杜 星，孫永福，胡光海，宋玉鵬

(國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

重力活塞取樣器貫入深度研究

杜 星，孫永福，胡光海，宋玉鵬

(國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

重力活塞取樣器是一種重要的海底連續(xù)沉積物采集儀器，貫入深度和樣品質(zhì)量對海洋地質(zhì)研究有著重要影響。通過對重力活塞取樣器貫入過程建立能量守恒方程，得出貫入深度控制方程。已知取樣器參數(shù)和土質(zhì)類型條件，可計算取樣管貫入深度，深度受取樣器重量、體積、形狀、取樣管直徑和沉積物類型等因素共同影響。已知取樣器參數(shù)和貫入深度，可推測海底沉積物類型。

重力活塞取樣器；能量守恒；貫入深度；摩擦系數(shù)

Abstract:Gravity piston corer is an important equipment for seabed sediment collection.Penetration depth and sediment quality have important effects on marine geology study.A penetration depth control equation is obtained by building up an equation of energy conservation based on the process of gravity piston corer penetration.This equation can calculate penetration depth when corer parameters and sediment type are available.Penetration depth is affected by the dead weight,volume,shape,diameter of the corer and sediment type.It can also be uesd to speculate about the sediment type when corer parameters and penetration depth are available.

Keywords:gravity piston corer; energy conservation; penetration depth; coefficient of friction

海底沉積物是海洋科學(xué)研究的基礎(chǔ)，作為一種重要的海洋環(huán)境變化記錄載體，無論在海洋科學(xué)研究還是海洋工程地質(zhì)勘察中都具有重要的作用。因此，如何獲得深海沉積物，尤其是超長、連續(xù)、無擾動的沉積物柱狀樣品，是深入開展科學(xué)研究必不可少的重要環(huán)節(jié)[1]。

重力取樣器主要用于海底沉積物的連續(xù)取樣，是一種普遍采用的非可控式取樣器[2]。由于重力取樣器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便以及取樣成本較低等優(yōu)點[3]，在海底取樣過程中起到了重要的作用，獲得深海超長連續(xù)沉積物樣品一度成為海洋研究的熱點[4]。但是取樣器貫入時，由于取樣管長度和實際貫入能力不符，過長容易導(dǎo)致取樣管折斷，過短導(dǎo)致不能取得最大長度的連續(xù)樣品。如何能提前對貫入深度作出準確計算和預(yù)測，提高取樣器的效率，是重力取樣亟需解決的問題。

結(jié)合取樣器受力分析，建立能量守恒方程，得出了取樣器貫入深度控制方程。并且使用實際海上資料進行驗證。

1 重力活塞取樣器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1重力取樣器結(jié)構(gòu)

圖1 重力活塞取樣器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of gravity piston corer

重力取樣器是一種依靠自重取樣的儀器，大多結(jié)構(gòu)簡單，樣式多變。根據(jù)不同的取樣需求可以加工成特殊需求的取樣器，但其基本原理都是相同的。目前一種廣泛應(yīng)用的高效率取樣器為Kellenberg型重力活塞取樣器(圖1)，主要由配重、取樣管、刀頭、活塞、釋放器等組成。

配重倉一般由鋼材制作，內(nèi)含配重鉛塊。取樣管外壁為不銹鋼管，內(nèi)襯管一般為PVC管，內(nèi)襯管可在取樣結(jié)束后取出。刀頭具有切割沉積物的作用。同時還有單向的閉合“花瓣”裝置：取樣時閉合裝置打開；取樣結(jié)束后向上拉起取樣器時，閉合裝置關(guān)閉，保護沉積物不流失。活塞為可相對取樣管向上移動、產(chǎn)生負壓的裝置。傳統(tǒng)釋放器由配重錘、杠桿、纜繩組成。當配重錘觸底時，杠桿失去平衡釋放纜繩，取樣器自由下落。

