劉 濤， 柴萬里， 郭 磊

(1. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國海洋大學(xué) 山東 青島 266100； 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)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)

基于FBG的深海沉積物孔壓觀測(cè)設(shè)備研究?

劉 濤1,2， 柴萬里1， 郭 磊1

(1. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國海洋大學(xué) 山東 青島 266100； 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)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)

隨著深海資源的開發(fā)，深海沉積物穩(wěn)定性越來越受關(guān)注，原位孔壓觀測(cè)技術(shù)作為深海沉積物參數(shù)獲取的有效手段應(yīng)當(dāng)獲得足夠重視與研究。本文在總結(jié)國內(nèi)外深海沉積物孔壓原位觀測(cè)探桿的基礎(chǔ)上，結(jié)合FBG傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)研制一套基于FBG的深海沉積物超孔壓觀測(cè)設(shè)備，并開展了近海測(cè)試。觀測(cè)位置海床面下1.5 m處，平衡孔壓高達(dá)5.01 kPa。測(cè)試期間，其中埋入沉積層0.5 m深處傳感器準(zhǔn)確獲取潮汐作用于海底沉積物的超孔壓數(shù)據(jù)，與當(dāng)?shù)爻毕珨?shù)據(jù)對(duì)比，兩者相位差為T/4。

深海沉積； 孔隙水(氣)壓力； 長期原位觀測(cè)； FBG； 潮汐作用

國家對(duì)自然資源特別是石油、天然氣等的需求不斷增加，導(dǎo)致近?；顒?dòng)愈加頻繁。為了應(yīng)對(duì)日益增長的能源需求，越來越多的近海以及深海工程結(jié)構(gòu)物將投入使用。了解海底沉積物穩(wěn)定性影響因素，確定不穩(wěn)定區(qū)域以及潛在地質(zhì)構(gòu)造作用，闡明地質(zhì)過程，是工程師設(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)物的必要條件。

有效應(yīng)力作為控制土體平衡條件的重要條件，是工程師研究關(guān)注的重點(diǎn)。孔隙壓力作為土體重要的力學(xué)參數(shù)，能夠?qū)τ行?yīng)力進(jìn)行解釋分析。同時(shí)，相對(duì)于其他土力學(xué)參數(shù)，孔隙壓力無方向性也給土體性質(zhì)研究帶來便利。對(duì)于各向異性非均質(zhì)土體，孔隙壓力用來表現(xiàn)土體性質(zhì)在原位觀測(cè)中優(yōu)勢(shì)更加明顯[1]。因此，孔隙壓力在現(xiàn)代土力學(xué)研究中具有重要作用，在確定沉積物性質(zhì)方面有著理論和實(shí)踐上的重要意義。原位觀測(cè)作為最直接、準(zhǔn)確的沉積物性質(zhì)參數(shù)獲取手段，原位孔隙壓力觀測(cè)的研究也一直是海洋地質(zhì)領(lǐng)域的重點(diǎn)。然而，國內(nèi)在原位孔壓觀測(cè)技術(shù)方面的發(fā)展起步較晚，并未形成系統(tǒng)的技術(shù)方案，因此，發(fā)展原位孔壓觀測(cè)技術(shù)研制深海沉積物超孔壓觀測(cè)設(shè)備必定能為建設(shè)海洋強(qiáng)國貢獻(xiàn)力量。

本文在總結(jié)國際先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，提出原位孔壓觀測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)方案并加工樣機(jī)；利用該設(shè)備獲取現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試數(shù)據(jù)，分析該設(shè)備用于沉積物長期原位觀測(cè)的可行性，并對(duì)接下來的研究工作進(jìn)行展望與指導(dǎo)。

