CN112051187B - 海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法 - Google Patents
海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法，包括中心立柱，在中心立柱圆周沿不同深度分布的多个监测盒；监测盒包括盒身、盒盖、称重盒底、盒盖上支撑、称重盒底下支撑、盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸，盒盖驱动液压缸用于驱动盒盖沿盒盖上支撑横向滑动，实现盒盖与盒身闭合或者打开；称重盒底驱动液压缸用于驱动称重盒底沿称重盒底下支撑横向滑动，实现称重盒底与盒身闭合或者打开；整个装置放置于海底监测区域，静置一段时间后关闭盒盖和称重盒底，测定监测盒内回淤物的总重量，再根据监测盒的实际体积计算得到各个深度位置的监测盒内回淤物的容重；将整个装置在封闭条件下打捞出水面，实现取样。
Description
技术领域
本发明属于海底回淤物检测及取样技术领域，具体涉及一种海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法。
背景技术
水下开挖基槽是近海工程中十分常见的施工形式，如沉管隧道工程、海底管道工程等都离不开基槽开挖，但由于基槽开挖的施工工期较长，基槽内难免会产生回淤沉积物。关于回淤沉积物的形成原因和条件，已取得了较为一致的认识，即细颗粒泥沙悬扬后，随水流运移到基槽内而落淤。粘性土悬沙在沉降过程中，由于絮凝作用，使得泥沙颗粒形成絮凝颗粒，达到一定浓度后絮凝聚集成蜂窝状高含沙絮团结构，并与上层水体间出现清晰界面，当浓度大到足以改变流变特性时，悬浮物变成沉积物；或者海床表层淤泥软化后在水平方向发生流动后聚集在一起，或者泥沙在大风浪作用下起动形成高含沙水体，然后在重力作用下向基槽内汇聚形成回淤沉积物。大量的回淤沉积物会严重影响工程的施工质量，延长工期，增加施工成本，因此，施工之前必须明确回淤沉积物的物理力学特性，为工程的顺利开展提供数据保障。
工程经验表明，沉积在基槽内的回淤沉积物由三部分组成，上部为含水率高、粒径较小、重度较小的流泥和浮泥，中部为含水率、粒径、重度较适中的淤泥，下部为颗粒较大、含水率较大、重度较大的淤泥质土。对于以上三部分的土体规范中均给出了相应的定义，如《港口工程地质勘查规范》(JTJ 240-97)及《港口工程地基规范》(JTJ250-98)将淤泥性土的划分为淤泥质土、淤泥、流泥、浮泥4个亚类(如表1所示)，而《水运工程岩土勘察规范》(JTS133-2013)以及《水运工程地基设计规范》(JTS147-2017)中将淤泥性土划分为淤泥质土、淤泥和流泥3个亚类(如表2所示)。
表1淤泥性土分类
表2淤泥性土分类
无论对淤泥性土如何划分，规范中均认为浮泥无结构强度、无附着力，对抛石基床不会形成夹层，可忽略其存在。行业规范将重度、孔隙比和含水率作为衡量回淤物对工程施工质量影响的重要指标，其中重度是最常用的指标，因此，工程开展之前需要对回淤物的重度进行准确测定。大量工程经验表明：海底基槽内的回淤物具有重度随深度不断变化、土体特性易扰动等特点，如何能够在微扰动前提下准确测量不同深度处回淤物的重度值，对于实际工程具有重要现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法。既能原位测定海底回淤物不同深度处的容重，又能通过盖板闭合，达到对海底不同深度处的回淤物进行微扰动取样的目的，进而在实验室中获取关于回淤物更多的物理力学指标。通过明确回淤物的物理力学指标，明确回淤物对于海洋工程施工的影响，为海洋工程的顺利实施提供数据支持。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法：
包括中心立柱，在中心立柱圆周沿不同深度分布的多个监测盒；
