海床側(cè)向變形與滑動(dòng)觀測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋地質(zhì)觀測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種海床側(cè)向變形與滑動(dòng)觀測(cè)裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在惡劣海況期間，大風(fēng)浪會(huì)引起海床內(nèi)部孔隙水壓力的動(dòng)態(tài)累積以及有效正應(yīng)力 的降低，大幅度降低了海床土體的抗剪強(qiáng)度，引發(fā)海床土體剪切破壞甚至液化，導(dǎo)致海床側(cè) 向變形與滑動(dòng)，假如海床坡度較大、土體強(qiáng)度較低，甚至可能會(huì)引發(fā)海底滑坡，造成海底管 線、防波堤以及海洋平臺(tái)基礎(chǔ)的失穩(wěn)破壞。同樣地震等因素也會(huì)引發(fā)海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害， 對(duì)海上生產(chǎn)安全造成不可估量的損失。目前對(duì)于大風(fēng)浪或地震等因素引起的海床破壞甚至 海底滑坡的研究，大多采用數(shù)值模擬或者模擬實(shí)驗(yàn)的研究方法，缺少原位觀測(cè)手段技術(shù)，對(duì) 于海床土體破壞后的側(cè)向變形與滑動(dòng)是如何發(fā)生的以及發(fā)生的規(guī)模無法進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)觀 測(cè)，本發(fā)明對(duì)于海床土體破壞滑移機(jī)制及預(yù)警方案的研究具有突出貢獻(xiàn)。
[0003]目前，應(yīng)用于陸上的土體側(cè)向變形與滑動(dòng)觀測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已非常成熟，并廣泛 的應(yīng)用于陸上工程領(lǐng)域，主要靠光纖、位移傳感器來監(jiān)測(cè)變形位移量。然而關(guān)于海底滑坡觀 測(cè)方面的相關(guān)專利少之又少，經(jīng)過現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利名稱：天然氣水合物 分解引起的海底滑坡模擬及觀測(cè)系統(tǒng)的制作方法，專利申請(qǐng)?zhí)朇N201410139109,該發(fā)明提 出了一種可測(cè)量土體變形過程及變形量的變形測(cè)量單元，可對(duì)滑坡變形進(jìn)行定量化描述， 但該發(fā)明屬于物理模擬實(shí)驗(yàn)范疇，可移植性差，不能滿足原位觀測(cè)的需求。因此，在海底土 體側(cè)向變形與滑動(dòng)原位觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)目前仍然沒有擁有自己獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和 設(shè)備，這也一直是關(guān)于海底滑坡原位觀測(cè)的技術(shù)難題，本發(fā)明將填補(bǔ)這一空缺，推動(dòng)我國(guó)海 洋工程地質(zhì)災(zāi)害防治的發(fā)展進(jìn)程，保障海底管線、港口、海洋基礎(chǔ)設(shè)施等的安全生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足或缺陷，提供一種海床側(cè)向變形與滑動(dòng)觀測(cè)裝置及方 法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海床變形的長(zhǎng)期原位觀測(cè)。
[0005] 海床側(cè)向變形與滑動(dòng)觀測(cè)裝置，其特征在于包括用于布放和回收的輔助船以及海 底觀測(cè)系統(tǒng)，所述輔助船上安裝有海上鉆機(jī)裝置、起吊裝置、鉆桿以及套管，
[0006] 所述的海底觀測(cè)系統(tǒng)包括位移測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集密封艙和防沉降架；
[0007] 所述的位移測(cè)量裝置由一系列具有固定長(zhǎng)度的剛性空心桿串聯(lián)組成，最前端的一 個(gè)剛性空心桿前部設(shè)有錐頭，適當(dāng)增加錐頭的重量使之可作為配重使用，且相鄰兩個(gè)剛性 空心桿之間通萬向節(jié)連接，剛性空心桿可繞萬向節(jié)進(jìn)行360度彎曲，萬向節(jié)為具有韌性的 塑膠材料，每個(gè)萬向節(jié)內(nèi)部設(shè)有一個(gè)三軸加速度傳感器，三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線 從剛性空心桿中穿過，通過三軸加速度傳感器的姿態(tài)變化以計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移偏量； 在末端萬向節(jié)內(nèi)還附加有一個(gè)用于處理三軸加速度傳感器信號(hào)的微處理器和用于測(cè)量溫 度變化的溫度傳感器，各個(gè)三軸加速度傳感器以及微處理器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線均 通過位移測(cè)量裝置末端的數(shù)據(jù)傳輸線纜與所述的數(shù)據(jù)采集密封艙連接；