1 研究背景

流體作用力在地質(zhì)過程中起到的影響逐漸獲得研究人員的重視，原位孔隙壓力數(shù)據(jù)更加具有顯著的意義。1960年代起，國外便已開展海洋沉積物孔壓的原位觀測(cè)研究。1967年的威爾金森盆地海灣地質(zhì)調(diào)查，將NGI-UI孔壓傳感器成功地布放在水深278 m處[2-3]，獲得有效的超孔壓數(shù)據(jù)；SEASWAB I調(diào)查期間，Bennett和Burns[4]采用復(fù)合壓力傳感器在密西西比三角洲地區(qū)進(jìn)行了為期8個(gè)月的長期原位孔隙壓力觀測(cè)，但其中大量數(shù)據(jù)未能獲得有效的解釋；1981年在密西西比三角洲原位測(cè)試中，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室[5]使用GISP進(jìn)行了為期5個(gè)月的孔壓觀測(cè)。此外，多個(gè)國家海洋科學(xué)研究機(jī)構(gòu)均對(duì)原位孔壓監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，牛津大學(xué)Sills等人[6]研制的OU差壓傳感器在英國的海洋地質(zhì)調(diào)查中獲得廣泛應(yīng)用；比利時(shí)巖土工程研究所[6]研制的復(fù)合孔壓計(jì)在對(duì)波浪潮汐所引起的孔壓監(jiān)測(cè)方面也收獲了相應(yīng)成果；英國海洋科學(xué)研究所自主研發(fā)的PUPPI[7]通過原位觀測(cè)，總結(jié)獲得有效的孔隙水滲流速率測(cè)算方式；法國海洋開發(fā)研究所(Ifremer)所研制的Piezometer系列設(shè)備工作水深能達(dá)6 000 m，可以代表目前國際深?？讐河^測(cè)研究的前沿，在Niger Delta、NW Sumatra等地區(qū)已經(jīng)取得較多的試驗(yàn)成果[8-11]，并進(jìn)行了產(chǎn)品商業(yè)化推廣應(yīng)用。

大部分原位孔壓監(jiān)測(cè)設(shè)備均需要面臨以下潛在的問題，如時(shí)間滯后、分辨率與量程的矛盾、精度較低、原位校準(zhǔn)等，以上所有問題均會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前傳感器精度提高主要通過采用差壓測(cè)量的方式解決，而這一解決方式也會(huì)隨之帶來由于傳感器單向開放而引起的測(cè)量時(shí)間滯后以及原位校準(zhǔn)的問題。

總結(jié)國內(nèi)外孔壓原位觀測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，提出更加穩(wěn)定高精度的孔壓原位觀測(cè)技術(shù)方案，對(duì)提高我國海洋技術(shù)具有重要意義。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)研制

國際上海底沉積物孔隙壓力原位觀測(cè)裝置多為孔隙壓力探桿，并且已有40余年的研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[12]。英國海洋科學(xué)研究所研制的PUPPI作為早期原位孔壓裝置，成功地將孔壓探桿應(yīng)用到5 500 m水深的海底沉積物孔隙壓力測(cè)量[6]。PUPPI是一套包含數(shù)據(jù)記錄艙、聲學(xué)控制系統(tǒng)、配重、探桿以及孔壓傳感器的原位觀測(cè)裝置。其實(shí)現(xiàn)壓差的方式為，傳感器一端通過液壓流體配重與海水耦合，另一端直接與環(huán)境壓力相耦合，因此探桿內(nèi)使用的液壓流體為吸濕的高密度有機(jī)物。在E. E. DAVIS等[13]的應(yīng)用中，傳感器的采集頻率已達(dá)10 Hz。PUPPI采用自重貫入的方式，同時(shí)其探桿錐尖采用4 mm的液壓管進(jìn)行環(huán)境液體壓力測(cè)量。法國海洋研究院Sultan[9]在PUPPI的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研制自重式孔隙壓力探桿Piezometer，同樣采用壓差傳感器單向測(cè)量環(huán)境液體壓力進(jìn)行孔隙壓力測(cè)量。目前深海沉積物孔隙壓力測(cè)量裝置所面臨的技術(shù)問題主要是電學(xué)傳感器的水下密封，因此考慮是否可以采用非電學(xué)傳感器，降低傳感器的密封要求，簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

