CN111947826A - 基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置及其工作方法，包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统。贯入动力系统由回收环、浮标、凯夫拉电缆、限位筒、立方体限位块、控制单元、环形控制舱、重块和环形铁块，观测系统由第一孔压探杆、孔压探杆储存单元、圆台形限位块、单向限位装置、水平支撑杆、第二孔压探杆、第一贯入锥尖、孔压传感器、第二贯入锥尖和环形套环组成通过本发明，既满足内孤立波作用下海床孔压的原位观测装置的贯入需求，保证贯入效果，还能够将内孤立波的能量作为一种资源加以利用，以减少装置本身的设计运行成本，并能够满足实时、原位地观测内孤立波作用下海床内的孔隙水压力变化。

Description

基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及海底观测技术领域和海洋工程地质技术领域，具体而言，特别涉及一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置及其工作方法。

背景技术

海洋内波是发生在密度稳定层化海水内部的一种常见波动，其中作用较强的内孤立波通常由强流流过海底地形起伏较大的陆坡、海脊时激发形成。内孤立波是一种特殊的非线性内波，当内孤立波传播时，波土相互作用过程中，会引起海床内的应力场和孔隙水压力的波动。随着超静孔隙水压力的增大和竖向有效应力的减小，海床浅表层沉积物强度也会发生变化，进而导致海床变得不稳定甚至液化，促使沉积物再悬浮及海底滑坡发生。因此，内孤立波作用下孔隙水压力的产生和发展对研究海底滑坡等地质灾害具有重要意义。

由于缺乏原位观测资料用于建模和验证，内孤立波引发的海床孔隙水压力响应的研究虽然开展较早，但进展缓慢，仍处于理论分析阶段，一般是基于线性表面波和内波的双层流体系统以及无限深度多孔弹性海床模型，结合二维Boit固结理论，用解析法求解内孤立波导致的海床响应的孔隙水压力值。但是受现有技术手段的限制，数值模拟尚无法模拟出较复杂的现实情况，因此，对内孤立波作用下海床孔隙水压力的产生和发展过程的原位观测亟待解决。

目前海床沉积物中孔隙水压力的原位观测主要依靠地球物理、孔压静力触探、孔压探针等手段，但是这些并不能针对内孤立波作用导致的孔隙水压力的产生和发展过程进行原位监测。在现有技术的基础上，如何研发一种新装置及方法对于获得内孤立波作用下的真实的海床孔隙水压力具有重要的现实意义。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置及其工作方法。目的在于既满足内孤立波作用下海床孔压的原位观测装置的贯入需求，保证贯入效果，还能够将内孤立波的能量作为一种资源加以利用，以减少装置本身的设计运行成本，并能够满足实时、原位地观测内孤立波作用下海床内的孔隙水压力变化。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置，包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统，其中，贯入动力系统由回收环、浮标、凯夫拉电缆、限位筒、立方体限位块、控制单元、环形控制舱、重块和环形铁块组成，所述回收环焊接在浮标的顶端，浮标连接在3根凯夫拉电缆的一端，位于中间的凯夫拉电缆的另一端与重块连接，另外2根凯夫拉电缆的的另一端与环形控制舱连接，环形控制舱内部安装有通电电磁铁，限位筒内部为空腔，限位筒的上方对称装有2个立方体限位块，立方体限位块的一端位于限位筒的外部，立方体限位块的另一端贯穿限位筒位于限位筒的内腔中，重块位于限位筒的内部立方体限位块的下方，环形控制舱套装在限位筒的外部位于立方体限位块的下方，环形控制舱和立方体限位块上装有2组控制单元，限位筒的外部还套装有环形铁块，环形铁块位于环形控制舱的下方；

观测系统由第一孔压探杆、孔压探杆储存单元、圆台形限位块、单向限位装置、水平支撑杆、第二孔压探杆、第一贯入锥尖、孔压传感器、第二贯入锥尖和环形套环组成，第一孔压探杆采用不锈钢钢管，第一孔压探杆活动安装在限位筒的内部下方，第一孔压探杆的杆体上部是孔压探杆储存单元，第一孔压探杆的杆体下部外围安装3个圆台形限位块，限位筒的内部与圆台形限位块对应位置安装有单向限位装置，第一孔压探杆的下端固定安装第一贯入锥尖，第一贯入锥尖的上方固定安装有孔压传感器，孔压探杆储存单元和圆台形限位块位于限位筒的底端内部，第一贯入锥尖和孔压传感器位于限位筒的底端外部，水平支撑杆的中心设置环形套环，水平支撑杆通过环形套环套装在限位筒上并位于环形铁块的下方，水平支撑杆的两端垂直向下固定安装第二孔压探杆，第二孔压探杆底端固定安装第二贯入锥尖；