[0008] 所述的數(shù)據(jù)采集密封艙內(nèi)部設(shè)有用于采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集裝置以及電源。
[0009] 所述的防沉降架是由防沉降板和安裝在防沉降板上的密封艙固定支架組成，均可 采用不銹鋼材料加工。
[0010] 可在防沉降架表面噴漆防止海水腐蝕，防沉降板上設(shè)有若干個(gè)鏤空?qǐng)A孔，目的是 為減輕重量以及打撈回收時(shí)減輕海床對(duì)防沉降板的粘滯阻力。
[0011] 每個(gè)萬向節(jié)內(nèi)部的三軸加速度傳感器通過支架而固定在位于其前端的一根剛性 空心桿的桿端，而使各個(gè)三軸加速度傳感器隨其前端的剛性空心桿保持一致的角度變化。
[0012] 所述的位移測(cè)量裝置的萬向節(jié)與剛性空心桿外表面由兩層保護(hù)套包裹，其中內(nèi)層 保護(hù)套是柔性的防水塑膠套，外層保護(hù)套是高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)套。
[0013] 在靠近線纜端附有提拉環(huán)，用于整個(gè)位移測(cè)量裝置的回收上拔；
[0014] 上述數(shù)據(jù)傳輸線纜通過密封插件與所述的數(shù)據(jù)采集密封艙連接。
[0015] 利用上述裝置對(duì)海床側(cè)向變形與滑動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)的布放與回收方法，其特征在于包 括以下步驟：
[0016] 1)將數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采集頻率與采集時(shí)長(zhǎng)的設(shè)置，然后安裝入采集密封艙進(jìn)行 密封；
[0017] 2)利用輔助船的GPS定位系統(tǒng)將輔助船開到目標(biāo)點(diǎn)位，并拋錨、下粧使船體保持 平穩(wěn)狀態(tài)；
[0018] 3)使用輔助船上的海上鉆機(jī)裝置對(duì)目標(biāo)點(diǎn)位的海床鉆孔，鉆孔過程中同時(shí)下放套 管，鉆孔深度不低于位移測(cè)量裝置的長(zhǎng)度，鉆孔完成之后取出鉆桿；
[0019] 4)將位移測(cè)量裝置順著套管下放至海床鉆孔中，使位移測(cè)量裝置呈垂直姿態(tài)，通 過觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸線纜是否呈繃直狀態(tài)以判斷位移測(cè)量裝置是否垂直；
[0020] 5)采用工程用砂對(duì)鉆孔進(jìn)行填充，并將套管逐漸上拔，使位移測(cè)量裝置留置在海 床內(nèi)；
[0021] 6)將位移測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)傳輸線纜末端用水密插件密封，并附加浮球使數(shù)據(jù)傳輸 線纜末端能在水中浮起，將線纜順著套管丟入水中；
[0022] 7)將套管完全拔出，從水中打撈起數(shù)據(jù)傳輸線纜，并將其與采集密封艙進(jìn)行連 接；
[0023] 8)將采集密封艙固定于防沉降架中，然后用起吊裝置將防沉降架下放至水中海床 面坐底；
[0024] 9)海底觀測(cè)系統(tǒng)的三軸加速度傳感器按照設(shè)定的采集頻率與采集時(shí)長(zhǎng)開始進(jìn)行 數(shù)據(jù)測(cè)量；
[0025] 10)原位觀測(cè)周期結(jié)束之后，將輔助船開回目標(biāo)點(diǎn)位，對(duì)海底觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行打撈；
[0026] 11)將數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，從而將海床側(cè)向變形與滑動(dòng)的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài) 輸出。
