深海淺層沉積物強(qiáng)度貫入式原位測(cè)試裝置研制?

朱超祁， 張民生,2??， 賈永剛,2， 王振豪， 魏志明， 文明征

(1. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

技術(shù)報(bào)告

深海淺層沉積物強(qiáng)度貫入式原位測(cè)試裝置研制?

朱超祁1， 張民生1,2??， 賈永剛1,2， 王振豪1， 魏志明1， 文明征1

(1. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

自由下落式CPT測(cè)試技術(shù)(FF-CPT)是一種重要的海上沉積物強(qiáng)度原位測(cè)試方法。本文在FF-CPT室內(nèi)試驗(yàn)原型樣機(jī)基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步改進(jìn)，研制了深海淺層沉積物強(qiáng)度貫入式原位測(cè)試裝置。FF-CPT系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、貫入探桿、配重、耐壓控制艙及釋放器等組成，設(shè)備總長度約6 m，貫入深度約5 m，極限工作水深1 500 m。FF-CPT采用自容方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，可同時(shí)測(cè)量深海表層沉積物的側(cè)摩阻力、錐尖阻力、孔隙水壓力等參數(shù)。目前已將該FF-CPT原位測(cè)試裝置初步應(yīng)用于渤海、南海等海域的表層沉積物強(qiáng)度測(cè)量，F(xiàn)F-CPT工作狀態(tài)良好。期望本研究可為國內(nèi)海上FF-CPT自主研制與進(jìn)一步工程應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

自由下落式CPT(FF-CPT)；沉積物；強(qiáng)度；原位測(cè)試；南海

海底沉積物強(qiáng)度是海洋工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其測(cè)試手段主要包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試[1-3]。海底沉積物取樣難度較大、成本高，且通常擾動(dòng)較為嚴(yán)重，原狀性難以保證，進(jìn)而降低了所測(cè)指標(biāo)的工程價(jià)值。海底原位測(cè)試最大的優(yōu)點(diǎn)是最大限度地保證了沉積物測(cè)試的原狀性，消除了取樣時(shí)的應(yīng)力釋放、樣品運(yùn)輸中的碰撞及制樣中的擾動(dòng)等影響，所測(cè)數(shù)據(jù)可靠性增強(qiáng)[4-5]。自由下落式CPT測(cè)試技術(shù)(Free Fall-CPT，F(xiàn)F-CPT)作為原位測(cè)試手段之一，近來備受關(guān)注。

針對(duì)FF-CPT及其類似測(cè)試裝置，國外已有相關(guān)研究并取得一定進(jìn)展。Colp[6]等研制了一種僅配置了1個(gè)加速度傳感器的貫入裝置，其重量為48 kg，最大工作水深為1 800 m。Beard[7]等設(shè)計(jì)了一套搭載聲學(xué)裝置的貫入設(shè)備，在甲板上利用水聽器接收貫入設(shè)備上的換能器信號(hào)，據(jù)以確定其運(yùn)動(dòng)過程，并利用多普勒準(zhǔn)則來確定速度。Spooner[8]等開發(fā)了一種配置1個(gè)加速度傳感器、重量為2 kg的小型自由下降式貫入設(shè)備，貫入探頭為橢圓形、長度為30 cm，用于湖底沉積物的相對(duì)硬度及組成。Osler[9]等研制的貫入設(shè)備配置了3個(gè)不同量程的加速度傳感器，以保證獲取不同范圍的加速度值，同時(shí)該裝置還安裝了后散射傳感器和電阻率測(cè)量單元，以測(cè)量水體-沉積物界面及沉積物的電學(xué)特性，該裝置工作水深小于200 m。為了探測(cè)200～300 m水下淺層海底沉積物的分類和特性，加拿大國防部開發(fā)了STING MK設(shè)備。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，該設(shè)備只能記錄一個(gè)加速度值，最多存儲(chǔ)時(shí)間為4 min，每次測(cè)量完成，測(cè)試數(shù)據(jù)都需及時(shí)下載。為了克服存儲(chǔ)空間和缺乏強(qiáng)度測(cè)試的缺陷，哥倫比亞大學(xué)開發(fā)了PROBOS設(shè)備。該設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力顯著增強(qiáng)，因而又加入了測(cè)量錐尖阻力的探頭，這套設(shè)備還可根據(jù)海底沉積物底質(zhì)的差異，選擇5～40 cm2不同規(guī)格的探頭。為測(cè)量沉積物內(nèi)超孔隙水壓力，Stegmann[10]等研制的深海貫入儀DW-CPT配置了加速度傳感器、雙橋探頭、絕壓傳感器，另外增加了差壓傳感器。該裝置最大工作水深為4 000 m，探桿度約為2 m。Stephan[11]等研制的LIRmeter貫入設(shè)備，工作水深可達(dá)4 500 m、貫入深度4 m、能夠記錄加速度與孔隙水壓力值，并已在管線勘查等海洋工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。