1.2取樣器工作原理

整個取樣過程如圖2所示[5]，首先取樣器由纜繩連接，自船體釋放下落(圖2(a))。下落至距離海底一定高度時，負重錘觸底，觸發(fā)器釋放，取樣器自由下落直至接觸海底(圖2(b))。取樣器接觸海底時，連接活塞的纜繩應(yīng)達到最大長度。當取樣器貫入沉積物時，活塞相對取樣管向上運動，使管內(nèi)產(chǎn)生負壓(圖2(c))。取樣結(jié)束后，收起纜繩，回收取樣器(圖2(d))。

圖2 重力活塞取樣器取樣過程Fig.2 Coring process of gravity piston corer

2 取樣器貫入深度計算

2.1貫入原理

重力式取樣器即重力取樣器主要用于海底沉積物的取樣，其基本原理是取樣器靠自身的重力作用貫入海底，取得近似于貫入深度的海底沉積物樣品，貫入深度取決于海底的硬度和取樣器的結(jié)構(gòu)形狀與配重[5]。取樣器整個運動過程可看做不同能量間的轉(zhuǎn)換，遵循能量守恒原理。李民剛等[6]建立了從取樣器觸底到完全靜止過程的能量守恒方程，考慮到取樣器動能、重力勢能和外壁摩擦做功的能量守恒，一定程度上反映了取樣器貫入過程的能量變化。為了更準確地計算取樣器貫入深度，可以在此基礎(chǔ)上詳細地分析取樣器受力及做功，建立更完整的能量守恒方程。

其中，A為外壁摩擦力做功；Ep為重力勢能；Ek為動能。

2.2貫入深度計算

取樣器在從接觸海底沉積物直到完全停止，所受力為ΔF=G-(Fi+Fo+Fc+FB+FD)[7]。其中，G為取樣器自重；Fi為內(nèi)壁摩擦力；Fo為外壁摩擦力；Fc為刀頭切割沉積物阻力；FB取樣器在水中的浮力；FD海水對取樣器的拖拽力。取樣器受力關(guān)系如下(圖3)：

考慮重力勢能、動能、內(nèi)壁摩擦做功、外壁摩擦做功和刀頭切割做功，暫不考慮拖拽力做功。根據(jù)能量守恒，從取樣器初始接觸沉積物至取樣器貫入最大深度并靜止列出方程：

其中，Ep為重力勢能；Ek為動能；Wi為取樣管內(nèi)壁摩擦做功；Wo為取樣管外壁摩擦做功；Wc為刀頭切割做功。

2.2.1 重力勢能

取樣器在重力和海水浮力的共同作用下向下貫入，不考慮取樣管體積則重力勢能為：

式中：m為取樣器質(zhì)量；ρ為海水密度；v1為取樣器體積；l為貫入深度。

2.2.2 動 能

由前人研究得知，釋放取樣器使其自由落體，下沉約6、7米后即可達最大速度，并不會隨海水深度增加而增大速度[8]，當取樣器達到最大下落速度時，速度v有如下關(guān)系：

式中：ρc為取樣器密度；ρw為海水密度；CD為海水對取樣器阻力系數(shù)，取1；S為取樣器最大水平截面積。

取樣器動能為：

2.2.3 內(nèi)、外壁摩擦做功

取樣器內(nèi)壁與沉積物摩擦，摩擦力[7]為：

則內(nèi)壁摩擦做功：

同理，外壁摩擦做功：

其中，Js為側(cè)壁黏滯阻尼因子；v為貫入速度；Di為內(nèi)壁直徑；αi為內(nèi)壁摩擦系數(shù)(0.3～0.6)；Do為外壁直徑；αo為外壁摩擦系數(shù)(0.3～0.6)。

