NL8801989A - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de erodeerbaarheid van grond, in het bijzonder tot de onderwaterbodem behorende grond. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de erodeerbaarheid vangrond, in het bijzonder tot de onderwaterbodem behorende grond.

De uitvinding heeft in eerste instantie betrekking op een werkwijzevoor het bepalen van de erodeerbaarheid van grond, in het bijzonder totde onderwater-bodem behorende grond.

Offshore constructies, zoals pijpleidingen en boorplatforms, zijn inveel gevallen op fijnkorrelig sedimentmateriaal geplaatst. Dit sedimentkan door golf- en stroomwerking worden geërodeerd, dat wil zeggen datde korrels door het water worden losgemaakt en meegenomen. Deze erosiekan zowel nadelige als voordelige gevolgen hebben. Het wegspoelen vangrond nabij steunpalen van platforms en dergelijke kan tot gevaarlijkesituaties leiden; daarentegen is het zichzelf ingraven van op dezeebodem liggende pijpen een voorbeeld van een gewenst gevolg vanerosie. Bij het plannen en ontwerpen van op of in de onderwaterbodemgefundeerde constructies zal dus met de erodeerbaarheid van de grondrekening moeten worden gehouden. Er is dan ook behoefte aan een methodeen aan apparatuur om de erodeerbaarheid van de grond met voldoendenauwkeurigheid en reproduceerbaarheid te kunnen voorspellen en meten.

De mate waarin de grond erodeert is afhankelijk van de (veranderlijke)stroom- en golfwerking en van (het verloop van) de grondeigenschappenin horizontale en verticale richting.

Aan de bekende methoden om de erosie van grond onder invloed van golf¬en stroomwerking te voorspellen, kleven bezwaren. Zij berusten hetzijop bepaling in situ van de conusweerstand, de dichtheid en dedoorlatendheid van de grond, hetzij op bepaling van eigenschappen vangrondmonsters in het laboratorium, zoals de samenstelling en dekorrelverdeling en de erodeerbaarheid onder invloed van eenwaterstroom. Deze methoden geven echter ofwel slechts indirecte, weinigbetrouwbare informatie over de erodeerbaarheid van de grond, ofwel demethoden zijn zeer omslachtig en dus kostbaar. De indirecteinterpretatie van de gegevens is vooral moeilijk indien zich in debodem cohesief materiaal, zoals slib, bevindt. Dit is in grote delenvan bijvoorbeeld de Noordzee het geval. Bovendien is het veelal nietvoldoende om op een plek één monster te onderzoeken doordat de eigenschappen doorgaans laagsgewijs variëren.

Met de uitvinding wordt beoogd deze bezwaren te ondervangen en eensnelle, goedkope werkwijze te verschaffen die ter plaatse kan wordenuitgevoerd en die tot nauwkeurige en reproduceerbare resultaten leidt.Volgens de uitvinding wordt een waterstroom op of langs de grond teweeggebracht, waarbij zich door erosie een put in de grond vormt, en wordthet verband vastgelegd tussen de snelheid waarmee de bodem van deze putdaalt en het bijbehorende debiet van de waterstroom, waarbij uit datverband de erodeerbaarheid wordt bepaald van de grond op diversediepten.

Deze methode is grotendeels in overeenstemming met de werkelijkeomstandigheden die bij een offshore constructie kunnen optreden omdatde bodemdeeltjes worden losgemaakt en getransporteerd door eenwaterstroom.

Niet uitgesloten is dat de watertoevoermiddelen een gefixeerde positiedicht boven de bodem hebben. Een probleem bij deze methode van meten isdat de uitstroommond(en) van de watertoevoermiddelen, zonder bijzonderevoorzieningen, een onbekende positie boven de bodem van de put hebben,waarbij de afstand tussen de uitstroommond(en) van deze middelen en debodem van de put kan variëren. Dit heeft het bezwaar dat tevens deinvloed van de waterstroom op het erosieproces kan variëren. Debetrouwbaarheid en de reproduceerbaarheid van de meting worden daardoorernstig geschaad.

Daarom verdient het sterk de voorkeur dat de watertoevoermiddelenzodanig in verticale richting worden verplaatst dat zij op‘ bekende ente besturen wijze de daling van de bodem van de put volgen.

