NL8901923A - 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, omvattende het boven de grondaanbrengen van een verticaal verplaatsbare spuitmond, het door middelvan die spuitmond op of langs de grond teweeg brengen van een water¬stroom die door erosie van de grond een put in de grond vormt, het doormiddel van verplaatsingsmiddelen zodanig beheerst laten dalen van despuitmond dat deze mond de dalende putbodem volgt, het vaststellen vande snelheid waarmee de spuitmond de putbodem volgt en het uit hetverband tussen die snelheid en het debiet van de waterstroom afleidenvan de erodeerbaarheid op verschillende diepten.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3690166.

Offshore constructies, zoals pijpleidingen en hoorplatforms, 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 enkele bekende methoden om de erosie van grond onder invloed vangolf- en stroomwerking te voorspellen, kleven bezwaren. Zij berustenhetzij op bepaling in situ van de conusweerstand, de dichtheid en de doorlatendheid 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 deeigenschappen doorgaans laagsgewijs en in horizontale richtingvariëren.

Bij de methode volgens genoemd Amerikaans octrooischrift 3690166 hangtde spuitmond aan een kabel die over een door een motor te bedienentrommel is gewikkeld. De spanning in de kabel wordt door belastings-cellen vastgesteld en deze cellen regelen de electrische energie naarde motor zo dat de kabelspanning in hoofdzaak gelijk blijft. Dezemethode is in verband met verschillen in kabeleigenschappen (lengte,stugheid) en dergelijke te onnauwkeurig om een constante afstand tussende spuitmond en de bodem van het putje te bewerkstelligen. Kleineverschillen in afstand tussen de onderzijde van de spuitmond en debodem van het putje hebben grote gevolgen ten aanzien van de gemetenerodeerbaarheid. Daarom is een constante afstand noodzakelijk omnauwkeurige en reproduceerbare erodeerbaarheidsmeetresultaten teverkrijgen. De bekende methode is dan ook in het bijzonder ongeschiktom geringe verschillen in erodeerbaarheid onder relatieve zwakkewaterstromingen vast te stellen.

Met de uitvinding wordt beoogd genoemde bezwaren van bekende methodeste vermijden en een werkwijze van het in de aanhef genoemde soort teverschaffen waarmee de erodeerbaarheid van grond nauwkeurig enreproduceerbaar kan worden vastgesteld.

Volgens de uitvinding wordt met een sensor die aan de spuitmond isaangebracht, een grootheid gemeten die een functie is van de afstandtussen het ondereinde van de spuitmond en de bodem van de put, en wordtdeze grootheid gebruikt om een servosysteem te regelen dat genoemdeverplaatsingsmiddelen van de spuitmond zodanig stuurt dat de genoemde afstand tussen het ondereinde van de spuitmond en de bodem van de putin hoofdzaak constant blijft.

Omdat op of langs de grond een waterstroom teweeg wordt gebracht diedoor erosie van de grond een put vormt is de methode grotendeels inovereenstemming met de werkelijke omstandigheden die bij een offshore**constructie kunnen optreden, omdat de bodemdeeltjes worden losgemaakten getransporteerd door een waterstroom. Wezenlijk voor de uitvindingis dat de afstand tussen het ondereinde van de spuitmond en de bodemvan de put door toedoen van een sensor en een servosysteem constantwordt gehouden.