本套基于FBG的超孔壓觀測(cè)探桿(In-situ excess pore pressure observation instrument based on FBG，以下簡稱：FBG-PPI)，利用光纖光柵傳感技術(shù)的耐腐蝕以及電絕緣特性，設(shè)計(jì)開放式感壓裝置，以期實(shí)現(xiàn)海底原位長期穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)孔壓觀測(cè)。FBG-PPI主要由孔隙壓力探桿、耐壓艙兩部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示?？紫秹毫μ綏U內(nèi)嵌入壓差傳感器用來實(shí)現(xiàn)貫入沉積層中，感測(cè)沉積層內(nèi)超孔隙壓力；而耐壓艙用于存儲(chǔ)信號(hào)解調(diào)、數(shù)據(jù)采集以及控制單元。孔隙壓力探桿與耐壓艙為分離式，探桿需要專門的貫入系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)貫入沉積層中。耐壓艙則可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用搭載到貫入設(shè)備上或者直接放置在海床表面，方便觀測(cè)結(jié)束后回收。針對(duì)不同的地質(zhì)條件，可以選擇回收或者拋棄探桿。

壓差傳感器采用光纖光柵傳感技術(shù)設(shè)計(jì)，基于光纖光柵傳感器防水耐腐蝕的特性，將傳感器設(shè)計(jì)為雙向開放模式，即沉積層的流體靜力直接作用感測(cè)壓力的傳感部件。兩個(gè)相互隔絕的進(jìn)水通道實(shí)現(xiàn)壓差測(cè)量。傳感器最大外徑為45 mm，透水石外徑45 mm，透水石厚度5 mm。目前傳感器的最大量程設(shè)計(jì)為0.1 MPa，精度可達(dá)0.1%F.S.，即0.1 kPa。每個(gè)壓差傳感器單獨(dú)設(shè)置溫度補(bǔ)償單元，用于降低深海動(dòng)態(tài)環(huán)境下的溫度變化對(duì)光纖光柵傳感器測(cè)量精度的影響。具體實(shí)現(xiàn)方式為在傳感器感測(cè)光纖刻設(shè)專門感測(cè)溫度的相位光柵，獲得溫度相位光柵引起的中心波長變化量λB2，從而對(duì)感測(cè)壓力的相位光柵引起的中心波長變化量λB1進(jìn)行溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)。光纖光柵壓差傳感器的工作原理示意圖見圖1。

圖1 光纖光柵壓力傳感器工作原理Fig.1 FBG pressure sensor work pattern

傳感器通過連接套管進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的串聯(lián)，連接桿材質(zhì)為316L。連接套管貫通海水，實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)部壓力通道與海水靜壓力相貫通的目的。連接套管外徑60 mm，最大內(nèi)徑50 mm，并在側(cè)壁對(duì)稱分布2個(gè)5 mm的通孔，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積環(huán)境靜水壓力的貫通與感測(cè)。連接桿內(nèi)在通孔上下兩側(cè)設(shè)置密封圈，用來隔絕內(nèi)部靜水環(huán)境與沉積環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)沉積層內(nèi)壓差測(cè)量。

孔隙壓力探桿設(shè)計(jì)全長3.5 m，探桿內(nèi)部每隔1 m設(shè)置一個(gè)壓差傳感器，錐尖參考靜力觸探設(shè)備設(shè)置為60°夾角。海水通過探桿頂端法蘭盤的出線口進(jìn)入。法蘭盤出線口的傳感器傳輸線通過光纖水密連接器進(jìn)入分離式耐壓艙，將光纖傳感信號(hào)導(dǎo)入耐壓艙內(nèi)的光纖光柵傳感器解調(diào)模塊，進(jìn)行傳感信號(hào)的解調(diào)分析。本套設(shè)備采用的是MacArtney四芯FCR光纖水密連接器，能夠滿足6 000 m水深環(huán)境要求。

圖2 FBG-PPI結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 FBG-PPI structure sketch表1 光纖光柵傳感器解調(diào)模塊參數(shù)Table 1 Fiber bragg grating sensor demodulation module parameter