De mogelijkheid bestaat de snelheid waarmee de watertoevoermiddelendalen constant te houden door het debiet te variëren zodat dezeconstante daalsnelheid wordt bereikt. Het veranderende debiet is daneen maat voor de erodeerbaarheid van de grond op verschillende diepten.Praktischer is echter het debiet van de waterstroom constant te houdenen de snelheid waarmee de watertoevoermiddelen de bodem van de put opgecontroleerde wijze volgen vast te leggen. De daalsnelheid van de watertoevoermiddelen is dan een maat voor de erodeerbaarheid van degrond op verschillende diepten.

Daarbij wordt bij voorkeur de afstand tussen de uitstroommond(en) vande watertoevoermiddelen en de bodem van de put constant gehouden.

Een andere mogelijkheid is echter dat de afstand tussen deuitstroommond(en) van de watertoevoermiddelen en de bodem van de putcontinu of regelmatig wordt gemeten en de gemeten waarden bij debepaling van de erodeerbaarheid worden betrokken.

Voor de gecontroleerde besturing van de watertoevoermiddelen kan inplaats van een constanthouding van de afstand tussen dewateruitstroommond(en) en de putbodem ook de totale kracht constantworden gehouden waaraan de watertoevoermiddelen worden blootgesteld alsgevolg van o.a. de opwaartse kracht van de op de grond botsendewaterstraal en de neerwaartse kracht van de vasthoud- c.q.verplaatsingsmiddelen voor de watertoevoermiddelen.

Ook zou deze totale kracht continu of regelmatig kunnen worden gemetenen de gemeten waarden zouden bij de bepaling van de erodeerbaarheidkunnen worden betrokken.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een inrichting voor hetbepalen van de erodeerbaarheid van grond. Deze inrichting is gekenmerktdoor watertoevoermiddelen voor het teweeg brengen van een waterstroomop of langs de grond van de put in zijn diverse stadia, middelen om desnelheid vast te stellen waarmee de bodem van de door de waterstroomgeërodeerde put daalt, middelen om het debiet van de waterstroom vastte stellen en te sturen, en middelen om de kracht te meten en/of testuren waarmee het middel of een deel daarvan in de put wordt gedrukt.Het verband tussen genoemde snelheid en genoemd debiet is, zoals uitbovenstaande blijkt, een maat voor de erodeerbaarheid van de grond opdiverse diepten.

Voor de gecontroleerde beweging van de watertoevoermiddelen kan aan diemiddelen een profielvolger zijn bevestigd voorzien van een staafsensor met drie elektroden en een servosysteem voor het sturen van deverticale positie van de watertoevoermiddelen.

Bij voorkeur stuurt het servosysteem met behulp van de metingen van desensor het ondereinde van de watertoevoermiddelen zodanig dat deafstand tussen dit ondereinde en de bodem van de put in hoofdzaakconstant blijft.

Een andere mogelijkheid is dat aan de watertoevoermiddelen eendrukmeetorgaan (rekstrookje) is bevestigd dat de materiaaldruk in dewatertoevoermiddelen meet, welk drukmeetorgaan is verbonden met eenservosysteem voor het sturen van de verticale positie van dewatertoevoermiddelen.

Het servosysteem kan met behulp van sigalen van de sensor de daaraanbevestigde watertoevoermiddelen zo sturen dat de door hetdrukmeetorgaan gemeten druk in hoofdzaak constant blijft.

Een eenvoudige uitvoering van de watertoevoermiddelen bestaat uit eenspuitlans. De erodeerbaarheid wordt echter meer in overeenstemming metde werkelijke omstandigheden uitgevoerd indien de watertoevoermiddelenT-, L- of U-vormig zijn met een verticale watertoevoer, eventueel eenverticale waterafvoer en een open horizontaal tussendeel waar hetvoornaamste erosieproces plaatsvindt onder invloed van horizontalestroming.

De mogelijkheid bestaat om de watertoevoermiddelen vanturbulentiebevorderende organen te voorzien. Een voorbeeld daarvan ishet inblazen van lucht in de waterstroom, kort voordat het water uit despuitmond(en) treedt.

De uitvinding zal nu aan de hand van de figuren, waarin een aantaluitvoeringsvoorbeelden schematisch zijn weergegeven, nader wordentoegelicht.

Figuur 1 toont een schematisch beeld van een eerste uitvoering van eenerodeerbaarheidsmeter.

Figuur 2 toont een alternatieve uitvoering van de watertoevoermiddelenvan de inrichting volgens figuur 1.