稳定系统由四脚架限位筒、圆管、稳定圆环、缓冲装置、重力锚、垂直支撑圆管组成，四脚架限位筒焊接在限位筒上并且位于环形套环的下方，四脚架限位筒的外壁呈十字固定安装有4个圆管，圆管的另一端与位于限位筒下方的稳定圆环焊接，稳定圆环的下安装有缓冲装置，缓冲装置通过垂直支撑圆管与重力锚相连。

作为优选方案，凯夫拉电缆，抗拉强度：≥70(kg)，工作环境温度：-45℃—120℃。

作为优选方案，单向限位装置的材质为柔性材料。

作为优选方案，四脚架限位筒与圆管之间采用焊接的方式安装。

作为优选方案，重力锚材质为钢筋混凝土材料，密度为2800 kg/m³。

作为优选方案，缓冲装置内部安装有缓冲弹簧，垂直支撑圆管与重力锚为刚性连接。

一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置的工作方法，具体步骤如下：

S1：设备室内检测与标定：在观测之前稳定圆环、第二贯入锥尖与第二孔压探杆需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；

S2：选择观测海域与布放船：根据已有观测资料对观测海域进行分析，在三级海况以下作业，凯夫拉电缆和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置，布放具有3吨以上吊车等必要的布放设备的作业船；

S3：组装装置：将第一孔压探杆、第二孔压探杆、潜标、重块组装在四脚架上，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；

S5：布放工作：利用GPS定位系统将作业船行驶至预定观测点，观测布放海域周围4平方海里海流、水深和底质条件；根据海流和船舶漂移速度，确定开始布放位置，采用先布标后布锚的布放方法；利用起吊装置将装置用布放缆起吊，下放入海，待其漂离后，起吊重力锚，将重力锚吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚，记录入水时间、布放水深、经纬度；

S5：观测装置工作：观测装置布放结束后，观测装置稳定在海床底部，两种观测探杆开始工作，当内孤立波发生并传播时，潜标受到内孤立波的作用下移，凯夫拉电缆失去拉力，环形控制舱与重块下移，重块锤击第一孔压探杆使其向下移动，当圆台形限位块经过单向限位单元时，单向限位单元可阻止第一孔压探杆回弹，当内孤立波的一个周期结束时，凯夫拉电缆重新恢复拉力，环形控制舱通过磁力带动下方环形铁块向上运动，重块也恢复至初始状态，当环形控制舱上方的控制单元与立方体限位块下方的控制单元相接触时，环形控制舱被短路，失去磁性，环形铁块在重力作用下下落，锤击水平支撑杆使第二孔压探杆贯入沙波，当第一孔压探杆与发生换能器相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆与四脚架限位筒相接触时，第二孔压探杆达到最大贯入深度；

S6：回收装置：原位观测结束，作业船行驶至观测海域，通过下方水下机器人ROV，将回收缆绳与潜标相连，将装置整体回收，此时稳定圆环固定第一孔压探杆，四脚架限位筒固定第二孔压探杆，收集第一孔压探杆内与水平支撑杆上第二孔压探杆的储存数据，并对观测装置进行清洗与维护；

S7：孔压探杆数据处理：

在孔压探杆多次贯入过程中，重块（8）质量m_块，孔压探杆（10）质量m_杆，贯入过程中的阻力为f，由于随着贯入深度的增加，贯入阻力也会变化，贯入过程中的加速度随之变化，假设在dt一个微小的时间段内，贯入阻力为恒定值，内孤立波周期为T；

孔隙水压力的变化除了受到内孤立波的作用，还受到贯入过程的影响；因此测量出来的超孔压数值包含贯入过程中探头对海床内孔隙水压力的影响；根据孔穴扩张理论把孔压探头周围土中的应力和孔隙水压力增量以圆柱孔扩张理论来估算，孔穴扩张理论认为孔隙水压力为对数型衰减规律；在不排水条件下贯入饱和土体，探头周围的孔压增量△u，

