CN117073644B - 一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法，通过贯入仪测试过程中获取的沿贯入深度方向的阻力，获取泥线判别因子，并确定海底泥线相对位置。该方法通过计算流体动力学数值模拟验证，并将其应用于海试中。通过本发明的技术方案，解决了海底原位装备受海床表层沉积物与装备沉降耦合影响下，无法确定贯入仪测试参数所对应的空间位置难题。仅需贯入仪测试过程中获取的阻力数据就可确定海底泥线相对位置，避免了传统方法需要额外贯入其他探杆，导致对海床沉积物扰动，保证了原位测试数据的准确性，并降低了时间与经济成本。
Description
技术领域
本发明涉及海底探测技术领域，具体而言，特别涉及一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法。
背景技术
随着对深海资源开发和环境保护的持续深入，越来越多的工程结构物被铺设或运行在海底表层沉积物上，例如深海观测网、深海管缆系统和深海采矿车等。这些结构物的设计、施工和稳定运营需要了解深海表层沉积物的物理力学性质参数，特别是不排水抗剪强度。而海底边界层（海水与表层沉积物界面）的识别是准确获取并解析表层沉积物强度的前提。
海底边界层是指海床界面两侧底层海水与表层沉积物相互作用的区域。在这个区域中，环境水体与沉积物进行着强烈的物质和能量交换（Gibbs and Ronald, 1974; Luecket al., 2009）。广义上，海底边界层的具体范围既包含海床界面以上1-2米范围内的上覆流体，也包括海床表层沉积物（McKee et al., 2004）。受海底边界层海水流动的影响，边界层内时刻发生着沉积物的侵蚀、悬浮、搬运等复杂的物理和化学过程。为了方便科学研究和工程应用，定义海水和表层沉积物之间的交界面为泥线，是海底边界层中最薄的一层，其厚度可以忽略不计。泥线以上是海水，泥线以下是海底表层沉积物，如图1所示。
通常来说，深海表层沉积物的不排水抗剪强度低、压缩性高，具有流动性。因此，这种沉积物更倾向于表现出剪切稀化特征的非牛顿流体性质，即随着剪切速率的增加，黏度会降低。由于在这种表层沉积物中进行取样非常困难，因此在沉积物表层强度测试与评估领域中，全流动贯入仪原位测试技术展现出了广泛的应用前景。在实际应用中，需要将全流动贯入仪搭载在海床基上，然后通过有缆或无缆的方式将其布放到待测海域的海床表面。当海床基平稳落地后，全流动贯入仪将贯入沉积物并获取探头受到的阻力，然后将阻力解析为不排水抗剪强度。
在海洋工程地质调查中，海床基座的支撑脚通常嵌入海洋表层沉积物中，具有某些特性，如欠固结、高含水率、高压缩性和低强度，直到一定深度，如图1所示。/>与海底表层沉积物的物理力学性质及海床基的水下重量（支撑脚作用于海床上的荷载）有关，现阶段不能获取且很难评估。显然，识别全流动贯入仪探头何时开始接触到泥线十分困难，这导致即使获取探头沿深度方法的阻力仍不能对应真实位置的海底表层沉积物强度参数，尤其是泥线附近的海底沉积物，这也正是坐落于海床表面工程结构物需直接铺设的位置，也是深海科学研究关注的重点区域。
目前，用于识别泥线的方法通常使用额外的探杆来测量泥线，但这种方法面临技术难度大、测试成本高、失效概率大等问题。
参考文献：
Gibbs,&Ronald, J. (1974). Suspended Solids in Water. Springer US.
Lueck, R., Laurent, L. S.,&Moum, J. (2009). Turbulence in the benthicboundary layer. Encyclopedia of ocean sciences: elements ofphysicaloceanography. Academic Press, Cambridge, 311–316.
McKee, B. A., Aller, R. C., Allison, M. A., Bianchi, T. S.,&Kineke,G. C. (2004). Transport and transformation of dissolved andparticulatematerials on continental margins influenced by major rivers:benthic boundary layer and seabed processes. Continental Shelf Research, 24(7–8), 899–926.