Figuur 3 toont een alternatieve uitvoering van de regelmiddelen voor de> gecontroleerde verplaatsing van de watertoevoermiddelen volgens figuren 1 en 2.

Figuur 4 geeft een grafische weergave van het verband tussen dediepte van de watertoevoermiddelen en de tijd bij een bepaaldI grondpakket.

Figuren 5a t/m e tonen een aantal alternatieve uitvoeringen van dewatertoevoermiddelen.

De uitvoering volgens figuur 1 omvat een spuitlans 1 die via een slang 2 is aangesloten op de perszijde van een waterpomp 3. De lans 1 bevindtzich aanvankelijk met zijn naar beneden gekeerde spuitmond op kleineafstand boven de onderwaterbodem. Door middel van een stang 4 is delans opgehangen aan de zuiger 5 van een hydraulische cilinder 6. Dezecilinder 6 is bevestigd aan een niet weergegeven drager. Dit kan eentijdelijk op de bodem gefixeerd frame of een drijvend ponton zijn.

Voorts zijn als drager niet uitgesloten een zwevend lichaam(bijvoorbeeld een zogenaamd Remotely Operated Vehicle) dat door middelvan dynamisch positioneren op zijn plaats wordt gehouden, en een overde bodem rijdend karretje dat tijdelijk stil staat. Aan de spuitlans 1is een sensor 7 bevestigd die deel uitmaakt van een profielvolger, datis een apparaat dat er voor zorgt dat tusen de spuitmond van de lans ende onderwaterbodem direct onder die spuitmond een constante afstandwordt gehandhaafd. De sensor is een staafje met twee elektroden en eengemeenschappelijke electrode. Deze zijn opgenomen in een elektrischeketen van een detector. Tussen de twee kleine electroden, die vlakboven elkaar bij de sensorpunt zijn aangebracht, en degemeenschappelijke electrode wordt de electrische weerstand (ofgeleidbaarheid) van het water gemeten. Het niveau van de bodem wordtgemeten door het continu vergelijken van de weerstandswaarden, waarbijde bodemligging invloed heeft op de verhouding van de weerstanden. Dezeverhouding wordt gebruikt om een servosysteem zodanig te besturen dat een constante doch instelbare afstand van 0,5 tot 2 mm wordt gehandhaafd tussen de punt van de electrode en het niveau van de bodem.

Het besturingsmechanisme voor de spuitlans omvat behalve de sensor 7 en de detector 8 een servoversterker 9, een servomotor 10, een tachogenerator 11 en een hydraulische stuurkleppeneenheid 12. Uit bovenstaande blijkt dat de hydraulische cilinder 6 zo wordt gestuurd dat de ingestelde electrische weerstandsverhouding Steeds wordt hersteld. De spuitlans zakt ten opzichte van de drager dus zodanig in het door het ingespoten water gevormde putje dat de afstand tussen de spuitmond en de bodem van het putje in hoofdzaak constant blijft. Dit is een voorwaarde voor een goede reproduceerbaarheid van de gemeten erodeerbaarheid. Deze erodeerbaarheid wordt afgeleid uit het verband tussen de snelheid (mm/sec) waarmee de bodem van het putje daalt en het debiet (m^/h) van de waterstroom die uit de spuitlans komt en op de grond wordt gericht. Figuur 4 toont voor een bepaalde grondsituatie het verband tussen de diepte z (mm) van de bodem van het eroderende putje beneden de oorspronkelijke onderwaterbodem (bij constant debiet) en de tijd T (sec). De grond is gelaagd waarbij de eerste en derde laag (corresponderend met A en C in figuur 4) betrekkelijk moeilijk eroderen en de met B corresponderende laag makkelijk erodeert. De erodeerbaarheid kan worden vastgelegd door bepaling van ... , dat

dT

is de daalsnelheid bij constant debiet van de waterstroom.

Niet uitgesloten is dat de controle van de beweging van de spuitlanszodanig is dat deze met constante snelheid zakt en dat het daarbijbehorende variërende debiet (P) van de waterstroom wordt gemeten. Indat geval is P een maat voor de erodeerbaarheid van de grond op diversediepten.

De spuitlans kan ook de vorm volgens figuur 2 hebben, dat wil zeggenbestaand uit een via een slang 2a op de perszijde van een pompaangesloten verticale toevoerpijp la, een via een slang 2b op dezuigzijde van die pomp aangesloten afvoerpijp lb en een openhorizontaal tussenstuk lc. Deze uitvoering heeft het voordeel dat deopgewekte, in hoofdzaak horizontale waterstroom meer in overeenstemmingis met de werkelijke omstandigheden die bij een offshore constructieoptreden.