塑性区

弹性区

R为超孔隙水压力影响半径；

为不排水抗剪强度，

为空穴扩张后半径，

为塑性区最大半径，

，

为土的刚度指数，以上参数均由钻孔取样获得，

为Skempton孔隙水压力系数；因此，测得的超孔压数据u减去由探杆贯入引起的超孔压

，得到的结果才是内孤立波作用下的超孔压；

S8：贯入过程中的力学数据处理：

贯入力F=m_块+m_杆-f= m_杆 * a；

内孤立波发生并传播的第一个周期：贯入位移：

；

测量到一个波周期作用内，从海床表面至深度

处的孔隙水压力u₁；

当一个内孤立波周期结束后，凯夫拉电缆（3）重新恢复拉力，环形控制舱（7）通过磁力带动下方环形铁块（11）向上运动，重块（8）也恢复至初始状态，当环形控制舱（7）上方的控制单元（6）与立方体限位块（5）下方的控制单元（6）相接触时，环形控制舱（7）被短路，失去磁性，环形铁块（11）在重力作用下下落，锤击水平支撑杆（15）使两侧的孔压探杆（12）贯入海床，贯入位移

，测量到内孤立波作用一个周期之后海床表面至深度

处的孔隙水压力

；

当内孤立波再次发生并传播时，同理，测量到第二个周期内，海床深度

至

的孔隙水压力u₂，以及第二个周期过期之后的孔隙水压力

；

当n个内孤立波周期作用后，中心位孔压探杆（10）与靠下的单向限位单元（16）相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆（15）与四脚架限位筒（13）相接触时，两侧孔压探杆（12）达到最大贯入深度；总中心孔压探杆（10）总贯入位移

,两侧孔压探杆（12）总贯入位移

；

在相同的孔压传感器采集频率下，比较u₁和

，

，

即为两次贯入过程中，一个内孤立波周期作用之下，海床孔隙水压力的消散值，取t为下横轴，位移x为上横轴，

为纵轴，得到不同深度不同时间下的孔压消散图；取t为下横轴，x为上横轴，u为纵轴，得到不同深度不同时间下的孔压累积趋势图；当u在某一深度处出现突变时，即可证明在内孤立波的作用下，海床孔隙水压力的变化是有一定深度范围的。在此深度以下，内孤立的作用便不再能影响到海床沉积物内的孔隙水压力，从而不会影响此深度以下的沉积物强度和稳定性。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：与现有的技术相比，本发明装置创新性地将内孤立波的能量作为一种资源并加以利用，将其转换为两种观测探杆的贯入动能，有效地保证了两种观测探杆能够贯入海底沙波一定深度，与传统装置相比，本装置无需自带配电设施以提供贯入动力，加上可以多次回收再利用，大大降低了观测成本；同时在四脚架底部加入缓冲装置，可保证本装置在不均一海床下两观测探杆垂直海底贯入。本发明装置使用两种观测探杆对海底沙波的物理性质进行综合分析，能够提高观测结果的准确性。本发明装置可以实现海底海水—海床界面—海底沙波物理性质的原位、长期观测，在工程地质环境监测与海底科学研究中具有应用价值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为贯入系统上部的结构示意图；

图5为孔压探杆的结构示意图；

图6为水平支撑杆的结构示意图；

图7为本发明的海底沙波原位观测装置贯入流程示意图；

图8为控制单元的控制原理电路图，

其中，图1至图7中附图标记与部件之间的对应关系为：

1、回收环，2、浮标，3、凯夫拉电缆，4、限位筒，5、立方体限位块，6、控制单元，7、环形控制舱，8、重块，9、孔压探杆储存单元，10、第一孔压探杆，11、环形铁块，12、第二孔压探杆，13、四脚架限位筒，14、圆台形限位块，15、水平支撑杆，16、单向限位单元，17、圆管，18、稳定圆环，19、缓冲装置，20、垂直支撑圆管，21、重力锚，22、第一贯入锥尖，23、孔压传感器，24、第二贯入锥尖，25、环形套环。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1至图7对本发明的实施例的基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置及其工作方法进行具体说明。

