CN117889916A - 一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备及其工作方法,包括辅助船、数据采集密封舱和变形测量阵列，其中，辅助船安装有海上钻探装置、起吊装置、套管，套管内部能够放置钻杆或者变形测量阵列。通过本发明的技术方案，通过海上钻孔、下放套管、布放观测装置，能够实现海底不同深度处沉积物孔隙水压力和三维变形过程同步测量，可更加精准的确定布放位置、深度，提高观测数据的准确性、降低了布放风险，提高了原位观测数据采集的效率、减少了操作步骤，使通过土体孔压波动和沉积物变形姿态数据对比获得的灾害评估结果更加牢靠，能为海底地质灾害预测和海洋工程建设提供真实可靠的观测数据，具有非常重要的实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程地质、海底原位长期观测技术领域，具体而言，特别涉及一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备及其工作方法。
背景技术
一般海况下，海底沉积物上覆有效荷载稳定，沉积物内部孔隙水压力不会发生明显波动，根据有效应力原理，当总应力保持不变时，孔隙水压力与有效应力可以相互转化，即：有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加。但在台风、海啸等极端海况下，外部荷载急剧上升，海底沉积物内超孔隙水压力处于动态振荡累积过程，有效正应力随之减小，抗剪强度降低，进而可能剪切破坏发生海床液化，液化后沉积物有效应力趋向于零或消失，不足以承载外部荷载，沉积物发生变形滑动，严重时可能引发海底滑坡，对海底隧道、管线和海洋平台基础等海洋工程建设造成难以挽救的损失。
海底沉积物受上覆荷载扰动、地震能量波动等影响下发生沉积物变形和滑动的过程中，沉积物内部波动变化的孔隙水压力是代表土体稳定性的关键指标，对灾害评估、资源开发、工程安全等领域具有深远意义。目前对海底变形的观测技术已趋于成熟，如公开号为CN105301193A，公开了一种海床侧向变形与滑动观测装置及方法，向海底沉积物中贯入多节连续传感器，与土体紧密耦合，通过每个节点处的三轴加速度传感器姿态计算出海床侧向变形的位移量，然而该装置仅能直接计算出海床变形姿态，不能测量海床内部孔隙水压力，解释土体变形机制原因不充分，具有一定的局限性。陈同彦等（2021）在舟山朱家尖岛西南侧典型海底斜坡开展的沉积物变形、孔压联合观测，分别采用变形位移计和孔隙水压力探杆进行区域内观测，然而该联合观测虽能得出一定区域内的沉积物变形和孔压波动情况，但因两个设备的采样频率不同，且测量点位不一致问题，并不能准确解释沉积物变形的过程机制。
因此，现有的原位观测设备多为单一的测量模式，难以同时得到同一点位的孔隙水压力、温度、变形姿态，所得数据进行对比分析时存在差异、不能完整诠释海底沉积物的三维变形过程机制。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，针对现有海底变形原位观测模式中沉积物孔压、变形姿态的测量点位不一致问题，本发明提供了一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备及其工作方法，通过海上钻孔、下放套管、布放观测装置，能够实现海底不同深度处沉积物孔隙水压力和三维变形过程同步测量，可更加精准的确定布放位置、深度，提高观测数据的准确性、降低了布放风险，提高了原位观测数据采集的效率、减少了操作步骤，使通过土体孔压波动和沉积物变形姿态数据对比获得的灾害评估结果更加牢靠，能为海底地质灾害预测和海洋工程建设提供真实可靠的观测数据，具有非常重要的实际意义。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备，包括辅助船、数据采集密封舱和变形测量阵列，其中，辅助船安装有海上钻探装置、起吊装置、套管，套管内部能够放置钻杆或者变形测量阵列；