參數(shù)類型Character參數(shù)值Parameter每通道可測(cè)傳感器數(shù)量≤32個(gè)反射光檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍60dB解調(diào)波長分辨率0.1pm解調(diào)速度(跟隨模式)≥20Hz(單個(gè)傳感器)解調(diào)速度(固定模式)≥2Hz實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)波長掃描反射光頻譜FBG傳感器中心波長、峰值光通道接口FC/APC適配器通訊接口RS232,RS485(可選)供電電源+12V/2A(電壓范圍+7～36V)儲(chǔ)存溫度-10～80℃工作溫度-5～45℃外形尺寸290mm長×135mm寬×85mm高

光纖光柵傳感器解調(diào)模塊是一個(gè)由PC機(jī)控制的、高分辨率的光纖布拉格光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)及高精度的光譜分析系統(tǒng)。該解調(diào)模塊內(nèi)置了快速可調(diào)諧激光光源模塊，通過改變可調(diào)諧光源的輸出波長，掃描FBG傳感器的反射光強(qiáng)度譜線，計(jì)算出FBG傳感器的中心波長，再根據(jù)傳感器的波長響應(yīng)特征參數(shù)計(jì)算出檢測(cè)點(diǎn)的溫度、應(yīng)力變化等物理參數(shù)。

3 設(shè)備岸灘測(cè)試

海洋沉積物孔壓觀測(cè)設(shè)備的長期穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)可靠性，是原位動(dòng)態(tài)觀測(cè)過程中需要克服的主要問題。本套FBG-PPI為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定以及傳感器原位觀測(cè)性能，進(jìn)行了為期一周的近岸原位測(cè)試。

3.1 測(cè)試過程

本次測(cè)試，F(xiàn)BG-PPI搭載由中國海洋大學(xué)自主研制的復(fù)雜深海工程地質(zhì)原位觀測(cè)設(shè)備(In-situ surverying equipment of engineering geology in complex deep sea，以下簡稱：SEEGEO)的貫入系統(tǒng)進(jìn)行原位觀測(cè)。測(cè)試地點(diǎn)為近岸碼頭平穩(wěn)海床面處，底質(zhì)基本為淤泥。測(cè)試地點(diǎn)最大水深約15 m。

孔隙壓力探桿通過靜力貫入系統(tǒng)貫入沉積層中，貫入速度為0.5 m/行程，設(shè)計(jì)最大貫入力1.5 t。其中FBG-PPI的供電系統(tǒng)由SEEGEO的海水電池供應(yīng)，整套設(shè)備的水下采集控制由SEEGEO的總控系統(tǒng)提供。設(shè)備通過折臂吊吊入水中，直至設(shè)備完全坐底后，折臂吊釋放裝置，穩(wěn)定后由SEEGEO上位機(jī)控制系統(tǒng)通過水聲通信機(jī)發(fā)送指令，控制設(shè)備貫入，并進(jìn)行FBG-PPI采集控制。設(shè)備完成4個(gè)行程的貫入，實(shí)現(xiàn)FBG-PPI的孔隙壓力探桿貫入深度約2 m，經(jīng)潛水員下水查看，設(shè)備自重陷入約0.5 m，因此孔壓探桿實(shí)際貫入深度為2.5 m。設(shè)備進(jìn)行為期一周的連續(xù)觀測(cè)，數(shù)據(jù)自容存儲(chǔ)。

目前設(shè)備定時(shí)采集所能達(dá)到的最大采集頻率為每隔5 min測(cè)量一次，連續(xù)采集記錄50 s，解調(diào)儀所能達(dá)到的最大解調(diào)頻率為1 Hz；50 s內(nèi)設(shè)備的采集模塊能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)備貫入以及孔壓消散初期階段，為實(shí)現(xiàn)孔壓值的全時(shí)段測(cè)量，提高測(cè)量精度，采用最大采集頻率工作模式。而后12:00～16:00期間，將采樣頻率調(diào)整為每隔10 min連續(xù)采集一次，期間通過水聲通訊回收部分?jǐn)?shù)據(jù)。而后的時(shí)間內(nèi)，設(shè)備處于自動(dòng)化采集存儲(chǔ)階段，因此，需要將其設(shè)置為低功耗模式，采集頻率需要增大，但是為了滿足原位測(cè)量的精度需求，采樣頻率設(shè)置為每隔20 min采集一次。貫入當(dāng)天，共進(jìn)行了兩次自容采集存儲(chǔ)模式調(diào)整，即針對(duì)不同階段，設(shè)置的孔壓數(shù)據(jù)采樣頻率不同。