所述监测盒包括盒身、盒盖、称重盒底、盒盖上支撑、称重盒底下支撑、盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸，其中，盒身的侧部固定在中心立柱的外壁上，盒身上下通透开口，以使基槽内产生的回淤物在沉积过程中能够穿过盒身；盒盖通过滑轨横向滑动安装在盒盖上支撑上，称重盒底通过滑轨横向滑动安装在称重盒底下支撑上；所述盒盖驱动液压缸用于驱动盒盖沿盒盖上支撑横向滑动，实现盒盖与盒身闭合或者打开；所述称重盒底驱动液压缸用于驱动称重盒底沿称重盒底下支撑横向滑动，实现称重盒底与盒身闭合或者打开；
所述称重盒底包括盒底外壳、称重板和称重传感器，其中，盒底外壳具有底面和四个侧面，称重板水平设置在盒底外壳内部顶面位置，称重传感器设置在称重板和盒底外壳底面之间；称重板和盒底外壳四个侧面之间为间隙配合，并在称重板和盒底外壳四个侧面之间设置有防水密封膜；
中心立柱的内部具有设备安装空腔，所述盒盖驱动液压缸的缸身和称重盒底驱动液压缸的缸身均安装在中心立柱的设备安装空腔中，盒盖驱动液压缸的动作杆位于中心立柱外部并与盒盖连接，称重盒底驱动液压缸的动作杆位于中心立柱外部并与称重盒底连接；在中心立柱的备安装空腔中设置有液压控制系统，用于控制各盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸动作；在中心立柱的备安装空腔中设置是有数据采集模块，该数据采集模块通过防水线缆与各称重盒底中的称重传感器连接，实现数据采集；
将整个装置放置于海底监测区域，静置一段时间或者达到施工静置时间要求；
然后，将监测盒的盒盖、称重盒底同时关闭；
然后，利用称重盒底测定监测盒内回淤物的总重量，再根据监测盒的实际体积计算得到各个深度位置的监测盒内回淤物的容重；
然后，将整个装置在封闭条件下打捞出水面，将监测盒内的回淤物在实验室内开展基本物理力学指标试验。
进一步的说，计算监测盒内回淤物容重的公式为：
式中：γ为监测盒内土体的容重，kN/m3；M为监测盒内土体的总重量，kN；V为监测盒关闭时的体积，m3。
进一步的说，将计算得到的各个深度位置处的监测盒内回淤物的容重数据通过远程无线通讯模块发送给监控终端。
本发明的优点和有益效果为：
本发明填补了海洋工程中关于海底沉积物容重大小精准测试的空白，可有效应用于海底沉管隧道安装工程、海底管道安装工程等，可为沉管隧道的顺利安装提供更加可靠的设计参数。本发明采用原位监测手段，通过测定自然落淤条件下，水下回淤物的重量，并根据监测盒的体积，进而得到回淤物的容重，有效减小了检测手段带来的扰动影响，更重要的是，通过该装置还可达到水下无扰动取样的目的。
附图说明
图1是本发明的原位测试及微扰动取样装置的结构示意图。
图2是本发明的原位测试及微扰动取样装置的剖视结构示意图(盒盖和称重盒底打开状态)。
图3是本发明的原位测试及微扰动取样装置的俯视结构示意图。
图4是本发明的原位测试及微扰动取样装置的剖视结构示意图(盒盖和称重盒底闭合状态)。
图5是图4的监测盒的A向剖视图。
图6是图5的局部放大示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种测定海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样装置，包括中心立柱1，在中心立柱圆周沿不同深度分布的多个监测盒2，进一步的说，所述监测盒沿中心立柱圆周自下而上成螺旋上升阶梯分布，监测盒2的数量优选为10-20个。
所述监测盒2包括盒身2.1、盒盖2.2、称重盒底2.3、盒盖上支撑2.4、称重盒底下支撑2.5、盒盖驱动液压缸2.6和称重盒底驱动液压缸2.7，其中，盒身2.1的侧部通过安装支架2.11固定在中心立柱1的外壁上，盒身2.1为方形盒体，具有四个侧面，上下通透开口，以使基槽内产生的回淤物在沉积过程中能够穿过盒身；盒盖2.2通过滑轨a横向滑动安装在盒盖上支撑2.4上，称重盒底2.3通过滑轨横向滑动安装在称重盒底下支撑2.5上；所述盒盖驱动液压缸2.6用于驱动盒盖2.2沿盒盖上支撑2.4横向滑动，实现盒盖与盒身闭合或者打开；所述称重盒底驱动液压缸2.7用于驱动称重盒底2.3沿称重盒底下支撑2.5横向滑动，实现称重盒底与盒身闭合或者打开。