目前，國內(nèi)圍繞海上CPT設(shè)備研制與應(yīng)用相對(duì)較多；而FF-CPT設(shè)備研制處于起步階段，尚沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海FF-CPT商業(yè)化設(shè)備。圍繞海上CPT 研制與應(yīng)用，宋玉鵬[12]、劉曉磊[13]、季福東[14]等人相繼進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定進(jìn)展。張民生[15]等初步構(gòu)建了FF-CPT室內(nèi)試驗(yàn)原型樣機(jī)，并以海洋砂質(zhì)沉積物為研究對(duì)象，分析了FF-CPT的貫入特征，并分析了速率相關(guān)性。

本文在FF-CPT室內(nèi)試驗(yàn)原型樣機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，研制了深海淺層沉積物強(qiáng)度貫入式原位測(cè)量裝置。期望為國內(nèi)海上FF-CPT自主研制提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

1 FF-CPT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FF-CPT系統(tǒng)自下而上主要由數(shù)據(jù)采集單元、貫入探桿、配重、耐壓控制艙及釋放器等組成。FF-CPT結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示；設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖如圖1所示，釋放器結(jié)構(gòu)見圖4。

表1 FF-CPT設(shè)備參數(shù)表Table 1 Parameters of FF-CPT

Note：①Parameters；②Value；③Length；④Weight；⑤Penetration depth；⑥Maximum operating depth

FF-CPT數(shù)據(jù)采集單元集成了側(cè)摩阻力、錐尖阻力、孔隙水壓力等多參數(shù)傳感器，采集頻率可調(diào)；隨探桿貫入海床深度增加，數(shù)據(jù)采集單元可實(shí)現(xiàn)不同海床深度的物理力學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量。探桿設(shè)計(jì)長度為6.5 m，內(nèi)徑為3 cm，外徑為6 cm，采用316不銹鋼材料。配重可為FF-CPT貫入過程提供貫入推力，其推力來自于配重自重；配重塊數(shù)量可根據(jù)調(diào)查海域水深及沉積物類型做適當(dāng)調(diào)整。

FF-CPT耐壓控制艙設(shè)計(jì)高度為50 cm，內(nèi)徑13 cm，外徑19 cm，上部開口并采用O形圈密封。耐壓密封艙內(nèi)置鋰電池供電單元(12V)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與控制單元，并安裝有姿態(tài)傳感器與加速度傳感器。耐壓艙外壁安裝有導(dǎo)流罩，用以疏導(dǎo)水流，提高貫入過程的穩(wěn)定性。電池供電單元、數(shù)據(jù)測(cè)量單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與控制單元通過水密電纜相連。耐壓控制艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制艙封蓋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 FF-CPT設(shè)計(jì)圖(左)與實(shí)物圖(右)Fig.1 Free Fall-CPT

圖2 FF-CPT耐壓控制艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Design for control module of FF-CPT

FF-CPT通過釋放器釋放。釋放器采用杠桿原理由支座和杠桿構(gòu)成。支座用于固定吊裝纜繩和貫入裝置回收纜繩，給杠桿提供支點(diǎn)，以及阻擋FF-CPT脫落。其中回收纜繩的另外一端連接FF-CPT，使得設(shè)備能夠有效回收，一般情況下回收纜繩長度大于FF-CPT自由下降高度。