完成測(cè)試任務(wù)后，設(shè)備起吊，將歷史數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)導(dǎo)出。

表2 測(cè)試期間采樣頻率

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

孔隙壓力探桿在本次測(cè)試過程中，實(shí)際埋入沉積物中的深度大于2 m，即其中3個(gè)壓差傳感器完全埋入沉積層中，另一個(gè)傳感器暴露在海水中。傳感器相對(duì)位置關(guān)系如圖4，傳感器部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線見圖5。其中1#傳感器在貫入過程中失效，未能返回有效數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集控制單元存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)共約27 000余條，記錄了孔壓探桿貫入以后直至探桿拔出期間孔壓變化全過程。在回收了有效數(shù)據(jù)的傳感器中，3#、2#傳感器記錄了海床表面以下0.5 m以及1.5 m的沉積層孔壓變化現(xiàn)象。4#傳感器完全暴露在海水中，實(shí)際壓差值應(yīng)為零，在本次測(cè)試過程中，也檢出4#傳感器出現(xiàn)大于傳感器精度的震蕩變化，尤其是在貫入結(jié)束初期，4#傳感器也出現(xiàn)了類似于2#、3#傳感器的孔壓消散曲線，不過時(shí)間較短，約30 min后，4#傳感器便從峰值恢復(fù)至平均值0.81 kPa，并在之后的時(shí)間內(nèi)在0.81 kPa上下波動(dòng)，4#傳感器在穩(wěn)定測(cè)試期間的方差約為0.18 kPa，在傳感器精度范圍內(nèi)。

圖3 貫入裝置Fig.3 Penetration device

圖4 測(cè)試期間傳感器相對(duì)位置Fig.4 Spot of transducers

為更加直觀準(zhǔn)確地分析本次近海測(cè)試的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照時(shí)間段以及顯著的變化趨勢(shì)進(jìn)行劃分，主要包括達(dá)到平衡孔壓之前及之后的潮汐作用下沉積物超孔壓變化現(xiàn)象。

4 數(shù)據(jù)分析

海底沉積物超孔壓的變化主要受流體靜力以及地質(zhì)作用兩方面的影響。本次岸灘測(cè)試選取的測(cè)試地點(diǎn)為港灣碼頭，不會(huì)出現(xiàn)大型的地質(zhì)構(gòu)造作用，因此，數(shù)據(jù)分析時(shí)主要考慮流體靜力對(duì)沉積層超孔壓的影響。即在此主要討論由探桿擠土作用所引起的累積超孔壓自然消散的過程，以及潮汐作用引起的超孔壓變化。本次數(shù)據(jù)分析選取的均為孔壓探桿連續(xù)采集階段的中值。

4.1 平衡孔壓數(shù)據(jù)分析

探桿貫入對(duì)沉積層的擴(kuò)孔作用，會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力的快速累積，隨著時(shí)間的推移，孔隙壓力逐漸消散，直至靜力平衡狀態(tài)。不同的沉積環(huán)境(滲透速率、沉積深度)所對(duì)應(yīng)的孔壓消散穩(wěn)定時(shí)間均不相同，然而實(shí)際情況下，這種平衡孔壓狀態(tài)不可能完全抵達(dá)。評(píng)估孔壓原位觀測(cè)探桿平衡孔壓恢復(fù)狀態(tài)是檢驗(yàn)裝置性能的重要方法之一。

