張 偉，蔡 巍，王榮耀，江 曉，宋其新

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.杭州電子科技大學(xué)， 浙江 杭州 310018)

海床式海底靜力觸探技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

張 偉1，蔡 巍2，王榮耀1，江 曉3，宋其新1

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.杭州電子科技大學(xué)， 浙江 杭州 310018)

海洋資源開發(fā)的步伐日益加快，海底工程設(shè)備日益增多，海底靜力觸探是海底工程設(shè)備安裝前海底土力學(xué)調(diào)查的重要手段。為此，詳細(xì)闡述了海底原位靜力觸探設(shè)備的現(xiàn)狀，分析了海床式靜力觸探設(shè)備在幾種不同工作模式下的技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)對(duì)海床式靜力觸探設(shè)備的發(fā)展進(jìn)行了討論。

靜力觸探；海底土力學(xué)；圓錐貫入；海底設(shè)備

1 概 述

靜力觸探(CPT)，又稱作圓錐貫入阻力，該技術(shù)是在一個(gè)圓錐探頭的內(nèi)部安裝諸多傳感器，通過外部驅(qū)動(dòng)力，以較低的速度勻速(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為2 cm/s)貫入土體進(jìn)行原位測(cè)試，以反映不同層次的土質(zhì)特征。其主要應(yīng)用在土層的劃分、求取各土層工程性質(zhì)指標(biāo)、確定樁基參數(shù)等方面。相比海底取樣分析的方式，海底靜力觸探具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，是海底工程設(shè)備安裝前海底土力學(xué)調(diào)查的重要手段。

2 海底CPT工作模式及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 海底CPT工作模式

海底靜力觸探設(shè)備按照其工作模式，可分為3種基本類型：平臺(tái)式(Platform)、海床式(Seabed)和井下式(Downhole)[1](分別見圖1～圖3)。海床式CPT一般由支撐單元、驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)試單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和甲板單元組成。設(shè)備通過纜繩吊入海底，通過自身的框架支撐系統(tǒng)穩(wěn)定坐在海床上。通過電力或液壓驅(qū)動(dòng)探桿，探頭以勻速貫入被測(cè)試的海底土體。

圖1 平臺(tái)式

圖2 海床式

圖3 井下式

海床式CPT相對(duì)其余兩種工作模式具有一定的優(yōu)勢(shì)。首先，成本相對(duì)較低，一般的調(diào)查船均可搭載，無需特定鉆井船；其次，使用方便，可通過尾部A型架、側(cè)舷吊機(jī)或船中月池進(jìn)行收放，通過甲板單元進(jìn)行操作，就能夠獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，節(jié)約時(shí)間成本；再者，海床式CPT能夠在空間上保證觸探路徑的完整性[3]，海床式和井下式測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，如圖4所示[2]。然而其測(cè)試深度相對(duì)其他兩種模式較淺。不過現(xiàn)在已經(jīng)有一些方案可讓海床式CPT的測(cè)試深度變得更大，如下文提到的基于海底巖心鉆機(jī)的CPT。

圖4 海床式CPT和井下式CPT數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 海床式CPT技術(shù)特點(diǎn)

海床式CPT根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可分為四種類型：螺旋桿驅(qū)動(dòng)的微型CPT、摩擦輪驅(qū)動(dòng)CPT、吸力錨驅(qū)動(dòng)的深海CPT和基于海底鉆機(jī)的CPT。

(1) 螺旋桿驅(qū)動(dòng)微型CPT的特點(diǎn)是重量輕，方便運(yùn)輸攜帶。如荷蘭范登堡公司生產(chǎn)的海王星CPT(見圖5)，空氣中的重量約為1500 kg，水中重量約為1200 kg。探頭尺寸為2 cm2或者5 cm2(可選),這種相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)探頭(10 cm2)更小面積的探頭，能夠建立較小的測(cè)試區(qū)域，進(jìn)而更詳細(xì)地記錄阻力信息。其一般選用螺旋桿的方式提供驅(qū)動(dòng)力，這樣能夠?qū)⒃O(shè)備尺寸控制在一個(gè)較小的范圍。圖5中的海王星CPT的外形尺寸為1.8 m×1.8 m×2 m，貫入力約為10 kN，采用了連續(xù)油管技術(shù)，使最大貫入深度達(dá)到10 m，其可搭載在遙控操作的潛水器(ROV)上面。

圖5 海王星CPT

(2) 摩擦輪驅(qū)動(dòng)CPT一般由兩個(gè)或兩個(gè)以上的摩擦輪提供驅(qū)動(dòng)力，兩個(gè)對(duì)稱的摩擦輪構(gòu)成一組，水下電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)摩擦輪。摩擦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過摩擦力將探桿夾緊并推送至海底土體內(nèi)，進(jìn)行貫入測(cè)試。現(xiàn)在的電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)足以保證將貫入速度的變化控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，一般為2 cm/s±10%，如荷蘭范登堡公司的ROSON系列(見圖6)。當(dāng)探桿鏈長(zhǎng)度小于6 m時(shí)，可直接使用一根5.8 m的矩形鋼導(dǎo)向槽進(jìn)行扶正；探桿鏈長(zhǎng)度大于6 m時(shí)，海底框架頂端安裝支撐塔進(jìn)行扶正，支撐塔首尾級(jí)聯(lián)，最大高度可達(dá)25 m[4]。技術(shù)指標(biāo)以ROSON-100 kN的CPT為例，工作水深為1500 m，推進(jìn)力能夠達(dá)到100 kN，貫入深度能夠達(dá)到40 m。同時(shí)，配備三種不同探頭，錐尖面積分別為2， 5 cm2和10 cm2。強(qiáng)大的技術(shù)指標(biāo)也導(dǎo)致了它相對(duì)較大的重量，空氣中質(zhì)量約為5500 kg左右。