如图1至图7所示，本发明提出了一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统，其中，贯入动力系统由回收环1、浮标2、凯夫拉电缆3、限位筒4、立方体限位块5、控制单元6、环形控制舱7、重块8和环形铁块11组成，回收环1焊接在浮标2的顶端，回收环1的作用是通过悬挂钩锁将整体装置回收，浮标2连接在3根凯夫拉电缆3的一端，凯夫拉电缆3，抗拉强度：≥70kg，工作环境温度：-45℃—120℃。位于中间的凯夫拉电缆3的另一端与重块8连接，另外2根凯夫拉电缆3的的另一端与环形控制舱7连接，当凯夫拉电缆3失去拉力时，重块8和环形控制舱7将会下落，以实现声学探杆10的贯入。环形控制舱7内部安装有通电电磁铁，限位筒4内部为空腔，限位筒4的上方对称装有2个立方体限位块5，立方体限位块5的一端位于限位筒4的外部，立方体限位块5的另一端贯穿限位筒4位于限位筒4的内腔中，重块8位于限位筒4的内部立方体限位块5的下方，立方体限位块5限制重块8的最大位移。环形控制舱7套装在限位筒4的外部位于立方体限位块5的下方，限位筒4的外部还套装有环形铁块11，环形铁块11位于环形控制舱7的下方，环形控制舱7可在限位筒4外部上下运动，其内部安装有通电电磁铁，通过磁力带动下方环形铁块11在限位筒4外部运动；环形控制舱7和立方体限位块5上装有2组控制单元6，环形控制舱7上方的控制单元6与立方体限位块5下方的控制单元是一组，当两者相接触时，环形控制舱7内部的电磁铁被短路，失去磁性，下方环形铁块11在自重作用下下落，实现电阻率探杆的贯入，环形控制舱7通过两组控制单元6实现对环形铁块11的吸引与释放，其原理如图8所示，图中：E为电源，K₁为控制单元，R为保护电阻，D₁与D₂为电磁铁，K₂为弹簧开关，D₁与K₂组成继电器，Is为电流源。除控制单元K₁以外，其余各电路元件均位于环形控制舱内部。两组控制单元6相接触时，K₁闭合，此时电磁铁D₁被短路，弹簧开关K₂断开，电磁铁D₂丧失磁力释放环形铁块；两组控制单元分离时，即K₁打开，此时电磁铁D₁通电吸引弹簧开关K₂闭合，电磁铁D₂通电吸引环形控制舱下方环形铁块11。

观测系统由第一孔压探杆10、孔压探杆储存单元9、圆台形限位块14、单向限位装置16、水平支撑杆15、第二孔压探杆12、第一贯入锥尖22、孔压传感器23、第二贯入锥尖24和环形套环25组成，第一孔压探杆10采用不锈钢钢管，第一孔压探杆10活动安装在限位筒4的内部下方，第一孔压探杆10的杆体上部是孔压探杆储存单元9，声学探杆储存单元9通过导线与声学发射与接收换能器相连，能够控制并测量换能器产生的声学信号，数据采集的结果可存放在储存单元自带的USB自容式存储盘，以供后期回收装置时取回原始数据分析使用。第一孔压探杆10的杆体下部外围安装3个圆台形限位块14，限位筒4的内部与圆台形限位块14对应位置安装有单向限位装置16，单向限位装置16的材质为柔性材料，限位筒4和单向限位装置16两者配合以实现声学探杆10在向下贯入过程中，保证圆台形限位块14在通过单向限位单元16后不发生回弹，稳定贯入深度。第一孔压探杆10的下端固定安装第一贯入锥尖22，第一贯入锥尖22的上方固定安装有孔压传感器23，孔压探杆储存单元9和圆台形限位块14位于限位筒4的底端内部，第一贯入锥尖22和孔压传感器23位于限位筒4的底端外部，水平支撑杆15的中心设置环形套环25，水平支撑杆15通过环形套环25套装在限位筒4上并位于环形铁块11的下方，第一孔压探杆10和第二孔压探杆12材质为耐腐蚀材料。水平支撑杆15的两端垂直向下固定安装第二孔压探杆12，第二孔压探杆12底端固定安装第二贯入锥尖24。

稳定系统由四脚架限位筒13、圆管17、稳定圆环18、缓冲装置19、重力锚21、垂直支撑圆管20组成，四脚架限位筒13焊接在限位筒4上并且位于环形套环27的下方，，四脚架限位筒13以限制水平支撑杆最大贯入位移。四脚架限位筒13的外壁呈十字固定安装有4个圆管17，四脚架限位筒13与圆管17之间采用焊接的方式安装，圆管17的另一端与位于限位筒4下方的稳定圆环18焊接，稳定圆环18的下安装有缓冲装置19，以满足装置在不平缓海底下的稳定性。缓冲装置19通过垂直支撑圆管20与重力锚21相连，缓冲装置19内部安装有缓冲弹簧，垂直支撑圆管20与重力锚21为刚性连接，当海床底部有一定倾斜角度时，海床波峰处先与重力锚接触，此时垂直支撑圆管压缩缓冲弹簧，缓冲装置内部每隔一定距离安装一限位块，防止垂直支撑圆管回弹；直至海床波谷处与另一重力锚相接触并稳定时，缓冲弹簧不再压缩，装置可在一定倾斜角度的海床上保持稳定。重力锚21材质为钢筋混凝土材料，密度为2800 kg/m³，重力锚21具体质量和体积需根据观测系统设置配置，为整套系统提供驻底重力以维持稳定。

