形储沙仓6侧壁的阻挡，暴露于沙波之中，由此沙波可以自由进出相邻两圆板之间的空间。在沙波迁移后，两圆板之间被砂体充满。

设砂质沉积物采样杆所在位置的沙波坡角为θ，观测时长为T，沙波迁移速率为v，环形储沙仓的高度为H，环形储沙仓的直径为D，相邻两环形储沙仓之间的间距为L，则在观测开始后的t时刻，观测点处沙波高程变化量Δh＝vt·tanθ。

以最底部的采样单元为例进行分析可得，在t(0<t<T)时刻进入取样单元Ⅰ的沉积物体积为V₁，

当0<vt<D时，

当D<vt<H·tanθ+D时，

当H·tanθ+D<vt<(L+H)·secθ时，

因此在开始观测后的t时刻进入砂质沉积物采样杆的沉积物总容积为：

第二，当该装置回收时，机械抓环2夹持钢管连接杆1向上提起，此时由于采样部和提取部之间相对独立，提取部的钢管连接杆1先于圆板被提起，当钢管连接杆1带动环形储沙仓底部6向上运动至其底部的圆环与圆板接触时，圆板收到向上的推力开始被提起。此时一个采样单元的两圆板完全进入钢管环形储沙仓6内，钢管环形储沙仓6的侧壁与两相邻圆板之间形成相对闭合空间，两圆板之间的砂体被封闭在钢管环形储沙仓6内，钢管连接杆1被提起的过程中，将处于两圆板之间的砂质沉积物一同采集提起。

设沉积物的浮容重为γ，砂质沉积物取样杆的自重为x(kg),要成功回收沉积物样品，则作用在砂质沉积物取样杆上的向上的拉力至少需要F(t)＝(V(t)·γ+x)·g,其中g为当地的重力加速度。

对海底沙波沉积物取样装置取回的沙波土样进行标记保存，可用于后续对比不同高程下沙波土样的物理性质差异，对沙波土体的研究有重要意义。

以上对本发明所提供的海底沙波沉积物取样装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种海底沙波沉积物取样装置的取样方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.将取样装置贯入硬质砂质海床：

海底沙波沉积物取样装置包括提取部和采样部，采样部与提取部之间活动连接，提取部包括数根沿竖直方向平行设置的钢管连接杆和沿钢管连接杆的轴向设置的数个环形储沙仓，环形储沙仓设置在数根钢管连接杆之间，环形储沙仓内设有环形的腔体，环形储沙仓的环形侧壁与其外部的数根钢管连接杆固定连接，环形储沙仓的顶部呈开口状，环形储沙仓的底部设有环形孔；

所述采样部包括数个沿竖直方向设置的采样单元，采样单元包括圆板Ⅰ和圆板Ⅱ，圆板Ⅰ位于圆板Ⅱ的上方，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ之间通过位于中心的圆板连接杆固定连接，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ位于环形储沙仓内，圆板Ⅰ和圆板Ⅱ的尺寸小于环形储沙仓的内壁尺寸，圆板Ⅱ的尺寸大于环形储沙仓底部的环形孔的尺寸，相邻两采样单元之间的圆板连接杆之间通过紧固件连接，各钢管连接杆上部之间固定连接有固定板，位于最上方的采样单元的圆板连接杆顶端与固定板滑动连接；

将该取样装置投放至海底的过程中，该装置在自重作用下贯入至沙体内，贯入过程中，由于提取部和采样部的重量和底面积不同，所受贯入阻力不同：提取部中的钢管连接杆自重大，底面积小，贯入深度大；采样部中的圆板自重小，底面积大，贯入深度小，因此提取部和采样部之间产生相对位移，每一个采样单元的相邻圆板之间的空间两侧脱离环形储沙仓侧壁的阻挡，暴露于沙波之中，沙波进出相邻两圆板之间的空间，在沙波迁移后，两圆板之间被砂体充满；

设砂质沉积物采样杆所在位置的沙波坡角为θ，观测时长为T，沙波迁移速率为v，环形储沙仓的高度为H，环形储沙仓的直径为D，相邻两环形储沙仓之间的间距为L，则在观测开始后的t时刻，观测点处沙波高程变化量Δh＝vt·tanθ，开始观测后的t时刻进入砂质沉积物采样杆的沉积物总容积为：

S2.取样装置和沙波土样的回收：

将钢管连接杆向上提起，由于采样部和提取部之间相对独立，提取部的钢管连接杆先于圆板被提起，当钢管连接杆带动环形储沙仓底部向上运动至其底部的圆环与圆板接触时，圆板收到向上的推力开始被提起，此时一个采样单元的两圆板完全进入钢管环形储沙仓内，钢管环形储沙仓的侧壁与两相邻圆板之间形成相对闭合空间，两圆板之间的砂体被封闭在钢管环形储沙仓内，钢管连接杆1被提起的过程中，将处于两圆板之间的砂质沉积物一同采集提起；

设沉积物的浮容重为γ，砂质沉积物取样杆的自重为x(kg),要成功回收沉积物样品，则作用在砂质沉积物取样杆上的向上的拉力至少需要F(t)＝(V(t)·γ+x)·g,其中g为当地的重力加速度。

2.根据权利要求1所述的取样方法，其特征在于：所述各采样单元之间的圆板连接杆为一体式结构。

3.根据权利要求1所述的取样方法，其特征在于：钢管连接杆(1)的外侧设有控制其高度的机械抓环(2)。

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