2.2.4 刀頭切割做功

刀頭受力[7]為：

做功為：

式中：Dc為刀頭外徑；αc為刀頭摩擦系數(shù)；θ為刀頭角度；k為系數(shù)，τc=k(1+1.3l)。

2.2.5 能量守恒方程

將式(3)、(5)、(7)、(8)、(10)代入(2)，整理得：

結(jié)合式(4)和(11)，可求出取樣器貫入深度l。

3 實驗驗證

3.1實驗方法

1) 將實際取樣器參數(shù)代入式(4)與(11)，根據(jù)方程計算出理論貫入深度；

2) 當取樣器參數(shù)(質(zhì)量、體積、取樣管直徑)確定時，分別作出貫入深度隨沉積物參數(shù)(摩擦系數(shù)與k)變化的趨勢線；

3) 將實際海上取樣數(shù)據(jù)代入計算趨勢圖中檢驗；

4) 定量分析實際數(shù)據(jù)與計算值的偏差率。

3.2實驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分別來源于2006至2011年廣州的幾個海洋地質(zhì)調(diào)查項目[7]，以及國家海洋局第一海洋研究所某調(diào)查航次[6]。表1和表2分別為兩個取樣器在不同航次的取樣數(shù)據(jù)。海水密度ρ取1.025×103kg/m3，取樣器密度為11.3×103kg/m3，黏滯阻尼因子Js為1.516×10-6kPa·s，刀頭交角θ取30°，根據(jù)經(jīng)驗[9]，令αo取0.3～0.6(表3)，αi=αo-0.1，k=30αo-8。則當取樣器參數(shù)確定時，取樣深度隨著沉積物參數(shù)改變。

表1 重力活塞取樣器實際貫入深度(取樣一)Tab.1 Practical penetration depth of gravity piston corer

表2 重力活塞取樣器實際貫入深度(取樣二)Tab.2 Practical penetration depth of gravity piston corer

表3 外壁摩擦系數(shù)Tab.3 Coefficient of friction between sediment and outer surface

3.3實驗結(jié)果

按照取樣器參數(shù)不同，將數(shù)據(jù)整理為3類，每一類均為相同配重的同一取樣器，只有沉積物參數(shù)不同。對三組數(shù)據(jù)按照式(4)和(11)對取樣器貫入深度進行計算，擬合出貫入深度趨勢線。將實際數(shù)據(jù)按坐標投影到相對應(yīng)的圖中(圖4所示)。表4給出了具體的計算數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)與實際貫入深度的偏差量。

圖4 不同配重取樣器實際貫入深度與計算深度比較Fig.4 Comparison between actual and calculated penetration depth at m=1 300 kg,1 500 kg,1 800 kg

表4 實際和計算貫入深度數(shù)據(jù)對比Tab.4 Data of actual & calculated penetration depths

(續(xù)表)

4 討 論

對重力活塞取樣器取樣的過程受力分析，將每個力均轉(zhuǎn)化成能量的形式，并根據(jù)能量守恒原理建立了貫入深度控制方程。通過代入?yún)?shù)計算可得到貫入深度計算值。計算貫入深度與實際深度相比總體趨勢一致。文中提出的公式能較為準確地計算重力活塞取樣器的取樣深度。取樣器參數(shù)確定時，貫入深度隨著海底沉積物的摩擦系數(shù)增大而減小，計算值與實際貫入深度具有良好的一致性。根據(jù)經(jīng)驗，砂土與取樣管外壁摩擦系數(shù)為0.5～0.6；粉土為0.4～0.5；黏性土為0.3～0.4。確定取樣器的各參數(shù)，根據(jù)研究區(qū)的底質(zhì)類型可進行貫入深度預(yù)測。在不確定底質(zhì)類型的條件下，取樣器的貫入深度也可以一定程度上反映底質(zhì)類型。不同的貫入深度體現(xiàn)了不同的摩擦系數(shù)，反映了不同的底質(zhì)類型。