工作原理

本观测原理是将观测装置投放在海底处，重力锚触底后，若海床有一定倾斜角度，可通过四脚架与重力锚连接处的缓冲装置维持稳定。孔压探杆在自重作用下贯入沉积物一定深度。限位筒外部环形控制舱内安装有通电电磁铁，环形舱与上部潜标通过凯夫拉电缆相连，环形控制舱在装置稳定时与贯入系统上部立方体限位块连接在一起，此时环形舱内部的电磁铁被控制单元短路。当内孤立波发生传播时，潜标位置下移，凯夫拉电缆失去拉力，限位筒内部重块下落，锤击孔压探杆使其贯入沉积物，外部环形控制舱在自重作用下也向下方移动，环形控制舱与限位块分离后通电，电磁铁产生磁性，当环形舱与下方环形铁块相接近时会将环形铁块吸住，当内孤立波的一个周期过去后，凯夫拉电缆恢复拉力，拉着重块与环形控制舱上移，当环形控制舱与立方体限位块相接触时，控制单元将电磁铁短路，电磁铁失去磁性，环形铁块下落锤击水平支撑杆使两侧孔压探杆贯入海床。限位筒下方设置有圆台形凹槽，两观测探杆存在最大贯入深度。

监测原理

孔压传感器用于测量海底沉积物的超孔压变化，并输出为数字信号，传递给数据采集存储单元。基于光纤光栅压差式孔压传感器制作的超孔压测量探杆，可以实现对超孔压的直接、高精度测量。压差式传感器可以测量作用在传感器上的两个压力之差。

探杆为密封杆，传感器位于探杆内部，贯入沉积物中之后的姿态为顶端一段位于海水中，下部探杆处于沉积物中；顶端连接有管道可以连通上部海水，将静水压力引入探杆内部，此压力通过内部结构会作用在压差式传感器的其中一侧；探杆外壁受到来自沉积物的土-水总压力作用，传感器位置处管壁安装有透水石，可将外部环境的总水压力导入管内，此压力通过内部结构会作用在压差式传感器的另一侧，通过此压差的测量即可得到该位置处沉积物的超孔压值。

在孔压探杆多次贯入过程中，内孤立波也在传播，因此，超孔压数据能够反映出内孤立波作用下海床的动力响应。在内孤立波作用于海床的室内试验和数值模拟计算中，内孤立波的循环作用能够引起的较高的超孔压，极大地影响了表层海床，并且内孤立波的作用大小和超孔压显示出一定的线性关系。超孔压的传播深度比内孤立波的半波长小一个数量级，而且比表面波作用下的超孔压传播深度大。

一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置的工作方法，具体步骤如下：

S1：设备室内检测与标定：在观测之前稳定圆环18、第二贯入锥尖24与第二孔压探杆12需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；

S2：选择观测海域与布放船：根据已有观测资料对观测海域进行分析，在三级海况以下作业，凯夫拉电缆3和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置，布放具有3吨以上吊车等必要的布放设备的作业船；

S3：组装装置：将第一孔压探杆10、第二孔压探杆12、潜标2、重块8组装在四脚架上，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；

S5：布放工作：利用GPS定位系统将作业船行驶至预定观测点，观测布放海域周围4平方海里海流、水深和底质条件；根据海流和船舶漂移速度，确定开始布放位置，采用先布标后布锚的布放方法；利用起吊装置将装置用布放缆起吊，下放入海，待其漂离后，起吊重力锚21，将重力锚21吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚21，记录入水时间、布放水深、经纬度；

S5：观测装置工作：观测装置布放结束后，观测装置稳定在海床底部，两种观测探杆开始工作，当内孤立波发生并传播时，潜标2受到内孤立波的作用下移，凯夫拉电缆3失去拉力，环形控制舱7与重块8下移，重块8锤击第一孔压探杆10使其向下移动，当圆台形限位块14经过单向限位单元16时，单向限位单元16可阻止第一孔压探杆10回弹，当内孤立波的一个周期结束时，凯夫拉电缆3重新恢复拉力，环形控制舱7通过磁力带动下方环形铁块11向上运动，重块8也恢复至初始状态，当环形控制舱7上方的控制单元6与立方体限位块5下方的控制单元6相接触时，环形控制舱7被短路，失去磁性，环形铁块11在重力作用下下落，锤击水平支撑杆15使第二孔压探杆12贯入沙波，当第一孔压探杆10与发生换能器18相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆15与四脚架限位筒13相接触时，第二孔压探杆12达到最大贯入深度；

