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)工程重點實驗室，山東 青島 266100；2. 海洋國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061)

技術報告

深海淺層沉積物強度貫入式原位測試裝置研制?

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)工程重點實驗室，山東 青島 266100；2. 海洋國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061)

自由下落式CPT測試技術(FF-CPT)是一種重要的海上沉積物強度原位測試方法。本文在FF-CPT室內(nèi)試驗原型樣機基礎上，通過進一步改進，研制了深海淺層沉積物強度貫入式原位測試裝置。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采用自容方式進行數(shù)據(jù)采集與存儲，可同時測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原位測試裝置初步應用于渤海、南海等海域的表層沉積物強度測量，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自主研制與進一步工程應用提供經(jīng)驗與借鑒。

自由下落式CPT(FF-CPT)；沉積物；強度；原位測試；南海

海底沉積物強度是海洋工程設計的重要參數(shù)，其測試手段主要包括實驗室測試與現(xiàn)場原位測試[1-3]。海底沉積物取樣難度較大、成本高，且通常擾動較為嚴重，原狀性難以保證，進而降低了所測指標的工程價值。海底原位測試最大的優(yōu)點是最大限度地保證了沉積物測試的原狀性，消除了取樣時的應力釋放、樣品運輸中的碰撞及制樣中的擾動等影響，所測數(shù)據(jù)可靠性增強[4-5]。自由下落式CPT測試技術(Free Fall-CPT，F(xiàn)F-CPT)作為原位測試手段之一，近來備受關注。

針對FF-CPT及其類似測試裝置，國外已有相關研究并取得一定進展。Colp[6]等研制了一種僅配置了1個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]等設計了一套搭載聲學裝置的貫入設備，在甲板上利用水聽器接收貫入設備上的換能器信號，據(jù)以確定其運動過程，并利用多普勒準則來確定速度。Spooner[8]等開發(fā)了一種配置1個加速度傳感器、重量為2 kg的小型自由下降式貫入設備，貫入探頭為橢圓形、長度為30 cm，用于湖底沉積物的相對硬度及組成。Osler[9]等研制的貫入設備配置了3個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，同時該裝置還安裝了后散射傳感器和電阻率測量單元，以測量水體-沉積物界面及沉積物的電學特性，該裝置工作水深小于200 m。為了探測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設備。由于數(shù)據(jù)存儲空間有限，該設備只能記錄一個加速度值，最多存儲時間為4 min，每次測量完成，測試數(shù)據(jù)都需及時下載。為了克服存儲空間和缺乏強度測試的缺陷，哥倫比亞大學開發(fā)了PROBOS設備。該設備的數(shù)據(jù)存儲能力顯著增強，因而又加入了測量錐尖阻力的探頭，這套設備還可根據(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貫入設備，工作水深可達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域得到應用。

目前，國內(nèi)圍繞海上CPT設備研制與應用相對較多；而FF-CPT設備研制處于起步階段，尚沒有自主知識產(chǎn)權的深海FF-CPT商業(yè)化設備。圍繞海上CPT 研制與應用，宋玉鵬[12]、劉曉磊[13]、季福東[14]等人相繼進行了相關研究，并取得了一定進展。張民生[15]等初步構建了FF-CPT室內(nèi)試驗原型樣機，并以海洋砂質(zhì)沉積物為研究對象，分析了FF-CPT的貫入特征，并分析了速率相關性。

本文在FF-CPT室內(nèi)試驗原型樣機基礎上，進行了進一步改進，研制了深海淺層沉積物強度貫入式原位測量裝置。期望為國內(nèi)海上FF-CPT自主研制提供經(jīng)驗與借鑒。

1 FF-CPT結構設計

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結構參數(shù)如表1所示；設計圖與實物圖如圖1所示，釋放器結構見圖4。

表1 FF-CPT設備參數(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)采集單元可實現(xiàn)不同海床深度的物理力學性質(zhì)原位測量。探桿設計長度為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調(diào)整。