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贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法，本发明提出的方法通过全流动贯入仪测试过程中获取的阻力数据来反演泥线的位置，具有高效、准确、且无额外成本等优势。本发明解决了海底原位装备受海床表层沉积物与装备沉降耦合影响下，无法确定贯入仪测试参数所对应的海底沉积物空间位置难题。本发明仅需要贯入仪测试过程中获取的阻力数据就可确定海底泥线相对位置，避免了传统方法需要额外贯入其他探杆，避免了对海床表层沉积物性质的扰动，保证了原位测试数据的准确性，并降低了时间与经济成本。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法，具体包括以下步骤：
用于海底原位沉积物强度测试的贯入仪有多种，下面以全流动贯入仪为例，进行详细叙述。
步骤S1：将全流动贯入仪探头以标准速度贯入到海底表层沉积物中，并记录沿贯入深度方向上的阻力数据和与之对应的贯入深度h,测试结束后将贯入仪回收；
步骤S2：通过全流动贯入仪测试过程中获取的阻力数据，利用公式(1)计算无量纲阻力系数/>；该阻力系数是随无量纲贯入深度/>变化的函数，即曲线/>；
(1)
式中，是阻力系数；/>是作用于全流动贯入仪探头上的阻力；/>是海水的密度；/>是全流动贯入仪探头的贯入速度；/>是全流动贯入仪探头的垂直投影面积；
步骤S3：对阻力系数进行求导，得到阻力系数/>的增长速率，将该参数定义为泥线判别因子/>；泥线判别因子/>为阻力系数/>随无量纲贯入深度/>的增长速率，即曲线的导数；
(2)
式中，为泥线判别因子代表阻力系数/>的增长速率；/>为无量纲的贯入深度；D为贯入探头的直径；
步骤S4：通过泥线判别因子可准确评估海底泥线相对位置，其具体步骤包括：
步骤S4-1：为获取泥线判别因子的变化规律，本发明基于计算流体动力学CFD方法，模拟了球型探头（直径D=113 mm）和T型探头（直径D=40 mm，长度250 mm）从若干个初始高度位置（T型探头/>=2.5、5、7.5、10；球型探头/>=1、2.5、3.5、5）环境水处贯入到海底表层沉积物的全过程，获得了步骤S1、S2、S3中的/>、/>及/>，这里球型探头的/>取为0.0354，T型探头的/>取为0.125，模拟结果如图2与3所示。模拟结果展示：当探头位于泥线上方时，探头与泥线的距离大于2倍/>，阻力系数/>随无量纲贯入深度的变化很小，稳定于一值；随着探头与泥线距离的减小至2倍/>后，流经探头表面流体的流场会受到环境水与海洋表层沉积物的共同影响，阻力系数/>快速增加，随着探头距离泥线越来越近，阻力系数/>的增长率变得越来越大；当探头接触泥线时，阻力系数/>的增长率达到一个峰值；在探头穿过泥线时，阻力系数/>的增长率开始下降；
步骤S4-2：通过泥线判别因子随无量纲贯入深度/>的变化趋势，可以判断海底泥线相对位置；当泥线判别因子/>随无量纲贯入深度/>的变化符合步骤S4-1中的变化趋势且存在一个最大值时，在相同/>条件下，该最大值与模拟结果处于同一量级时，且最大泥线判别因子对应的深度小于/>，此时最大泥线判别因子所对应的深度为全流动贯入仪接触到泥线的位置，也就是初始状态探头位于泥线上方；在另一种情况下，当泥线判别因子/>不会随着贯入深度达到上述清晰的最大值，则说明海洋表层沉积物的强度低，即海底沉积物的承载能力低，海床基底座会沉降到泥线以下，此时全流动贯入仪的探头在初始时刻被淹没在海洋表层沉积物中，即初始状态探头位于泥线之下。
作为优选方案，步骤S1中全流动贯入仪替换为用于海底原位沉积物强度测试的贯入仪。
作为优选方案，步骤S3中泥线判别因子为阻力系数/>随无量纲贯入深度/>的增长速率，即曲线/>的导数，对阻力系数/>进行求导时应在相同的/>条件下进行。
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：
（1）目前，用于识别泥线的方法通常使用额外的探杆来测量泥线，这种方法面临技术难度大、测试成本高、扰动土体、失效概率大等问题。本发明提出的方法通过贯入仪测试过程中获取的阻力数据来确定泥线的位置，具有高效、准确、且无额外成本等优势。
（2）本发明专利提供了一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法。该方法解决了海底原位装备受海床表层沉积物与装备沉降耦合影响下，无法确定贯入仪测试参数所对应的空间位置难题。