Het debiet van de waterstroom zou ook constant kunnen worden gehouden;het verdient echter de voorkeur dit debiet regelbaar te maken. In datgeval kan het verband worden vastgelegd tussen de snelheid waarmee debodem van de put daalt en het bijbehorende debiet van de waterstroom enkan de erodeerbaarheid van de grond op diverse diepten uit dit verbandworden afgeleid. De mogelijkheid bestaat de snelheid waarmee despuitmond daalt constant te houden door het debiet te variëren. Hetveranderende debiet is dan een maat voor de erodeerbaarheid van degrond op verschillende diepten. In het algemeen is het echterpraktischer het debiet van de waterstroom constant te houden en desnelheid waarmee de watertoevoermiddelen de bodem van de put opgecontroleerde wijze volgen vast te leggen. De daalsnelheid van despuitmond is dan een maat voor de erodeerbaarheid van de grond opverschillende diepten.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een inrichting voor hetbepalen van de erodeerbaarheid van grond, in het bijzonder tot de onderwaterbodem behorende grond, omvattende een spuitmondstuk,verplaatsingsmiddelen om dat mondstuk verticaal te verplaatsen,stuurmiddelen om de verplaatsingsmiddelen zodanig beheerst te sturendat de spuitmond de daling van de bodem van de put kan volgen, enmiddelen om de snelheid te bepalen waarmee de spuitmond de dalendeputbodem .volgt. Deze inrichting is gekenmerkt doordat aan de spuitmondeen sensor is aangebraOht voor het meten van een grootheid die eenfunctie is van de afstand tussen het ondereinde van de spuitmond en debodem van de put, welke sensor is verbonden met een servosysteem dat hydraulische of mechanische middelen ter verplaatsing van een ophangstang van de spuitmond zodanig kan sturen dat de afstand tussen het ondereinde van de spuitmond en de bodem van de put in hoofdzaak % constant blijft.

Bij voorkeur omvat de inrichting ook middelen om het debiet van dewaterstroom door het spuitmondstuk te meten en te regelen.

Voor de genoemde sensor zijn er verschillende mogelijkheden. Devoorkeur verdient een sensor bestaande uit een mechanische taster dieverplaatsbaar in de spuitmond steekt waarbij in het mondstuk plaats-bepalingsmiddelen aanwezig zijn om de positie van de taster in despuitmond te bepalen.

Voor deze laatstgenoemde plaatsbepalingsmiddelen zijn weerverschillende mogelijkheden aanwezig bijvoorbeeld met een electro-magnetisch veld, een radar of een laser. De voorkeur verdient echter detaster door veren met de spuitmond te verbinden en aan de verenrekstrookjes te bevestigen ter bepaling van de veerspanning die eenfunctie is van de positie van de taster in de spuitmond. Bij een andereconstructie bestaat de sensor uit een zogenaamde dynamische profiel-volger. Dat is een staaf met twee op kleine afstand boven elkaargeplaatste voelelectröden en een gemeenschappelijke hoofdelectrode,waarbij middelen aanwezig zijn om de electrische weerstand tussen dehoofdelectrode en de voelelectroden te bepalen.

De erodeerbaarheid wordt meer in overeenstemming met de werkelijkeomstandigheden uitgevoerd indien de spuitmond T-, L-, of U-vormig ismet een verticale watertoevoer, eventueel een verticale waterafvoer eneen open horizontaal tussendeel heeft waar het voornaamste erosieprocesplaats vindt onder invloed van horizontale stroming.

De mogelijkheid bestaat om de spuitmond van turbulentie-bevorderendeorganen te voorzien. Een voorbeeld daarvan is het inblazen van lucht inde waterstroom kort voordat het water uit de spuitmond treedt.

De uitvinding zal nu aan de hand van de figuren, waarin een aantaluitvoeringsvoorbeelden schematisch is weergegeven, nader worden toegelicht.

Figuur I toont een schematisch beeld van een eerste uitvoering van een erodeerbaarheidsmeter. , * *

Figuur 2 toont een tweede uitvoering van een erodeerbaarheidsmeter.

Figuur 3 toont een alternatieve uitvoering van de spuitmond volgensfiguur 1.

Figuur 4 toont een grafische weergave van het verband tuesen de dieptevan de spuitmond en de tijd bij een bepaald grondpakket.

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

De uitvoering volgens figuur 1 omvat een spuitlans 1 die via een slang2 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 wordtgehandhaafd tussen de punt van de sensor en het niveau van de bodem.