FF-CPT耐壓控制艙設計高度為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流罩，用以疏導水流，提高貫入過程的穩(wěn)定性。電池供電單元、數(shù)據(jù)測量單元、數(shù)據(jù)存儲與控制單元通過水密電纜相連。耐壓控制艙內(nèi)部結構如圖2所示，控制艙封蓋結構如圖3所示。

圖1 FF-CPT設計圖(左)與實物圖(右)Fig.1 Free Fall-CPT

圖2 FF-CPT耐壓控制艙內(nèi)部結構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，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，杠桿兩端距支點距離不等，釋放端距支點距離與配重端距支點距離之比為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。當配重著地時，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耐壓控制艙頂部結構Fig.3 Cover of control module of FF-CPT

圖4 FF-CPT釋放器實物圖Fig. 4 Releaser for the FF-CPT

2 FF-CPT系統(tǒng)配置

FF-CPT采集系統(tǒng)包括水下自動數(shù)據(jù)采集、存儲及參數(shù)設置3個模塊，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。采集數(shù)據(jù)直接存儲于模塊存儲器內(nèi)，以采樣時間作存儲文件名。參數(shù)設置包括采樣率、開始采樣時間、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行數(shù)據(jù)的采集及存儲?？紤]設備密封性要求，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)中增加一個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并將天線引出耐壓艙外，實現(xiàn)無線信號的發(fā)射與接收。利用計算機建立無線傳輸熱點，然后將FF-CPT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無線接入計算機的無線傳輸熱點，建立計算機與FF-CPT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的連接。利用windows遠程桌面可以訪問數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的桌面及內(nèi)部程序，進而設定數(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)實現(xiàn)對FF-CPT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，降低外業(yè)工作危險性。

3 FF-CPT測量原理

貫入過程中，加速度傳感器可實時采集加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)姿態(tài)校正與二次積分可推算位移，進而可知不同時刻FF-CPT貫入海床的深度。通過與相同時刻數(shù)據(jù)采集單元所測的側(cè)摩阻力、錐尖阻力、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)一一對應，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)。最終實現(xiàn)深海淺層沉積物強度原位快速測試。測試原理見圖6。

圖6 FF-CPT測試原理Fig. 6 Test principle for FF-CPT

4 FF-CPT現(xiàn)場試驗

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

(1)設備現(xiàn)場安裝

FF-CPT可實現(xiàn)模塊化安裝，便于裝卸。安裝前保證電池容量充足，設置采集參數(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)場組裝，并通過釋放器與地質(zhì)絞車相連。

(2)設備入水

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)設備觸底

待儀器將接近觸底時，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。此過程應盡量避免FF-CPT長時間插在沉積物中，因此時強海流作用易導致探桿彎折。記錄儀器觸底經(jīng)緯度及水深。

(4)設備出水

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

FF-CPT船載測試現(xiàn)場圖如圖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，纜繩長度應大于FF-CPT設備高度，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，通過杠桿觸動釋放器自動脫鉤裝置，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在布放時以絞車布放速度下降，距離海床表面約5 m時，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 結語

本文通過多次海試，在FF-CPT室內(nèi)試驗原型樣機基礎上，對其進行了進一步改進，研制了深海淺層沉積物強度貫入式原位測試裝置。

FF-CPT裝置最大工作水深1 500 m，貫入深度可達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可同時測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)采用自容方式進行采集與存儲。

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

致謝：本文海試工作搭載了國家自然科學基金委員會渤黃海海洋學綜合科學考察實驗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

朱超祁， 張民生， 賈永剛， 等． 深海淺層沉積物強度貫入式原位測試裝置研制[J]．中國海洋大學學報(自然科學版)， 2017, 47(10): 121-125.

ZHU Chao-Qi, ZHANG Min-Sheng, JIA Yong-Gang, et al. Design and development of the free fall-CPT equipment used in deep water[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 121-125.

國家自然科學基金項目(41502265，41427803)；國家自然科學基金委員會-山東省人民政府海洋科學研究中心聯(lián)合資助項目(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