（3）本发明仅需要全流动贯入仪测试过程中获取的阻力数据就可确定海底泥线相对位置，避免了传统额外贯入探杆方法对海床表层沉积物性质的扰动，保证了原位测试数据的准确性。
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：全流量贯入仪现场测试概念图；
图2：不同初始位置条件下阻力系数/>与无量纲贯入深度/>的关系，(a)T型探头；(b)球型探头；
图3：不同初始位置条件下泥线判别因子/>与无量纲贯入深度/>的关系，(a)T型探头（/>）；(b)球型探头（/>）；
图4：应用案例中的阻力系数与无量纲贯入深度/>的关系（/>）；
图5：应用案例中的泥线判别因子与无量纲贯入深度/>的关系（/>）。
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4至图5对本发明的实施例的基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法进行具体说明。
本发明专利基于搭载于海床基的海底原位全流动贯入仪设备，采用球型探头（直径D=113 mm）确定海底泥线与海床基（搭载设备）的相对位置。通过海床基将全流动贯入仪探头从一定高度，以标准速度贯入到海底沉积物中，可以准确测量出全流动贯入仪沿贯入深度方向的受到的阻力。基于搭载于海床基的海底原位全流动贯入仪测试的阻力，一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法，其特征在于,具体包括以下步骤：
步骤S1：首先根据海底地质调查方案，选择目标海域或适宜海底观测位置，并确定与之相匹配的海床基，通过科考船将海床基部署至海底。在测试过程中，将全流动贯入仪探头以标准速度（标准速度为20 mm/s）贯入到海底表层沉积物中，并记录沿贯入深度方向上的阻力数据和与之对应的贯入深度,测试结束后将贯入仪回收；
步骤S2：通过全流动贯入仪测试过程中获取的阻力数据，利用公式(1)计算无量纲阻力系数/>；该阻力系数是随无量纲贯入深度/>变化的函数，即曲线/>；
(1)
式中，是阻力系数，这是一个无量纲参数；/>是作用于全流动贯入仪探头上的阻力；/>是海水的密度；/>是全流动贯入仪探头的贯入速度，取为20 mm/s；/>是全流动贯入仪探头的垂直投影面积；
步骤S3：对阻力系数进行求导，得到阻力系数/>的增长速率，将该参数定义为泥线判别因子/>；泥线判别因子/>为阻力系数/>随无量纲贯入深度/>的增长速率，即曲线的导数；值得注意的是，对阻力系数/>进行求导时，/>的取值对泥线判别因子/>结果的影响十分显著，具体实施时，应在相同的/>条件下。
(2)
式中，为泥线判别因子代表阻力系数/>的增长速率；/>为无量纲的贯入深度；D为贯入探头的直径；
步骤S4：通过泥线判别因子可准确评估海底泥线相对位置，其具体步骤包括：通过泥线判别因子/>随无量纲贯入深度/>的变化趋势，可以判断海底泥线相对位置；当泥线判别因子/>随无量纲贯入深度/>的变化符合步骤S4-1中的变化趋势且存在一个最大值时，在相同/>条件下，该最大值与模拟结果处于同一量级时，且最大泥线判别因子对应的深度小于/>，此时最大泥线判别因子所对应的深度为全流动贯入仪接触到泥线的位置，也就是初始状态探头位于泥线上方；在另一种情况下，当泥线判别因子/>不会随着贯入深度达到上述清晰的最大值，则说明海洋表层沉积物的强度低，即海底沉积物的承载能力低，海床基底座会沉降到泥线以下，此时全流动贯入仪的探头在初始时刻被淹没在海洋表层沉积物中，即初始状态探头位于泥线之下。
上述方法在某海域的海底沉积物力学性质测量工作中得到应用，该海域水深约为5276 m。搭载海底原位全流动贯入仪设备的海床基在水中重达256kg，有四个支撑脚，每个支撑脚为铁铸圆盘，直径0.5 m，每个支撑脚施加于海床上的平均压力为3.1948 kPa，海床基支撑脚与直径为113 mm的球型全流动贯入仪探头之间的距离为75 mm，即初始泥线位置/>。本次应用实例所获取的阻力系数/>与无量纲贯入深度/>的关系，如图4所示。进一步，根据上述所建立的方法，泥线判别因子/>与无量纲贯入深度/>的关系，如图5所示。与图2、图3相比，在/>之前，泥线判别因子没有明显的最大峰值。具体地说，在相同的条件下，所建立方法的峰值泥线判别因子（图3）在28160~281421之间，比海试得到的峰值泥线判别因子（9285）高3~30倍（在/>之前）。这一显著差异表明海底底座的支撑脚初始条件已经沉入表层海底沉积物，同时说明球型全流动贯入仪探头最初处于泥线以下，展示出海床承载能力极低，海洋表层沉积物表现出高压缩性特征。对于强度较低的海洋表层沉积物，建议增加海底底座支撑脚的面积，增加支撑脚与全流探头的距离，以获得更准确的海洋表层沉积物的力学参数。