貫入結(jié)束后，由貫入擾動(dòng)引起的超孔隙壓力達(dá)到峰值，其中2#、3#傳感器超孔壓峰值分別為8.89 kPa、8.46 kPa。4#傳感器在貫入結(jié)束后也出現(xiàn)峰值波動(dòng)，峰值約為0.81 kPa。圖5中數(shù)據(jù)顯示貫入結(jié)束后8h內(nèi)的壓差時(shí)程曲線，該時(shí)間區(qū)域內(nèi)，2#、3#傳感器反饋的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為超孔壓持續(xù)消散，在5.5 h后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 貫入后8 h內(nèi)的超孔壓數(shù)據(jù)Fig.5 8 h excess pore pressure data after penetration

為進(jìn)一步探討孔隙壓力探桿的原位觀測(cè)適用性，參考Davis等[13]提出的原位觀測(cè)孔隙壓力探針的平衡孔壓的推算方法，進(jìn)行了本套裝置貫入后的平衡孔壓推算。具體方式為繪制壓差-時(shí)間倒數(shù)曲線，推算1/time=0時(shí)的超孔壓值。并結(jié)合Sultan等[9]的實(shí)踐應(yīng)用，選擇3.5 h(此后的壓差隨時(shí)間倒數(shù)基本呈線性變化)處做曲線的切線，獲取相應(yīng)的截距，即為平衡孔壓推算值。該方法可用于短期原位觀測(cè)探桿的平衡孔壓推算。平衡孔壓經(jīng)驗(yàn)推算值以及5.5 h后實(shí)測(cè)孔壓穩(wěn)定值如圖6所示。

3#傳感器的平衡孔壓推算值約為-1.09 kPa，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示平衡孔壓為1.10 kPa，相差2.19 kPa。2#傳感器的平衡孔壓推算值約為5.39 kPa，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示平衡孔壓為5.01 kPa，相差0.38 kPa，約為0.4倍的傳感器精度。

4.2 潮汐作用

除了周圍環(huán)境引起的沉積物孔隙壓力變化以外，潮汐作用引起的孔壓變化結(jié)合孔壓探桿在貫入過程中所引起的孔壓變化，也能提供相應(yīng)的水文地質(zhì)信息。本次測(cè)試期間潮汐作用于沉積層內(nèi)壓差的關(guān)系曲線見圖7。貫入當(dāng)天18：00以后的自容存儲(chǔ)壓差數(shù)據(jù)顯示，2#傳感器超孔壓數(shù)值有一個(gè)明顯的劇增現(xiàn)象，而后呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀變化，并呈現(xiàn)出整體衰減趨勢(shì)。3#傳感器觀測(cè)記錄的超孔壓值呈現(xiàn)循環(huán)周期性變化的現(xiàn)象。下面將該時(shí)期3#傳感器記錄的超孔壓變化數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)討論。

選取3#傳感器超孔壓數(shù)據(jù)呈周期性變化時(shí)期的450個(gè)值進(jìn)行分析。該時(shí)期內(nèi)的超孔壓平均值為0.31 kPa，分析區(qū)間內(nèi)的最小值可達(dá)-2.01 kPa，最大值達(dá)2.14 kPa。數(shù)據(jù)采集的6天內(nèi)，超孔壓數(shù)據(jù)變化共出現(xiàn)了六個(gè)完整的周期，具體數(shù)據(jù)見表4。通過6個(gè)周期的最大和最小壓差的中值可以看出，3#傳感器觀測(cè)的孔隙壓力值也呈逐漸衰減趨勢(shì)。

將3#傳感器與測(cè)試期間青島潮汐數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出，超孔壓與潮汐潮高變化通過相移即可得到吻和。本次測(cè)試期間，超孔壓測(cè)量變化波動(dòng)曲線與潮汐潮高變化波動(dòng)曲線呈現(xiàn)出T/4的相位差，約2.5 h。

4.3 總結(jié)與討論

本次測(cè)試數(shù)據(jù)主要從流體靜力對(duì)沉積物孔隙壓力的影響進(jìn)行分析討論。通過數(shù)據(jù)分析對(duì)比可以總結(jié)出以下幾個(gè)方面：

(1) FBG-PPI基于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到近淺海的孔壓原位觀測(cè)能夠有穩(wěn)定的觀測(cè)表現(xiàn)，同時(shí)這種壓差感測(cè)技術(shù)適用于沉積物超孔隙壓力的測(cè)量。