理論值與實際值差值受到取樣器設(shè)計本身、取樣操作過程、天氣條件[10]、海底地質(zhì)特征等影響。其中，取樣器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對取樣深度有著最重要的影響。相同質(zhì)量時，取樣器體積、最大橫截面積越小、取樣管壁薄、形狀越能減小水中阻力，越易獲得更大的取樣深度。受材料密度影響，體積變化范圍有限，可考慮將配重倉縱向拉長以減小橫截面積?？紤]取樣管強度影響，管壁強度需大于其受力。在保證強度足夠的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減小管壁厚度。取樣器形狀應(yīng)盡量具有減小水阻力的作用，可考慮將傳統(tǒng)的圓柱體配重倉做成流線型。取樣過程中操作的規(guī)范程度、熟練程度都會影響最后的貫入深度。惡劣的氣候條件會對取樣造成很大的影響。作業(yè)船在深海取樣時無法拋錨，若有大風(fēng)浪則會致使取樣器受纜繩的拖拽嚴重。海底沉積物復(fù)雜多樣，而公式將其當作均一沉積物進行計算，會產(chǎn)生一定誤差。

造成其數(shù)值偏大的可能原因有：1) 實際末速度達不到理論最大速度；2) 取樣器還受到海水拖拽力的影響，速度越大阻力越大；3) 取樣器與沉積物碰撞有能量損耗；4) 樣品在取樣管內(nèi)受到一定壓縮，實際貫入深度大于樣品長度。實際海上取樣時，釋放器預(yù)留纜繩長度為經(jīng)驗值，不同海況條件時較難達到理論最大速度值，末速度偏小則導(dǎo)致實際貫入深度偏小。取樣器在貫入時，仍受到海水拖拽力。拖拽力做功消耗貫入能量，導(dǎo)致貫入深度變小。取樣器剛接觸海底沉積物時，碰撞會損耗部分能量，導(dǎo)致貫入深度變小。實際資料的貫入深度值均為通過樣品的長度推導(dǎo)得到。重力取樣器的樣品在取樣管內(nèi)會受到不同程度的變形，有的受到壓縮致使其長度小于實際貫入深度[5]，有的受到拉伸致使樣品長度略大于貫入深度。實際貫入數(shù)據(jù)的偏差導(dǎo)致與計算值有一定的差異。

實際出海所得貫入深度數(shù)據(jù)較少，且部分參數(shù)缺失，缺失的參數(shù)文中按照經(jīng)驗賦值，對結(jié)果的精確性造成了一定影響。為進一步研究取樣器貫入深度公式，應(yīng)制作取樣器模型，做大量有針對性的實驗數(shù)據(jù)。進一步探究貫入深度與末速度、取樣器質(zhì)量、沉積物類別等因素的關(guān)系。

5 結(jié) 語

1)提出的重力活塞取樣器貫入深度控制方程經(jīng)檢驗與實測數(shù)據(jù)一致性良好，可以預(yù)測取樣器貫入深度。

2)重力活塞取樣器貫入深度主要由配重、體積、取樣管直徑、刀頭角度、沉積物類型決定，同時受操作、天氣等條件影響。

3)取樣器參數(shù)確定時，根據(jù)摩擦系數(shù)可以計算貫入深度。黏性土、粉土、砂土的摩擦系數(shù)范圍分別為0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6。

4)海底沉積物類型未知時，通過沉積物貫入深度可以反向推測海底沉積物參數(shù)，從而初步確定海底沉積物類型。

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Study on penetration depth of gravity piston corer

DU Xing,SUN Yongfu,HU Guanghai,SONG Yupeng

(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China )

P736.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.015

1005-9865(2016)03-0133-07

2015-08-19

國家海洋公益性行業(yè)科研專項——近海海底地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評價及防控關(guān)鍵技術(shù)研究(201005005)

杜 星(1991-)，男，遼寧大連人，碩士研究生，主要從事海洋工程地質(zhì)方面研究。E-mail：duxing@fio.org.cn