S6：回收装置：原位观测结束，作业船行驶至观测海域，通过下方水下机器人ROV，将回收缆绳与潜标2相连，将装置整体回收，此时稳定圆环18固定第一孔压探杆10，四脚架限位筒13固定第二孔压探杆12，收集第一孔压探杆10内与水平支撑杆15上第二孔压探杆12的储存数据，并对观测装置进行清洗与维护；

S7：孔压探杆数据处理：

在孔压探杆多次贯入过程中，重块（8）质量m_块，孔压探杆（10）质量m_杆，贯入过程中的阻力为f，由于随着贯入深度的增加，贯入阻力也会变化，贯入过程中的加速度随之变化，假设在dt一个微小的时间段内，贯入阻力为恒定值，内孤立波周期为T；

孔隙水压力的变化除了受到内孤立波的作用，还受到贯入过程的影响；因此测量出来的超孔压数值包含贯入过程中探头对海床内孔隙水压力的影响；根据孔穴扩张理论把孔压探头周围土中的应力和孔隙水压力增量以圆柱孔扩张理论来估算，孔穴扩张理论认为孔隙水压力为对数型衰减规律；在不排水条件下贯入饱和土体，探头周围的孔压增量△u，

塑性区

弹性区

R为超孔隙水压力影响半径；

为不排水抗剪强度，

为空穴扩张后半径，

为塑性区最大半径，

，

为土的刚度指数，以上参数均由钻孔取样获得，

为Skempton孔隙水压力系数；因此，测得的超孔压数据u减去由探杆贯入引起的超孔压

，得到的结果才是内孤立波作用下的超孔压；

S8：贯入过程中的力学数据处理：

贯入力F=m_块+m_杆-f= m_杆 * a；

内孤立波发生并传播的第一个周期：贯入位移：

；

测量到一个波周期作用内，从海床表面至深度

处的孔隙水压力u₁；

当一个内孤立波周期结束后，凯夫拉电缆（3）重新恢复拉力，环形控制舱（7）通过磁力带动下方环形铁块（11）向上运动，重块（8）也恢复至初始状态，当环形控制舱（7）上方的控制单元（6）与立方体限位块（5）下方的控制单元（6）相接触时，环形控制舱（7）被短路，失去磁性，环形铁块（11）在重力作用下下落，锤击水平支撑杆（15）使两侧的孔压探杆（12）贯入海床，贯入位移

，测量到内孤立波作用一个周期之后海床表面至深度

处的孔隙水压力

；

当内孤立波再次发生并传播时，同理，测量到第二个周期内，海床深度

至

的孔隙水压力u₂，以及第二个周期过期之后的孔隙水压力

；

当n个内孤立波周期作用后，中心位孔压探杆（10）与靠下的单向限位单元（16）相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆（15）与四脚架限位筒（13）相接触时，两侧孔压探杆（12）达到最大贯入深度；总中心孔压探杆（10）总贯入位移

,两侧孔压探杆（12）总贯入位移

；

在相同的孔压传感器采集频率下，比较u₁和

，

，

即为两次贯入过程中，一个内孤立波周期作用之下，海床孔隙水压力的消散值，取t为下横轴，位移x为上横轴，

为纵轴，得到不同深度不同时间下的孔压消散图；取t为下横轴，x为上横轴，u为纵轴，得到不同深度不同时间下的孔压累积趋势图；当u在某一深度处出现突变时，即可证明在内孤立波的作用下，海床孔隙水压力的变化是有一定深度范围的。在此深度以下，内孤立的作用便不再能影响到海床沉积物内的孔隙水压力，从而不会影响此深度以下的沉积物强度和稳定性。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置，包括贯入动力系统、观测系统、稳定系统，其特征在于,所述贯入动力系统由回收环（1）、浮标（2）、凯夫拉电缆（3）、限位筒（4）、立方体限位块（5）、控制单元（6）、环形控制舱（7）、重块（8）和环形铁块（11）组成，所述回收环（1）焊接在浮标（2）的顶端，浮标（2）连接在3根凯夫拉电缆（3）的一端，位于中间的凯夫拉电缆（3）的另一端与重块（8）连接，另外2根凯夫拉电缆（3）的的另一端与环形控制舱（7）连接，环形控制舱（7）内部安装有通电电磁铁，限位筒（4）内部为空腔，限位筒（4）的上方对称装有2个立方体限位块（5），立方体限位块（5）的一端位于限位筒（4）的外部，立方体限位块（5）的另一端贯穿限位筒（4）位于限位筒（4）的内腔中，重块（8）位于限位筒（4）的内部立方体限位块（5）的下方，环形控制舱（7）套装在限位筒（4）的外部位于立方体限位块（5）的下方，环形控制舱（7）和立方体限位块（5）上装有2组控制单元（6），限位筒（4）的外部还套装有环形铁块（11），环形铁块（11）位于环形控制舱（7）的下方；