变形测量阵列由若干单元连接而成，所述每个单元内部自上而下依次包括第一中空液压螺丝、转换电路板、姿态传感器、温度压力传感器、起密封作用的O型圈以及相反姿态的第二中空液压螺丝，第一中空液压螺丝和第二中空液压螺丝之间贯穿有数据传输线缆，转换电路板通过卡槽固定；每个单元的外部自上而下依次为呈对立姿态可通过螺纹通孔固定的一对第一转销、内置姿态传感器的第一外部法兰、内置温度压力传感器的第二外部法兰、单元连接法兰以及相反姿态的一对第二转销，第二外部法兰的中部均匀开设有一圈若干个透水孔，透水孔外部安装有一圈透水石环，第一转销与内置姿态传感器的第一外部法兰通过固定凹槽固定，数据传输线缆贯穿变形测量阵列的所有单元中部，最上部的单元数据传输线缆通过水密接插件连接至数据采集密封舱；
变形测量阵列的若干单元之间通过十字转轴与相邻单元两对的第一转销和相反姿态的第二转销通过十字转轴卡槽固定，各单元间的数据传输线缆置于密封软管内；
作为优选方案，第一外部法兰、第二外部法兰和单元连接法兰的材料均为不锈钢材质。
作为优选方案，第一外部法兰、第二外部法兰和单元连接法兰之间间由啮合的螺纹相连。
作为优选方案，姿态传感器为三轴加速度传感器。
一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备的工作方法,具体包括以下步骤：
S1、在数据采集密封舱内设置采集频率与采集时长；
S2、利用GPS定位系统将辅助船开到目标点位，并抛锚、桩使船体保持平稳状态；
S3、使用辅助船上的海上钻机装置对目标点位的海床钻孔，钻孔过程中同时下放套管，钻孔深度不低于变形测量阵列的长度，钻孔完成之后取出钻杆；
S4、将变形测量阵列顺着套管下放至海床钻孔中；
S5、采用工程用砂对钻孔进行填充，并将套管逐渐上拔，使变形测量阵列与海床完全耦合；
S6、变形测量阵列末端通过水密接插件密封，使数据传输线缆末端能在水中浮起；
S7、将套管完全拔出，从水中打捞起数据传输线缆，并将其通过水密接插件与数据采集密封舱进行连接；
S8、将数据采集密封舱用起吊装置下放至海床面，潜水员下潜将海上定位浮球与数据采集密封舱连接；
S9、变形测量阵列按照设定的采集频率与采集时长开始进行数据测量；
S10、原位观测周期结束之后，将辅助船开回目标点位，通过海上定位浮球由潜水员分别将起吊装置连接数据采集密封舱和变形测量阵列完成设备回收；
S11、对数据采集密封舱进行数据读取，从而将观测周期内海底沉积物孔压、温度和姿态信息进行动态输出；
姿态传感器测量相对重力的倾斜角度，由于变形测量阵列中各单元长度为固定值，根据三个方向的角度变化，结合余弦定理即可计算三个方向上的位移大小，以远端为计算参考点，通过累加的方式即可得不同节点处的位移大小，公式如下：
其中L为单元长度， 、/>、 />、分别为第n单元上沿x、y、z方向轴的变化角度，、 />、 />为位移变化大小。
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：本装置克服了传统原位观测模式中海床土体某一点位孔压、变形程度难以精确匹配的问题，在同一点位设有温度、压力和姿态传感器，适用于海底不同类型沉积物的工程地质原位观测，可测量一定区域内垂直方向上各点位处的孔隙水压力、温度和变形姿态等参数，实现定点精确观测，弥补了原有观测设备装置测量单一、模式繁琐的不足，提高了测量精度并能够预测一定范围内土体的变形趋势，使得对地质灾害的预测分析更加准确完善；且本方案设备实现简单，可以实现多点位的同步监测，为海洋工程节省成本，对于研究海洋地质灾害规律、海底资源开发等具有极大的参考意义和实际应用价值。
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是本发明布放、回收示意图；
图2是本发明外部结构示意图；
图3是本发明内部结构示意图；
图4是本发明单元连接处结构示意图；
图5是本发明变形测量阵列示意图；
图6是本发明测量参数分析技术路线图，
其中，图1至图5中附图标记与部件之间的对应关系为：
1-辅助船；2-海上钻探装置；3-套管；4-钻杆；5-变形测量阵列；6-起吊装置；7-潜水员；8-海上定位浮球；9-数据采集密封舱；10-螺纹通孔；11-十字转轴卡槽；12-数据传输线缆；13-第一转销；14-第一外部法兰；15-第二外部法兰；16-水孔；17-透水石环；18-单元连接法兰；19-电路板固定件；20-电路板卡槽；21-第一中空液压螺丝；22-转换电路板；23-姿态传感器；24-温度、压力传感器；25-O型圈；26-十字转销；27-密封软管；28-第二中空液压螺丝，29-第二转销。