进一步的说，所述盒盖上支撑2.4的数量为两个，两个盒盖上支撑对称固定安装在盒身2.1的左右两侧上部，盒盖上支撑2.4为长条形状，长度为盒身长度的2-2.2倍；所述盒盖2.2为方形板状，盒盖的宽度大于盒身的宽度，盒盖的左右两侧的底部分别设置滑轨a，通过滑轨滑动安装在盒盖上支撑上。
进一步的说，所述称重盒底2.3包括盒底外壳2.31、称重板2.32和称重传感器2.33，其中，盒底外壳具有底面和四个侧面，称重板2.32水平设置在盒底外壳2.31内部顶面位置，称重传感器2.33设置在称重板和盒底外壳底面之间，称重传感器优选为采用悬臂梁式传感器，通过该传感器采集称重板上物体重量信号；进一步的说，称重板2.31和盒底外壳2.31四个侧面之间为间隙配合，以保证称重板能够活动，实现称重功能，而整个装置工作时是在水下，因此，在称重板2.32和盒底外壳2.31四个侧面之间设置有密封膜m，密封膜优选为橡胶材质，起到防水作用，防止水进入到盒底外壳内腔。
进一步的说，所述称重盒底下支撑2.5的数量为两个，两个称重盒底下支撑对称固定安装在盒身的左右两侧下部，称重盒底下支撑为长条形状，长度为盒身长度的2-2.2倍；所述称重盒底的盒底外壳2.31的左右两侧设置有与称重盒底下支撑对应的翼缘2.311，翼缘上设置滑轨a，翼缘通过滑轨滑动安装在称重盒底下支撑2.5上，从而实现整个称重盒底与称重盒底下支撑的滑动安装。
中心立柱1的内部具有设备安装空腔，所述盒盖驱动液压缸的缸身和称重盒底驱动液压缸的缸身均安装在中心立柱的设备安装空腔中，盒盖驱动液压缸的动作杆位于中心立柱外部并与盒盖连接，称重盒底驱动液压缸的动作杆位于中心立柱外部并与称重盒底连接；在中心立柱的备安装空腔中设置有液压控制系统4，用于控制各盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸动作，该液压控制系统包括一个小型液压站，液压站通过液压管路与各盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸分别连接，并且每个盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸分别配备一个电磁换向控制阀，以控制各液压缸动作(即控制液压缸的动作杆伸出或者收回)；在中心立柱的备安装空腔中设置是有数据采集模块5，该数据采集模块通过防水线缆与各称重盒底中的称重传感器连接(称重盒底的盒底外壳上以及中心立柱的筒壁上开设有用于穿线的通孔，供防水线缆通过，并且在通孔处进行防水密封)，实现数据采集；在中心立柱的备安装空腔中还设置有总控制器6，该总控制器与液压控制系统和数据采集模块连接，用于对液压控制系统和数据采集模块进行总控；进一步的，总控制器通过防水线缆引出中心立柱与海面上的远程无线通讯模块连接，实现与监控终端进行远程无线通讯。
进一步的说，中心立柱的筒壁上设置用于安装盒盖驱动液压缸缸身和称重盒底驱动液压缸缸身的安装孔，并且在盒盖驱动液压缸缸身和安装孔之间设置防水密封，以及称重盒底驱动液压缸缸身和安装孔之间设置防水密封。
进一步的说，为了不影响海底回淤物沉积进入盒身，优选为，将所述盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸布置在盒身的侧部，具体来讲，所述盒盖驱动液压缸的动作杆外端连接在盒盖顶部外侧部位(盒盖顶部外侧部位设置有用于与所述盒盖驱动液压缸的动作杆外端连接的连接座2.61)，所述称重盒底驱动液压缸的动作杆外端连接在称重盒底的盒底外壳外壁上(盒底外壳外壁上设置有用于与所述称重盒底驱动液压缸的动作杆外端连接的连接座2.71)。
进一步的说，中心立柱顶部设置有吊绳1.1，用于牵引整个装置。
实施例二
在实施例一的基础上，进一步的说，中心立柱的底部设置有底座3，该底座是由钢板制成，主要起到整个系统的稳固作用。
实施例三
上述实施例所述测定海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样装置的使用方法如下：
步骤一：将整个装置放置于海底监测区域，静置一段时间或者达到施工静置时间要求。
步骤二：将监测盒的盒盖、称重盒底同时关闭。
步骤三：利用称重盒底测定监测盒内回淤物的总重量，再根据监测盒的实际体积(监测盒的体积提前已经确定)计算得到各个深度位置的监测盒内回淤物的容重。计算公式为：