圖6 ROSON CPT

(3) 吸力錨驅(qū)動(dòng)的深海CPT利用反作用力進(jìn)行貫入測(cè)試。吸力錨在自身重力的作用下沉入海底，錨筒內(nèi)水形成了封閉狀態(tài)，安裝在框架上的泵單元向外抽吸筒內(nèi)的水，封閉的筒體內(nèi)產(chǎn)生了負(fù)壓。當(dāng)筒內(nèi)外負(fù)壓差大到一定程度，產(chǎn)生的推力大于下沉阻力時(shí)，錨體就被壓入土中[5]，如格雷格公司生產(chǎn)的DCPT(見圖7)，設(shè)備本身重5000 kg，能夠產(chǎn)生約20 kN的推力，貫入深度50 m，工作水深3000 m。配有靜水壓補(bǔ)償?shù)奶筋^，錐尖面積一般為10 cm2或15 cm2。

(4) 基于海底鉆機(jī)的CPT，海底鉆機(jī)通過纜繩下放到海底，進(jìn)行鉆進(jìn)取芯。探桿搭載在海底巖芯取樣鉆機(jī)的儲(chǔ)管架上，根據(jù)需要進(jìn)行更換，貫入。目前報(bào)道已經(jīng)有兩臺(tái)海底鉆機(jī)搭載了CPT工具，一臺(tái)是格雷格公司的GSFD鉆機(jī)(見圖8)，采用繩索CPT的方式，既能夠鉆取硬巖，又能夠進(jìn)行軟土層實(shí)時(shí)CPT測(cè)試，這種結(jié)合的方式使大深度的測(cè)試成為可能。這臺(tái)鉆機(jī)的最大鉆進(jìn)深度為150 m，在這個(gè)基礎(chǔ)上探頭可以在150 m深處進(jìn)行CPT貫入測(cè)試。另一臺(tái)是Benthic公司的PROD鉆機(jī)(見圖9)，工作原理基本一致。

圖7 DCPT

圖8 GSFD鉆機(jī)

圖9 PROD鉆機(jī)

3 海底CPT技術(shù)的發(fā)展

3.1 測(cè)試功能多樣化

海底CPT在設(shè)計(jì)方面，除了單一靜力觸探外，可搭載其他土工原位測(cè)試工具。如增加十字板剪切、球形貫入等，利用海底設(shè)備配置的換桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試工具的海底更換，一次性下水按次序完成多個(gè)原位測(cè)試?；蛘咭慌_(tái)海底設(shè)備搭載幾個(gè)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，一次性進(jìn)行多個(gè)測(cè)試，提高工作效率。根據(jù)測(cè)試需要，也可以增加活塞取樣器，同時(shí)進(jìn)行原位測(cè)試和地質(zhì)取樣?；厥盏牡刭|(zhì)樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室靜力觸探測(cè)試，并和海底原位CPT的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，互為參考。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)單化

隨著測(cè)試深度的不斷加大，海底環(huán)境復(fù)雜，有纜CPT接桿繁瑣，容易造成電纜纏繞。所以開發(fā)能夠在海底進(jìn)行無纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)勢(shì)在必行。聲學(xué)傳輸是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，在探頭內(nèi)完成模擬信號(hào)向聲學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換并發(fā)出，由安裝在海底設(shè)備上的聲學(xué)接收系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光信號(hào)，傳送到甲板控制單元。目前陸地上CPT測(cè)試數(shù)據(jù)的聲學(xué)傳輸效果很好，但是在復(fù)雜的深海環(huán)境中，如何保證聲學(xué)信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性，還有待進(jìn)一步研究和論證。

3.3 測(cè)試機(jī)構(gòu)工具化

隨著各種類型海洋科考探測(cè)裝備的研制和開發(fā)，可攜帶的工具包也逐漸豐富，變得多樣化。在此前提下，可優(yōu)化CPT機(jī)械結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一機(jī)械接口和電氣接口。將CPT作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)工具包，搭載在無人遙控潛水器(ROV)、載人潛器等，進(jìn)行海底淺地層的CPT原位測(cè)試。

4 總 結(jié)

隨著深海資源的開發(fā)，深?？碧皆絹碓街匾糜诤５自粶y(cè)試的設(shè)備的市場(chǎng)逐步擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)型高效率的海床式CPT更會(huì)得到廣大用戶的青睞。我國(guó)在這方面無論是理論研究還是實(shí)際應(yīng)用，都落后于他人，我們應(yīng)“師夷長(zhǎng)技以制夷”，盡快研發(fā)出成熟的海底CPT產(chǎn)品，以滿足國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求，進(jìn)一步在國(guó)際市場(chǎng)上爭(zhēng)得一席之位。

[1]陸鳳慈,曲延大,廖明輝.海上靜力觸探(CPT)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].海洋技術(shù),2004,23(4):32-36.

[2]Mark Randolph,MarkCassody,Susan.Challenges of offshore geotechniacal engineering[R].

[3]陳 奇,徐 行,石要紅,等.國(guó)內(nèi)外海底靜力觸探的技術(shù)研究與進(jìn)展[J].南海地質(zhì)研究,2009(00):78-89.

[4]陳 奇,徐 行,張志剛,等.用于海洋地質(zhì)調(diào)查的ROSON-40kN型海底CPT設(shè)備[J].工程勘察,2012,40(9):30-34.

[5]劉俊濱,李玉峰,劉金鐸.吸力錨技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J].中國(guó)水利,2007(22):37-38.

2017-02-08)

張 偉(1989-)，男，遼寧綏中人，助理工程師，主要從事深海裝備與技術(shù)研究,Email：demon2323@126.com。