所述观测系统由第一孔压探杆（10）、孔压探杆储存单元（9）、圆台形限位块（14）、单向限位装置（16）、水平支撑杆（15）、第二孔压探杆（12）、第一贯入锥尖（22）、孔压传感器（23）、第二贯入锥尖（24）和环形套环（25）组成，第一孔压探杆（10）采用不锈钢钢管，第一孔压探杆（10）活动安装在限位筒（4）的内部下方，第一孔压探杆（10）的杆体上部是孔压探杆储存单元（9），第一孔压探杆（10）的杆体下部外围安装3个圆台形限位块（14），限位筒（4）的内部与圆台形限位块（14）对应位置安装有单向限位装置（16），第一孔压探杆（10）的下端固定安装第一贯入锥尖（22），第一贯入锥尖（22）的上方固定安装有孔压传感器（23），孔压探杆储存单元（9）和圆台形限位块（14）位于限位筒（4）的底端内部，第一贯入锥尖（22）和孔压传感器（23）位于限位筒（4）的底端外部，水平支撑杆（15）的中心设置环形套环（25），水平支撑杆（15）通过环形套环（25）套装在限位筒（4）上并位于环形铁块（11）的下方，水平支撑杆（15）的两端垂直向下固定安装第二孔压探杆（12），第二孔压探杆（12）底端固定安装第二贯入锥尖（24）；

所述稳定系统由四脚架限位筒（13）、圆管（17）、稳定圆环（18）、缓冲装置（19）、重力锚（21）、垂直支撑圆管（20）组成，四脚架限位筒（13）焊接在限位筒（4）上并且位于环形套环（25）的下方，四脚架限位筒（13）的外壁呈十字固定安装有4个圆管（17），圆管（17）的另一端与位于限位筒（4）下方的稳定圆环（18）焊接，稳定圆环（19）的下安装有缓冲装置（19），缓冲装置（19）通过垂直支撑圆管（20）与重力锚（21）相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置,其特征在于,所述凯夫拉电缆（3），抗拉强度：≥70(kg)，工作环境温度：-45℃—120℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置,其特征在于,所述单向限位装置（16）的材质为柔性材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置,其特征在于,所述四脚架限位筒（13）与圆管（17）之间采用焊接的方式安装。

5.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置,其特征在于,所述重力锚（21）材质为钢筋混凝土材料，密度为2800 kg/m³。

6.根据权利要求1所述的一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置,其特征在于,所述缓冲装置（19）内部安装有缓冲弹簧，垂直支撑圆管（20）与重力锚（21）为刚性连接。

7.如权利要求1-6所述的一种基于内孤立波的海床孔隙水压力观测装置的工作方法，其特征在于,具体步骤如下：

S1：设备室内检测与标定：在观测之前稳定圆环（18）、第二贯入锥尖（24）与第二孔压探杆（12）需按照国家标准GB/T12763.10—2007进行校准标定，保证处于正常工作状态，仪器精度符合国标要求；

S2：选择观测海域与布放船：根据已有观测资料对观测海域进行分析，在三级海况以下作业，凯夫拉电缆（3）和相关缆绳的长度根据测点水深情况设置，布放具有3吨以上吊车等必要的布放设备的作业船；

S3：组装装置：将第一孔压探杆（10）、第二孔压探杆（12）、潜标（2）、重块（8）组装在四脚架上，整个观测装置安装好之后，将其搭载于布放船上；

S5：布放工作：利用GPS定位系统将作业船行驶至预定观测点，观测布放海域周围4平方海里海流、水深和底质条件；根据海流和船舶漂移速度，确定开始布放位置，采用先布标后布锚的布放方法；利用起吊装置将装置用布放缆起吊，下放入海，待其漂离后，起吊重力锚（21），将重力锚（21）吊至水面，确认水深符合要求，释放重力锚（21），记录入水时间、布放水深、经纬度；