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 (3)
1.一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
步骤S1：将全流动贯入仪探头以标准速度贯入到海底表层沉积物中，并记录沿贯入深度方向上的阻力数据和与之对应的贯入深度h,测试结束后将贯入仪回收；
步骤S2：通过全流动贯入仪测试过程中获取的阻力数据，利用公式(1)计算无量纲阻力系数/>；该阻力系数是随无量纲贯入深度/>变化的函数，即曲线/>；
(1)
式中，是阻力系数；/>是作用于全流动贯入仪探头上的阻力；/>是海水的密度；/>是全流动贯入仪探头的贯入速度；/>是全流动贯入仪探头的垂直投影面积；
步骤S3：对阻力系数进行求导，得到阻力系数/>的增长速率，将该参数定义为泥线判别因子/>；泥线判别因子/>为阻力系数/>随无量纲贯入深度/>的增长速率，即曲线的导数；
(2)
式中，为泥线判别因子代表阻力系数/>的增长速率；/>为无量纲的贯入深度；D为贯入探头的直径；
步骤S4：通过泥线判别因子可准确评估海底泥线相对位置，其具体步骤包括：
步骤S4-1：模拟T型探头和球型探头从若干个初始高度位置环境水处贯入到海底表层沉积物的全过程，获得了步骤S1、S2、S3中的、/>及/>，球型探头的/>取为0.0354，T型探头的/>取为0.125；当探头位于泥线上方且探头与泥线的距离大于2倍/>，阻力系数/>随无量纲贯入深度稳定于一值；随着探头与泥线的距离减小至2倍/>后，阻力系数/>快速增加，随着探头距离泥线越来越近，阻力系数/>的增长率变得越来越大；当探头接触泥线时，阻力系数/>的增长率达到一个峰值；在探头穿过泥线时，阻力系数/>的增长率开始下降；
步骤S4-2：通过泥线判别因子随无量纲贯入深度/>的变化趋势，判断海底泥线相对位置；当泥线判别因子/>随无量纲贯入深度/>的变化符合步骤S4-1中的变化趋势且存在一个最大值时，在相同/>条件下，该最大值与模拟结果处于同一量级时，且最大泥线判别因子对应的深度小于/>，h0为海床基支撑脚到贯入仪探头之间的距离，此时最大泥线判别因子所对应的深度为全流动贯入仪接触到泥线的位置，也就是初始状态探头位于泥线上方；在另一种情况下，当泥线判别因子/>不会随着贯入深度达到上述清晰的最大值，则说明海洋表层沉积物的强度低，即海底沉积物的承载能力低，海床基底座会沉降到泥线以下，此时全流动贯入仪的探头在初始时刻被淹没在海洋表层沉积物中，即初始状态探头位于泥线之下。
2.根据权利要求1所述的一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法，其特征在于，所述步骤S1中全流动贯入仪替换为用于海底原位沉积物强度测试的贯入仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于贯入仪阻力评估海底泥线相对位置的方法，其特征在于，所述步骤S3中泥线判别因子为阻力系数/>随无量纲贯入深度/>的增长速率，即曲线/>的导数，对阻力系数/>进行求导时应在相同的/>条件下进行。
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| CN112681279A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-20 | 江苏南京地质工程勘察院 | 一种基于全流球型触探测试技术的超软土工程特性评价方法 |
-
2023
- 2023-08-21 CN CN202311051822.8A patent/CN117073644B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014097552A1 (ja) * | 2012-12-20 | 2014-06-26 | 応用地質株式会社 | 地盤調査方法および地盤調査装置 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 季福东 ; 贾永刚 ; 刘晓磊 ; 郭磊 ; 张民生 ; 单红仙 ; .海底沉积物工程力学性质原位测量方法.海洋地质与第四纪地质.2016,(第03期),全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117073644A (zh) | 2023-11-17 |
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