[0027] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明采用一種位移變形測(cè)量裝置對(duì)海床側(cè)向變形與滑動(dòng)進(jìn) 行觀測(cè)。利用這種裝置與方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海床側(cè)向變形與滑動(dòng)的原位觀測(cè)，可精確地反映 海床土體破壞后的滑動(dòng)變形過程。所述的供電裝置可在水下為位移測(cè)量裝置與數(shù)據(jù)采集裝 置長(zhǎng)期供電，為原位觀測(cè)的長(zhǎng)周期性提供條件。本發(fā)明中的裝置可以進(jìn)行回收再利用，具有 很強(qiáng)的重復(fù)利用性，可大大節(jié)約觀測(cè)成本。本發(fā)明的位移測(cè)量裝置具有大量程的測(cè)量特征， 可以捕捉記錄變形較大的海床土體滑移過程。已利用本發(fā)明在黃河口進(jìn)行過一次長(zhǎng)期原位 觀測(cè)，觀測(cè)期間成功捕捉到明顯的海床側(cè)向變形現(xiàn)象，實(shí)踐證明本發(fā)明是一種簡(jiǎn)單有效且 測(cè)試精準(zhǔn)的海床側(cè)向變形與滑動(dòng)觀測(cè)方法。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明的輔助船結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明的海底觀測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖3是本發(fā)明的位移觀測(cè)裝置的截面圖，
[0031] 其中圖3a是縱截面示意圖，圖3b是橫截面示意圖。
[0032] 圖4是本發(fā)明的海床側(cè)向變形與滑動(dòng)觀測(cè)方法的流程框圖。
[0033] 圖5是本發(fā)明的一次原位觀測(cè)結(jié)果曲線圖。
[0034] 其中，1、輔助船，2、海上鉆探裝置，3、起吊裝置，4、鉆桿，5、套管，I、位移測(cè)量裝 置，II、數(shù)據(jù)采集密封艙，III、防沉降架，6、剛性桿，7、萬向節(jié)，8、末端端萬向節(jié)，9、提拉環(huán)， 10、數(shù)據(jù)采集裝置，11、供電裝置，12、固定支架，13、防沉降板，14、鏤空?qǐng)A孔，15、密封插件， 16、數(shù)據(jù)傳輸線纜，17、防水塑膠套，18、鋼絲網(wǎng)套，19、三軸加速度傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明的海床側(cè)向變形與滑動(dòng)測(cè)量裝置主要包括：
[0036] 如圖1所示的輔助船1，用于布放和回收海底觀測(cè)系統(tǒng)，所述控制船1上安裝有海 上鉆探裝置2、起吊裝置3、鉆桿4,套管5,其中海上鉆機(jī)裝置2、鉆桿4、套管5組成鉆探系 統(tǒng)，采用下放套管5鉆孔的方式可以避免海床土體坍塌，為下放位移測(cè)量裝置I提供條件；
[0037] 如圖2所示，所述的海底觀測(cè)系統(tǒng)包括位移測(cè)量裝置I、數(shù)據(jù)采集密封艙II和防 沉降架III。
[0038] 位移測(cè)量裝置I是個(gè)帶數(shù)據(jù)傳輸線纜16的桿節(jié)組合結(jié)構(gòu)，上述的位移測(cè)量裝置 I是由一系列長(zhǎng)度為50cm的剛性桿6串聯(lián)組成，剛性桿6可采用高強(qiáng)度輕質(zhì)量的高分子聚 合物材料，剛性桿6為空心管，供三軸加速度傳感器19的數(shù)據(jù)傳輸線從中穿過。上述的剛 性桿6與剛性桿6之間通過節(jié)點(diǎn)7連接，剛性桿6可繞節(jié)點(diǎn)7進(jìn)行彎曲，節(jié)點(diǎn)7可采用有一 定柔韌性的塑膠材料，內(nèi)部設(shè)有一個(gè)三軸加速度傳感器19,通過三軸加速度傳感器19的姿 態(tài)變化可計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移偏量。在靠近線纜端的節(jié)點(diǎn)8還附加有一個(gè)用于處理三軸 加速度傳感器信號(hào)的微處理器和用于測(cè)量溫度變化的溫度傳感器。在所述的位移測(cè)量裝置 I靠近線纜端附有提拉環(huán)9,用于位移測(cè)量裝置的回收上拔。
[0039] 數(shù)據(jù)采集密封艙II是圓柱體空腔，可采用不銹鋼材料加工，內(nèi)設(shè)有用于采集并存 儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集裝置10以及供電裝置11 ;
[0040] 防沉降架III是由固定支架12和防沉降板13組成，均可采用不銹鋼材料加工，可在 防沉降架III表面噴漆防止海水腐蝕，防沉降板13上設(shè)有若干個(gè)鏤空?qǐng)A孔14,目的是為減輕 重量以及打撈回收時(shí)減輕海床對(duì)防沉降板13的粘滯阻力；
[0041] 上述的數(shù)據(jù)采集密封艙II固定在上述的固定支架12上，且通過密封插件15連接 上述位移測(cè)量裝置I的數(shù)據(jù)傳輸線纜16。
[0042] 如圖3所示，剛性桿6與剛性桿6之間由一個(gè)節(jié)點(diǎn)7相連接，節(jié)點(diǎn)7內(nèi)附加一個(gè)三 軸加速度傳感器19,三軸加速度傳感器19固定在其中