S5：观测装置工作：观测装置布放结束后，观测装置稳定在海床底部，两种观测探杆开始工作，当内孤立波发生并传播时，潜标（2）受到内孤立波的作用下移，凯夫拉电缆（3）失去拉力，环形控制舱（7）与重块（8）下移，重块（8）锤击第一孔压探杆（10）使其向下移动，当圆台形限位块（14）经过单向限位单元（16）时，单向限位单元（16）可阻止第一孔压探杆（10）回弹，当内孤立波的一个周期结束时，凯夫拉电缆（3）重新恢复拉力，环形控制舱（7）通过磁力带动下方环形铁块（11）向上运动，重块（8）也恢复至初始状态，当环形控制舱（7）上方的控制单元（6）与立方体限位块（5）下方的控制单元（6）相接触时，环形控制舱（7）被短路，失去磁性，环形铁块（11）在重力作用下下落，锤击水平支撑杆（15）使第二孔压探杆（12）贯入沙波，当第一孔压探杆（10）与发生换能器（18）相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆（15）与四脚架限位筒（13）相接触时，第二孔压探杆（12）达到最大贯入深度；

S6：回收装置：原位观测结束，作业船行驶至观测海域，通过下方水下机器人ROV，将回收缆绳与潜标（2）相连，将装置整体回收，此时稳定圆环（18）固定第一孔压探杆（10），四脚架限位筒（13）固定第二孔压探杆（12），收集第一孔压探杆（10）内与水平支撑杆（15）上第二孔压探杆（12）的储存数据，并对观测装置进行清洗与维护；

S7：孔压探杆数据处理：

在孔压探杆多次贯入过程中，重块（8）质量m_块，孔压探杆（10）质量m_杆，贯入过程中的阻力为f，由于随着贯入深度的增加，贯入阻力也会变化，贯入过程中的加速度随之变化，假设在dt一个微小的时间段内，贯入阻力为恒定值，内孤立波周期为T；

孔隙水压力的变化除了受到内孤立波的作用，还受到贯入过程的影响；因此测量出来的超孔压数值包含贯入过程中探头对海床内孔隙水压力的影响；根据孔穴扩张理论把孔压探头周围土中的应力和孔隙水压力增量以圆柱孔扩张理论来估算，孔穴扩张理论认为孔隙水压力为对数型衰减规律；在不排水条件下贯入饱和土体，探头周围的孔压增量△u，

塑性区

弹性区

R为超孔隙水压力影响半径；

为不排水抗剪强度，

为空穴扩张后半径，

为塑性区最大半径，

，

为土的刚度指数，以上参数均由钻孔取样获得，

为Skempton孔隙水压力系数；因此，测得的超孔压数据u减去由探杆贯入引起的超孔压

，得到的结果才是内孤立波作用下的超孔压；

S8：贯入过程中的力学数据处理：

贯入力F=m_块+m_杆-f= m_杆 * a；

内孤立波发生并传播的第一个周期：贯入位移：

；

测量到一个波周期作用内，从海床表面至深度

处的孔隙水压力u₁；

当一个内孤立波周期结束后，凯夫拉电缆（3）重新恢复拉力，环形控制舱（7）通过磁力带动下方环形铁块（11）向上运动，重块（8）也恢复至初始状态，当环形控制舱（7）上方的控制单元（6）与立方体限位块（5）下方的控制单元（6）相接触时，环形控制舱（7）被短路，失去磁性，环形铁块（11）在重力作用下下落，锤击水平支撑杆（15）使两侧的孔压探杆（12）贯入海床，贯入位移

，测量到内孤立波作用一个周期之后海床表面至深度

处的孔隙水压力

；

当内孤立波再次发生并传播时，同理，测量到第二个周期内，海床深度

至

的孔隙水压力u₂，以及第二个周期过期之后的孔隙水压力

；

当n个内孤立波周期作用后，中心位孔压探杆（10）与靠下的单向限位单元（16）相接触时，达到最大贯入深度，水平支撑杆（15）与四脚架限位筒（13）相接触时，两侧孔压探杆（12）达到最大贯入深度；总中心孔压探杆（10）总贯入位移

,两侧孔压探杆（12）总贯入位移

；

在相同的孔压传感器采集频率下，比较u₁和

，

，

即为两次贯入过程中，一个内孤立波周期作用之下，海床孔隙水压力的消散值，取t为下横轴，位移x为上横轴，

为纵轴，得到不同深度不同时间下的孔压消散图；取t为下横轴，x为上横轴，u为纵轴，得到不同深度不同时间下的孔压累积趋势图；当u在某一深度处出现突变时，即可证明在内孤立波的作用下，海床孔隙水压力的变化是有一定深度范围的。

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