Figuur 3 toont een uitvoering, waarbij de spuitlans 1 niet van een sensor 7 maar van een rekstrookje 13 is voorzien. Dit rekstrookje meetde kracht waarmee het materiaal van de spuitlans als gevolg van deneerwaartse kracht van de zuiger 5 en de opwaartse kracht van het op debodem botsende en omhoogstrainende water wordt samengedrukt. Deze krachtkan door een electrisch servosysteem constant worden gehouden waarbijbij constant waterdebiet de daalsnelheid

(zie figuur 4)

een maat voor de erodeerbaarheid is. Een andere mogelijkheid is dat hetdebiet en de daalsnelheid . constant worden gehouden en de door middel van het rekstrookje gemeten kracht een maat is voor deerodeerbaarheid van de grond op diverse diepten.

De spuitlans kan in alle gevallen zijn voorzien vanturbulentiebevorderende organen.

Bij de uitvoering van de watertoevoermiddelen volgens figuur 1 kan hetverdiepen van de put worden gesmoord door de sediment-materiaalbewegingdie leidt tot de verbreding van de put. Dit kan tot een verstorendeinvloed op het erosieproces leiden. Een en ander zou kunnen wordentegengegaan door ervoor te zorgen dat al het losgekomen materiaal wordtafgevoerd. De uitvoeringen van de spuitlans volgens de figuren 5a t/m5c leveren daartoe een bijdrage.

Bij de uitvoering volgens figuur 5a bestaat de spuitlans uit tweeconcentrische buizen 14, 15. De binnenste buis 14 reikt met zijnonderrand tot voorbij de onderrand van de buitenste buis en is bij dieonderrand voorzien van een ringvormige goot 16. Het water dat van debinnenbuis wordt toegevoerd, stroomt naar de bodem van de put en hetdoor de ruimte tussen de buizen 14, 15 toegevoerde water wordt, zoalsmet pijlen aangegeven, middels de goot 16 zijwaarts omhoog omgebogenvoor het afvoeren van materiaal van de zijflanken van de put.

Dit principe wordt bij de uitvoering volgens figuur 5b verderuitgewerkt: hier is sprake van een spuitlans met vier concentrischebuizen 17 t/m 20 waarvan de onderranden van binnen naar buiten eenhoger niveau bezitten en waarbij de drie binnenste buizen van eenringvormig gootje 21 zijn voorzien elk op korte afstand onder deonderrand van de volgende buis.

De spuitlans volgens figuur 5e heeft onder de onderrand van detoevoerbuis 22 een schotel 23 die door middel van een stang 24 enspaakvormige bevestigingsstaven 25 aan de buis 22 is bevestigd. Hetwater krijgt een in hoofdzaak horizontale stromingsrichting. De vormingvan het putje is dan meer in overeenstemming met de erosie ten gevolgevan horizontale stromen. Overigens kan de schotel 23 op zijn bovenvlakvan spiraalvormige schoepjes zijn voorzien om het eroderend vermogen tevergroten.

Figuur 5d toont een uitvoering waarbij de onderzijde van de spuitlansde vorm heeft van een conus 26 met openingen 27 die het toegevoerdewater in horizontale richting verspreiden. De punt van de conus zouzich op of in de grond kunnen bevinden waarbij de spuitlans door eigengewicht en gronderosie in de grond zakt; dit zou een geavanceerdesturing van de lans overbodig kunnen maken. Echter een nadeel is, datde draagkracht van de grond invloed uitoefent op de positie van deuitstroomopeningen ten opzichte van de bodem en dus op de resulterendedaalsnelheid.

De uitvoering volgens figuur 5e toont een spuitlans volgens figuur 5amet twee concentrische buizen 28 en 29 en een gootje 30 en deze lans isbovendien voorzien van een spuitmond 31 waarin openingen voor dehorizontale verspreiding van toegevoerd water zijn aangebracht. De vormvan de door erosie gevormde put is hierbij zodanig dat de sturing vande sensor beter werkt.

De uitvoeringen volgens figuren 5a, b, c en e zullen zijn voorzien vaneen sensor 7 of een rekstrookje 13 terwijl bij de uitvoering volgensfiguur 5 zo een sensor of strookje kan zijn weggelaten.