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6对本发明的实施例的海底沉积物三维变形过程原位观测设备及其工作方法进行具体说明。
本发明提出了一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备，包括辅助船1、数据采集密封舱9和变形测量阵列5，辅助船1用于布放和回收海底观测设备，如图1所示，所述辅助船1安装有海上钻探装置2、起吊装置6、套管3，套管3内部能够放置钻杆4或者变形测量阵列5；海上钻机装置2、钻杆4、套管3组成钻探系统，采用布放套管3钻孔的方式可以避免海床土体坍塌，为布放变形测量阵列5提供条件。原位观测结束后，通过海上定位浮球8由潜水员7分别将起吊装置6连接数据采集密封舱9和变形测量阵列5完成设备回收；
如图2所示，所述变形测量阵列5由若干单元连接而成，如图3所示，所述每个单元内部自上而下依次包括第一中空液压螺丝21、转换电路板22、姿态传感器23、温度压力传感器24、起密封作用的O型圈25以及相反姿态的第二中空液压螺丝28，第一中空液压螺丝21和第二中空液压螺丝28之间贯穿有数据传输线缆12，转换电路板22通过卡槽20固定；姿态传感器23为三轴加速度传感器，用于测量相对重力的倾斜角度。如图2所示，每个单元的外部自上而下依次为呈对立姿态可通过螺纹通孔10固定的一对第一转销13、内置姿态传感器23的第一外部法兰14、内置温度压力传感器24的第二外部法兰15、单元连接法兰18以及相反姿态的一对第二转销29，第二外部法兰15的中部均匀开设有一圈若干个透水孔16，透水孔16外部安装有一圈透水石环17，第一转销13与内置姿态传感器23的第一外部法兰14通过固定凹槽固定，数据传输线缆12贯穿变形测量阵列5的所有单元中部实现数据传输和设备控制，最上部的单元数据传输线缆12通过水密接插件连接至数据采集密封舱9；述第一外部法兰14、第二外部法兰15和单元连接法兰18的材料均为不锈钢材质。第一外部法兰14、第二外部法兰15和单元连接法兰18之间间由啮合的螺纹相连。
如图4所示，所述变形测量阵列5的若干单元之间通过十字转轴27与相邻单元两对的第一转销13和相反姿态的第二转销29通过十字转轴卡槽11固定，各单元间的数据传输线缆12置于密封软管25内，密封软管25仅设置在各单元阵列连接处的转销中部，对线路进行保护；如图5所示，若干单元连接完成后的姿态。
一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备的工作方法,包括海上钻孔、下放套管、布放观测装置，具体包括以下步骤：
S1、在数据采集密封舱9内设置采集频率与采集时长；
S2、利用GPS定位系统将辅助船1开到目标点位，并抛锚、桩使船体保持平稳状态；
S3、使用辅助船1上的海上钻机装置2对目标点位的海床钻孔，钻孔过程中同时下放套管3，钻孔深度不低于变形测量阵列5的长度，钻孔完成之后取出钻杆4；
S4、将变形测量阵列5顺着套管3下放至海床钻孔中；
S5、采用工程用砂对钻孔进行填充，并将套管3逐渐上拔，使变形测量阵列5与海床完全耦合；
S6、变形测量阵列5末端通过水密接插件密封，使数据传输线缆12末端能在水中浮起；
S7、将套管3完全拔出，从水中打捞起数据传输线缆12，并将其通过水密接插件与数据采集密封舱9进行连接；
S8、将数据采集密封舱9用起吊装置6下放至海床面，潜水员7下潜将海上定位浮球8与数据采集密封舱9连接；
S9、变形测量阵列5按照设定的采集频率与采集时长开始进行数据测量；
S10、原位观测周期结束之后，将辅助船1开回目标点位，通过海上定位浮球8由潜水员7分别将起吊装置6连接数据采集密封舱9和变形测量阵列5完成设备回收；
S11、对数据采集密封舱9进行数据读取，从而将观测周期内海底沉积物孔压、温度和姿态信息进行动态输出；
姿态传感器23测量相对重力的倾斜角度，由于变形测量阵列5中各单元长度为固定值，根据三个方向的角度变化，结合余弦定理即可计算三个方向上的位移大小，以远端为计算参考点，通过累加的方式即可得不同节点处的位移大小，公式如下：
其中L为单元长度， 、/>、 />、分别为第n单元上沿x、y、z方向轴的变化角度，、 />、 />为位移变化大小。
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 (5)