杠桿兩段分別為釋放端和配重端，兩端之間有支點(diǎn)，杠桿兩端距支點(diǎn)距離不等，釋放端距支點(diǎn)距離與配重端距支點(diǎn)距離之比為1/2，以保證只需較少配重即可承受較大的力。杠桿釋放端呈勺形，有利于固定和脫落U形環(huán)，杠桿施放端與支座構(gòu)成的封閉環(huán)保證裝置無法脫落，一旦封閉環(huán)被打開，則裝置將自動(dòng)脫落。配重端通過一定長度的纜繩連接配重，一般情況下配重端重量大于釋放端，使得釋放端緊閉，從而鎖住貫入裝置，使得貫入裝置無法脫落。當(dāng)配重著地時(shí)，由于失去配重的作用力，配重端開始上翹，使得釋放端有足夠的縫隙讓貫入裝置脫落，形成自由下落狀態(tài)。

圖3 FF-CPT耐壓控制艙頂部結(jié)構(gòu)Fig.3 Cover of control module of FF-CPT

圖4 FF-CPT釋放器實(shí)物圖Fig. 4 Releaser for the FF-CPT

2 FF-CPT系統(tǒng)配置

FF-CPT采集系統(tǒng)包括水下自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及參數(shù)設(shè)置3個(gè)模塊，如圖5所示。采集參數(shù)包括錐尖阻力、側(cè)摩阻力、錐頭孔隙水壓力、水壓力、加速度、姿態(tài)，這些數(shù)據(jù)均以原始電壓值存儲(chǔ)。采集數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于模塊存儲(chǔ)器內(nèi)，以采樣時(shí)間作存儲(chǔ)文件名。參數(shù)設(shè)置包括采樣率、開始采樣時(shí)間、分割文件大小。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.5 Data acquisition system

FF-CPT采用自容式工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)?？紤]設(shè)備密封性要求，F(xiàn)F-CPT采用非接觸式通訊方式，即無線通訊模式。在FF-CPT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加一個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并將天線引出耐壓艙外，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的發(fā)射與接收。利用計(jì)算機(jī)建立無線傳輸熱點(diǎn)，然后將FF-CPT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無線接入計(jì)算機(jī)的無線傳輸熱點(diǎn)，建立計(jì)算機(jī)與FF-CPT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的連接。利用windows遠(yuǎn)程桌面可以訪問數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的桌面及內(nèi)部程序，進(jìn)而設(shè)定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)回收。采用非接觸式通訊方式，可在10m的空曠區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)FF-CPT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，降低外業(yè)工作危險(xiǎn)性。

3 FF-CPT測(cè)量原理

貫入過程中，加速度傳感器可實(shí)時(shí)采集加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)姿態(tài)校正與二次積分可推算位移，進(jìn)而可知不同時(shí)刻FF-CPT貫入海床的深度。通過與相同時(shí)刻數(shù)據(jù)采集單元所測(cè)的側(cè)摩阻力、錐尖阻力、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，可知不同海床深度處的側(cè)摩阻力、錐尖阻力、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。最終實(shí)現(xiàn)深海淺層沉積物強(qiáng)度原位快速測(cè)試。測(cè)試原理見圖6。

圖6 FF-CPT測(cè)試原理Fig. 6 Test principle for FF-CPT

4 FF-CPT現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

FF-CPT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試通過搭載國家自然科學(xué)基金委員會(huì)渤黃海海洋學(xué)綜合科學(xué)考察實(shí)驗(yàn)研究夏季航次、南海北部及呂宋海峽共享航次，由中國海洋大學(xué)“東方紅2”綜合調(diào)查船執(zhí)行。FF-CPT具體實(shí)施過程如下：

(1)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝

FF-CPT可實(shí)現(xiàn)模塊化安裝，便于裝卸。安裝前保證電池容量充足，設(shè)置采集參數(shù)；并根據(jù)調(diào)查海域水深及沉積物類型確定配重塊數(shù)量。完成FF-CPT現(xiàn)場(chǎng)組裝，并通過釋放器與地質(zhì)絞車相連。

(2)設(shè)備入水

通過滑車將FF-CPT移至船舷，通過地質(zhì)絞車及其輔助設(shè)施將FF-CPT緩慢推出船體。完成釋放器重錘釋放，并待儀器姿態(tài)穩(wěn)定后拔出釋放器自動(dòng)脫鉤裝置安全插銷。地質(zhì)絞車釋放鋼纜，F(xiàn)F-CPT入水并下降。下降速度約維持在1m/s。