Het besturingsmechanisme voor de spuitlans omvat behalve de sensor 7 ende detector 8 een servoversterker 9, een servomotor 10, eentachogenerator 11 en een hydraulische stuurkleppeneenheid 12. Bitbovenstaande blijkt dat de hydraulische cilinder 6 zo wordt gestuurddat de ingestelde electrische weerstandsverhouding steeds wordthersteld. De spuitlans zakt ten opzichte van de drager dus zodanig inhet door het ingespoten water gevormde putje dat de afstand tussen despuitmond en de bodem van het putje in hoofdzaak constant blijft. Ditis een voorwaarde voor een goede reproduceerbaarheid van de gemetenerodeerbaarheid. Deze erodeerbaarheid wordt afgeleid uit het verbandtussen de snelheid (mm/sec) waarmee de bodem van het putje daalt en hetdebiet (m^/h) van de waterstroom die uit de spuitlans komt en op degrond wordt gericht.

De uitvoering volgens figuur 1 kan het bezwaar vertonen dat de in hetputje opwarrelende gronddeeltjes de meting onnauwkeurig maken. In velegevallen zal de uitvoering volgens figuur 2 daarom de voorkeurverdienen. Ook deze uitvoering heeft een spuitmond die via een slang 2is aangesloten op de perszijde van een waterpomp 3. De stang 4 kan open neer worden verplaatst door twee paren wielen 13a, 13b en 14a, 14bdie via een tandriem 15 door een motor worden aangedreven. De stang istussen de wielparen 13, 14 geklemd. In de spuitmond steekt eenmechanische tasterstang 16 die aan zijn ondereinde van eentastoppervlak 17 van willekeurige vorm is voorzien. Dit oppervlakgrijpt aan op de bodem. De stang 16 is door middel van twee bladveren18 aan de spuitmond bevestigd. Op deze veren is een rekstrookje 19aangebracht dat de spanningstoestand van de veren vastlegt. Derekstrookjes zijn verbonden met een regelkast 20 met servosysteem datde motor voor de wielen 13, 14 zodanig kan regelen dat de spanning inde bladveren constant blijft. Daarmee blijft ook de afstand tussen hetondereinde van de spuitmond en de bodem van het gevormde putjeconstant.

Figuur 4 toont voor een bepaalde grondsituatie het verband tussen dediepte z (millimeter) van de bodem van het eroderende putje beneden deoorspronkelijke onderwater-bodem (bij constante debiet) en de tijd T(seconde). De grond is gelaagd waarbij de eerste en derde laag (corresponderend met A en C in figuur 4) betrekkelijk moeilijk eroderenen een met B corresponderende laag makkelijk erodeert. De .erodeerbaarheid kan worden vastgelegd door een bepaling vaa.^·-, datis 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 3 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 1b 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.

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 22, 23. De binnenste buis 22 reikt met zijnonderrand tot voorbij de onderrand van de buitenste buis en is bij dieonderrand voorzien van een ringvormige goot 24. Het water dat van de binnenbuis wordt toegevoerd, stroomt naar de bodem van de put en hetdoor de ruimte tussen de buizen 22, 23 toegevoerde water wordt, zoalsmet pijlen aangegeven, middels de goot 24 zijwaarts omhoog omgebogen i voor 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 25 t/m 28 waarvan de onderranden van binnen naar buiten eenhoger niveau bezitten en waarbij de drie binnenste buizen van eenringvormig gootje 29 zijn voorzien elk op korte afstand onder deonderrand van de volgende buis.

De spuitlans volgens figuur 5c heeft onder de onderrand van detoevoerbuis 30 een schotel 31 die door middel van een stang 32 enspaakvormige bevestigingsstaven 33 aan de buis 30 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 31 op zijn bovenvlakvan spiraalvormige schoepjes zijn voorzien om het eroderend vermogen tevergroten. Het principe volgens figuur 5c kan worden gecombineerd metdat volgens figuur 2 waarbij het tastoppervlak 17 de functie vanschotel 31 vervult.