1.一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备，包括辅助船（1）、数据采集密封舱（9）和变形测量阵列（5），其特征在于,所述辅助船（1）安装有海上钻探装置（2）、起吊装置（6）、套管（3），套管（3）内部能够放置钻杆（4）或者变形测量阵列（5）；
所述变形测量阵列（5）由若干单元连接而成，所述每个单元内部自上而下依次包括第一中空液压螺丝（21）、转换电路板（22）、姿态传感器（23）、温度压力传感器（24）、起密封作用的O型圈（25）以及相反姿态的第二中空液压螺丝（28），第一中空液压螺丝（21）和第二中空液压螺丝（28）之间贯穿有数据传输线缆（12），转换电路板（22）通过卡槽（20）固定；每个单元的外部自上而下依次为呈对立姿态可通过螺纹通孔（10）固定的一对第一转销（13）、内置姿态传感器（23）的第一外部法兰（14）、内置温度压力传感器（24）的第二外部法兰（15）、单元连接法兰（18）以及相反姿态的一对第二转销（29），第二外部法兰（15）的中部均匀开设有一圈若干个透水孔（16），透水孔（16）外部安装有一圈透水石环（17），第一转销（13）与内置姿态传感器（23）的第一外部法兰（14）通过固定凹槽固定，数据传输线缆（12）贯穿变形测量阵列（5）的所有单元中部，最上部的单元数据传输线缆（12）通过水密接插件连接至数据采集密封舱（9）；
所述变形测量阵列（5）的若干单元之间通过十字转轴（27）与相邻单元两对的第一转销（13）和相反姿态的第二转销（29）通过十字转轴卡槽（11）固定，各单元间的数据传输线缆（12）置于密封软管（25）内。
2.根据权利要求1所述的一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备,其特征在于,所述第一外部法兰（14）、第二外部法兰（15）和单元连接法兰（18）的材料均为不锈钢材质。
3.根据权利要求1所述的一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备,其特征在于,所述第一外部法兰（14）、第二外部法兰（15）和单元连接法兰（18）之间间由啮合的螺纹相连。
4.根据权利要求1所述的一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备，其特征在于,所述姿态传感器为三轴加速度传感器。
5.如权利要求1所述的一种海底沉积物三维变形过程原位观测设备的工作方法,其特征在于,具体包括以下步骤：
S1、在数据采集密封舱（9）内设置采集频率与采集时长；
S2、利用GPS定位系统将辅助船（1）开到目标点位，并抛锚、桩使船体保持平稳状态；
S3、使用辅助船（1）上的海上钻机装置（2）对目标点位的海床钻孔，钻孔过程中同时下放套管（3），钻孔深度不低于变形测量阵列（5）的长度，钻孔完成之后取出钻杆（4）；
S4、将变形测量阵列（5）顺着套管（3）下放至海床钻孔中；
S5、采用工程用砂对钻孔进行填充，并将套管（3）逐渐上拔，使变形测量阵列（5）与海床完全耦合；
S6、变形测量阵列（5）末端通过水密接插件密封，使数据传输线缆（12）末端能在水中浮起；
S7、将套管（3）完全拔出，从水中打捞起数据传输线缆（12），并将其通过水密接插件与数据采集密封舱（9）进行连接；
S8、将数据采集密封舱（9）用起吊装置（6）下放至海床面，潜水员下潜将海上定位浮球（8）与数据采集密封舱（9）连接；
S9、变形测量阵列（5）按照设定的采集频率与采集时长开始进行数据测量；
S10、原位观测周期结束之后，将辅助船（1）开回目标点位，通过海上定位浮球（8）由潜水员分别将起吊装置（6）连接数据采集密封舱（9）和变形测量阵列（5）完成设备回收；
S11、对数据采集密封舱（9）进行数据读取，从而将观测周期内海底沉积物孔压、温度和姿态信息进行动态输出；
姿态传感器（23）测量相对重力的倾斜角度，由于变形测量阵列（5）中各单元长度为固定值，根据三个方向的角度变化，结合余弦定理即可计算三个方向上的位移大小，以远端为计算参考点，通过累加的方式即可得不同节点处的位移大小，公式如下：
其中L为单元长度，、/>、/>、分别为第n单元上沿x、y、z方向轴的变化角度，/>、、/>为位移变化大小。
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