(3)設(shè)備觸底

待儀器將接近觸底時(shí)，將地質(zhì)絞車鋼纜釋放速度減小為0.5 m/s。儀器觸底后，繼續(xù)釋放纜繩；待儀器靜止后，立即將其從沉積物中緩慢拔出。此過程應(yīng)盡量避免FF-CPT長時(shí)間插在沉積物中，因此時(shí)強(qiáng)海流作用易導(dǎo)致探桿彎折。記錄儀器觸底經(jīng)緯度及水深。

(4)設(shè)備出水

FF-CPT脫離沉積物后，地質(zhì)絞車以1m/s的速度將其回收。設(shè)備出水后，將其緩慢移動(dòng)至甲板滑車，并進(jìn)行固定。用清水清洗儀器，避免銹蝕；完成數(shù)據(jù)讀取，并進(jìn)行電池充電，以待下次測(cè)試。

FF-CPT船載測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖7所示。

圖7 FF-CPT海試過程Fig.7 Field test of the FF-CPT

FF-CPT通過釋放器釋放，釋放器工作原理如圖8所示。釋放器通過纜繩與重錘相連，纜繩長度應(yīng)大于FF-CPT設(shè)備高度，以保證重錘先于FF-CPT觸底。重錘觸底前，釋放器與FF-CPT同速下落；重錘觸底時(shí)，通過杠桿觸動(dòng)釋放器自動(dòng)脫鉤裝置，F(xiàn)F-CPT在自重作用下與釋放器脫離并加速下降，最終觸底并貫入海床內(nèi)部。釋放器的主要作用是使FF-CPT在布放時(shí)以絞車布放速度下降，距離海床表面約5 m時(shí)，則自由下降以提供足夠的貫入速度并垂直貫入。

圖8 釋放器工作原理Fig.8 Test principle for the releaser

5 結(jié)語

本文通過多次海試，在FF-CPT室內(nèi)試驗(yàn)原型樣機(jī)基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，研制了深海淺層沉積物強(qiáng)度貫入式原位測(cè)試裝置。

FF-CPT裝置最大工作水深1 500 m，貫入深度可達(dá)5 m。 系統(tǒng)自下而上主要由數(shù)據(jù)采集單元、貫入探桿、配重、耐壓控制艙及釋放器等組成。

FF-CPT可同時(shí)測(cè)量深海表層沉積物的側(cè)摩阻力、錐尖阻力、孔隙水壓力等參數(shù)，數(shù)據(jù)采用自容方式進(jìn)行采集與存儲(chǔ)。

目前該FF-CPT原位測(cè)試裝置已在渤海、南海等海域完成海試，F(xiàn)F-CPT工作狀態(tài)良好。下一步將進(jìn)行原位測(cè)試數(shù)據(jù)分析及其應(yīng)用研究。

致謝：本文海試工作搭載了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)渤黃海海洋學(xué)綜合科學(xué)考察實(shí)驗(yàn)研究夏季航次與南海北部及呂宋海峽共享航次(NORC2015-05)等，季福東、王虎等也參與了海試工作，在此一并致謝。

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Abstract: Free-fall CPT testing technology (FF-CPT) is one of the most important in-situ testing methods to determine strength of marine sediments. Based on a series of indoor and field tests, we developed a FF-CPT equipment used in deep water (1500 m). The FF-CPT system was composed of data acquisition unit, probe, counterweight, control module and releaser. The FF-CPT equipment was 6 meters long and could penetrate the sediments 5 meters. The FF-CPT equipment has been tested in Bohai Sea and South China Sea. The tip resistance, sleeve friction and pore water pressure were obtained during the field tests and the data were self-contained.

Key words： free-fall CPT(FF-CPT); sediments; strength; in-situ tests; South China Sea

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Design and Development of the Free Fall-CPT Equipment Used in Deep Water

ZHU Chao-Qi1, ZHANG Min-Sheng1,2, JIA Yong-Gang1,2, WANG Zhen-Hao1, WEI Zhi-Ming1, WEN Ming-Zheng1

(1. Key Laboratory of Marine Geo-Environmental Engineering of Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China)

TU 413

A

1672-5174(2017)10-121-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20160463

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41502265，41427803)；國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府海洋科學(xué)研究中心聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1606401)資助 Supported by National Natural Science Foundation of China (41502265, 41427803)； NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1606401).

2016-05-04；

2016-07-03

朱超祁(1990-)，男，博士生，主要從事海洋工程地質(zhì)研究。E-mail：1353603469@qq.com

?? 通訊作者：E-mail：minshengzhang@ouc.edu.cn