Het zal duidelijk zijn dat binnen het kader van de uitvindingverschillende wijzigingen kunnen worden aangebracht o.a. zou despuitlans mechanisch in plaats van hydraulisch kunnen worden bediend.Wezenlijk voor de uitvindingsgedachte is dat door middel van eenwaterstroom erosie in situ wordt opgewekt, dat het verband tussen desnelheid waarmee de bodem als gevolg van de erosie daalt en het debietvan de waterstroom wordt bepaald en dat tenslotte uit dat verband deerodeerbaarheid van de grond op diverse diepten wordt afgeleid.

Claims (15)

1. Werkwijze voor het bepalen van de erodeerbaarheid van grond, in hetbijzonder tot de onderwaterbodem behorende grond, met het kenmerk, dateen waterstroom op of langs de grond teweeg wordt gebracht waarbij zichdoor erosie een put in de grond vormt, dat het verband wordt vastgelegdtussen de snelheid, waarmee de bodem van de put daalt, en het debietvan de waterstroom, en dat uit dat verband de erodeerbaarheid opdiverse diepten wordt bepaald.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat dewatertoevoermiddelen zodanig worden bestuurd en verticaal verplaatstdat zij op gecontroleerde wijze de daling van de bodem van de putvolgen.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het debiet vande waterstroom constant wordt gehouden en de snelheid waarmee dewatertoevoermiddelen de bodem van de put op gecontroleerde wijzevolgen, wordt vastgesteld.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de afstandtussen de uitstroommond van de watertoevoermiddelen en de bodem van deput constant wordt gehouden.

5. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de afstandtussen de uitstroommond van de watertoevoermiddelen en de bodem van deput continu of regelmatig wordt gemeten en de gemeten waarden bij debepaling van de erodeerbaarheid worden betrokken.

6. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de krachtwaaraan de watertoevoermiddelen worden blootgesteld als gevolg vanonder meer de opwaartse kracht van de op de grond botsende waterstroomen de neerwaartse kracht van de vasthoud- c.q. verplaatsingsmiddelenvan de watertoevoermiddelen, constant wordt gehouden.

7. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de krachtwaaraan de watertoevoermiddelen worden blootgesteld als gevolg vanonder meer de opwaartse kracht veroorzaakt door de op de grond botsende waterstraal en een neerwaartse kracht veroorzaakt door devasthoud- c.q. verplaatsingsmiddelen wordt gemeten en de gemetenwaarden bij de bepaling van de erodeerbaarheid worden betrokken. -

8. Inrichting voor het bepalen van de erodeerbaarheid van grond, in hetbijzonder tot de onderwater-bodem behorende grond, gekenmerkt doorwatertoevoermiddelen voor het teweeg brengen van een waterstroom op oflangs de grond, middelen om de diepte vast te stellen van de bodem vande door de waterstroom geërodeerde put en om de snelheid vast testellen waarmee de putbodem daalt, en middelen om het debiet van dewaterstroom te meten en te regelen.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat aan dewatertoevoermiddelen een profielvolger is bevestigd voorzien van eenstaafsensor met drie electroden en een servosysteem voor het sturen vande spuitmondhoogte en/of het waterdebiet door deze mond(en).

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat hetservosysteem het ondereinde van de sensor zo stuurt dat de afstandtussen dat ondereinde en de grond in hoofdzaak constant blijft.

11. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat aan dewatertoevoermiddelen een drukmeetorgaan (rekstrookje) is bevestigd datde materiaaldruk meet, welk drukmeetorgaan is verbonden met eenservosysteem voor het sturen van de spuitmondhoogte en/of hetwaterdebiet door deze mond(en).

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat hetservosysteem de sensor zo stuurt dat de door het drukmeetorgaan gemetendruk in hoofdzaak constant blijft.

13. Inrichting volgens één van de conclusies 9 t/m 12, met het kenmerk,dat de watertoevoermiddelen bestaan uit een spuitlans.

14. Inrichting volgens één van de conclusies 9 t/m 12, met het kenmerk,dat de watertoevoermiddelen T-, L- of U-vormig zijn met een verticale waterafvoer en een open horizontaal tussendeel.

15. Inrichting volgens één van de conclusies 9 t/m 14, met het kenmerk,dat de watertoevoermiddelen van turbulentiebevorderende organen zijnvoorzien.