式中：γ为监测盒内土体的容重，kN/m3；M为监测盒内土体的总重量，kN；V为监测盒关闭时的体积，m3。
进一步的说，总控制器计算得到的各个深度位置处的监测盒内回淤物的容重数据通过远程无线通讯模块发送给监控终端。
步骤四：将整个装置在封闭条件下打捞出水面，将监测盒内的回淤物在实验室内开展基本物理力学指标试验，进一步确定回淤物的容重、颗粒组成和液塑限等物理力学指标。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法，其特征在于：包括中心立柱，在中心立柱圆周沿不同深度分布的多个监测盒；
所述监测盒包括盒身、盒盖、称重盒底、盒盖上支撑、称重盒底下支撑、盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸，其中，盒身的侧部固定在中心立柱的外壁上，盒身上下通透开口，以使基槽内产生的回淤物在沉积过程中能够穿过盒身；盒盖通过滑轨横向滑动安装在盒盖上支撑上，称重盒底通过滑轨横向滑动安装在称重盒底下支撑上；所述盒盖驱动液压缸用于驱动盒盖沿盒盖上支撑横向滑动，实现盒盖与盒身闭合或者打开；所述称重盒底驱动液压缸用于驱动称重盒底沿称重盒底下支撑横向滑动，实现称重盒底与盒身闭合或者打开；
所述称重盒底包括盒底外壳、称重板和称重传感器，其中，盒底外壳具有底面和四个侧面，称重板水平设置在盒底外壳内部顶面位置，称重传感器设置在称重板和盒底外壳底面之间；称重板和盒底外壳四个侧面之间为间隙配合，并在称重板和盒底外壳四个侧面之间设置有防水密封膜；
中心立柱的内部具有设备安装空腔，所述盒盖驱动液压缸的缸身和称重盒底驱动液压缸的缸身均安装在中心立柱的设备安装空腔中，盒盖驱动液压缸的动作杆位于中心立柱外部并与盒盖连接，称重盒底驱动液压缸的动作杆位于中心立柱外部并与称重盒底连接；在中心立柱的备安装空腔中设置有液压控制系统，用于控制各盒盖驱动液压缸和称重盒底驱动液压缸动作；在中心立柱的备安装空腔中设置是有数据采集模块，该数据采集模块通过防水线缆与各称重盒底中的称重传感器连接，实现数据采集；
将整个装置放置于海底监测区域，静置一段时间或者达到施工静置时间要求；
然后，将监测盒的盒盖、称重盒底同时关闭；
然后，利用称重盒底测定监测盒内回淤物的总重量，再根据监测盒的实际体积计算得到各个深度位置的监测盒内回淤物的容重；
然后，将整个装置在封闭条件下打捞出水面，将监测盒内的回淤物在实验室内开展基本物理力学指标试验。
2.根据权利要求1所述的海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法，其特征在于：计算容重的公式为：
式中：γ为监测盒内土体的容重，kN/m3；M为监测盒内土体的总重量，kN；V为监测盒关闭时的体积，m3。
3.根据权利要求1所述的海底基槽内不同深度处回淤物容重的原位测试及微扰动取样方法，其特征在于：将计算得到的各个深度位置处的监测盒内回淤物的容重数据通过远程无线通讯模块发送给监控终端。
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| CN108051257A (zh) * | 2018-02-10 | 2018-05-18 | 中交航局第二工程有限公司 | 水下泥浆回淤物取样器及水下取样方法 |
| WO2020082690A1 (zh) * | 2018-10-24 | 2020-04-30 | 中国海洋大学 | 一种适用于全海深的海底沉积物力学特性测量系统 |
-
2020
- 2020-08-26 CN CN202010872671.2A patent/CN112051187B/zh active Active
Patent Citations (4)
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|---|
| 港珠澳大桥沉管隧道深基槽回淤监测与分析;郑伟;;中国港湾建设(第11期);全文 * |
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