Figuur 5d toont een uitvoering waarbij de onderzijde van de spuitlansde vorm heeft van een conus 34 met openingen 35 die het toegevoerde ,water 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 36 en 37 en een gootje 38 en deze lans isbovendien voorzien van een spuitmond 39 waarin openingen voor dehorizontale verspreiding van toegevoerd water zijn aangebracht.

Claims (9)

1. Werkwijze voor het bepalen van de erodeerbaarheid van grond, in hetbijzonder tot de onderwaterbodem behorende grond, omvattende het bovende grond aanbrengen van een verticaal verplaatsbare spuitmond, het doormiddel van die spuitmond op of langs de grond teweeg brengen van een j waterstroom die door erosie van de grond een put in de grond vormt, hetdoor middel van verplaatsingsmiddelen zodanig beheerst laten dalen vande spuitmond dat deze mond de dalende putbodem volgt, het vaststellenvan de snelheid waarmee de spuitmond de putbodem volgt en het afleidenvan de erodeerbaarheid op verschillende diepten uit het verband tussen ) die snelheid en het debiet van de waterstroom, met het kenmerk, dat meteen sensor die aan de spuitmond is aangebracht, een grootheid wordtgemeten die een functie is van de afstand tussen het ondereinde van despuitmond en de bodem van de put, dat deze grootheid wordt gebruikt omeen servosysteem te regelen dat genoemde verplaatsingsmiddelen van de > spuitmond zodanig stuurt dat genoemde afstand tussen het ondereinde vande spuitmond en de bodem van de put in hoofdzaak constant blijft.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het debiet vande waterstroom door de spuitmond regelbaar is. )

3. Inrichting voor het volgens de werkwijze volgens conclusie 1 of 2bepalen van de erodeerbaarheid van grond, in het bijzonder tot deonderwaterbodem behorende grond, omvattende een spuitmond,verplaatsingsmiddelen om die spuitmond verticaal te verplaatsen, > stuurmiddelen om de verplaatsingsmiddelen zodanig beheerst te sturendat de spuitmond de daling van de bodem kan volgen en middelen om desnelheid te bepalen waarmee de spuitmond de dalende bodem volgt, methet kenmerk, dat aan de spuitmond een sensor is aangebracht voor hetmeten van een grootheid die een functie is van de afstand tussen het l ondereinde van de spuitmond en de bodem van de put, welke sensor isverbonden met een servosysteem dat hydraulische of mechanische middelenter verplaatsing van een ophangstang van de spuitmond zodanig kansturen dat de afstand tussen het ondereinde van de spuitmond en debodem van de put in hoofdzaak constant blijft.

4. Inrichting volgens conclusie 3, gekenmerkt door middelen om het debiet van de waterstroom door het spuitmondstuk te meten en teregelen. i

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat genoemde sensorbestaat uit een mechanische taster die verplaatsbaar in de spuitmondsteekt en dat in het mondstuk plaatsbepalingsmiddelen steken om depositie van de taster in de spuitmond te bepalen.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de mechanischetaster door veren met de spuitmond is verbonden en aan de verenrekstrookjes zijn bevestigd ter bepaling van de veerspanning die eenfunctie is van de positie van de taster in de spuitmond.

7. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat genoemde sensoris uitgevoerd in de vorm van een zogenaamde dynamische profielvolgerbestaande uit een staaf met twee op kleine afstand boven elkaargeplaatste voelelectroden en een gemeenschappelijke hoofdelectrode,waarbij middelen aanwezig zijn om de weerstandswaarde tussen dehoofdelectrode en de voelelectroden te bepalen.

8. Inrichting volgens' één van de conclusies 3 t/m 7, met het kenmerk,dat de spuitmond T-, L- of U-vormig is en een verticale waterafvoer eneen open horizontaal tussendeel heeft.

9. Inrichting volgens één van de conclusies 3 t/m 8, met het kenmerk,dat het spuitmondstuk van turbulentie bevorderende organen isvoorzien.