(2) 經(jīng)過后期檢修，發(fā)現(xiàn)1#傳感器僅能回收溫度中心波長值，無法返回壓力中心波長值；設(shè)備回收后，通過傳感器光譜曲線分析可知，1#傳感器壓力感測(cè)單元失效，從而導(dǎo)致其未能返回有效數(shù)據(jù)。故障原因可能為設(shè)備安裝貫入過程中，錐尖部分直接觸底，導(dǎo)致壓力感測(cè)單元超量程失效。

圖6 平衡超孔壓數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)與外推值對(duì)比Fig.6 Excess pore pressure at equilibrium from monitoring and extrapolation表3 測(cè)試孔壓數(shù)據(jù)總結(jié)Table 3 Pore pressure data summary

傳感器編號(hào)Transducernumber貫入深度Penetrationdepth/m平衡壓力Equilibriumpressure/kPa最大孔隙壓力Maximuminsertionpressure/kPat50/s21.55.018.89—30.51.108.4651384-0.5—0.81—

注：t50—孔壓消散至初始孔壓值50%時(shí)所需要的時(shí)間。

Note：t50the time for pore pressure to fell to 50% of its initial value

表4 3#傳感器周期性數(shù)據(jù)總結(jié)

注：Δt——該測(cè)點(diǎn)距離設(shè)備貫入時(shí)間(h)；ΔT——最大值與最小值之間的時(shí)間差(h)

Note：ΔtPenetration time(h); ΔtPeriod of maximum and minimum(h)

(測(cè)試期間青島潮汐數(shù)據(jù)來自中國海事服務(wù)網(wǎng)[14]。 Qindao tidal dsta came from China Maritime Service Network.)圖7 超孔壓實(shí)測(cè)值與潮汐數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of excess pore pressure and tidal tide

(3) 設(shè)備貫入后8 h內(nèi)的超孔壓數(shù)據(jù)表現(xiàn)出2#、3#傳感器其對(duì)于環(huán)境變化的響應(yīng)協(xié)同一致性良好，在貫入結(jié)束后的初期，均有明顯的消散趨勢(shì)。4#傳感器出現(xiàn)消散現(xiàn)象的原因可能為探桿未完全飽和所產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)延時(shí)。

(4) 低滲透性沉積物中，該套設(shè)備貫入所產(chǎn)生的超孔壓消散需要一定的時(shí)間，該過程如結(jié)合靜力觸探，可以有效的獲取沉積物垂向分布特性。目前的數(shù)據(jù)分析，其所需的超孔壓消散周期應(yīng)大于8 h。

(5) 本次測(cè)試選用經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)的方式推算孔壓消散平衡孔壓值，并與2#、3#傳感器5.5 h后獲得的孔壓值進(jìn)行比對(duì)。2#傳感器平衡孔壓推算值與5.5 h后獲得的平衡孔壓值，其差值在傳感器精度的可接受范圍內(nèi)；3#傳感器的推算值與觀測(cè)值相差較大，可能的原因?yàn)椋?#傳感器所處位置埋深較淺，沉積物滲透性較好，因此其達(dá)到平衡孔壓所需的時(shí)間較2#傳感器短，該經(jīng)驗(yàn)方式并不適用于3#傳感器所處位置的沉積物。另外不排除3#傳感器測(cè)試過程中未實(shí)現(xiàn)絕對(duì)零值校準(zhǔn)導(dǎo)致其測(cè)試結(jié)果偏大的可能。

(6) 原位觀測(cè)潮汐作用于沉積物產(chǎn)生的超孔壓，相對(duì)于實(shí)際的潮汐變化呈現(xiàn)出滯后與緩慢消散現(xiàn)象。本次測(cè)量過程中，3#傳感器測(cè)量的壓差中值逐漸趨近于0 kPa。

5 結(jié)語

通過對(duì)本次測(cè)試數(shù)據(jù)的簡單分析可以看出，F(xiàn)BG-PPI已經(jīng)初步具備原位觀測(cè)沉積層超孔壓變化的能力，在短期連續(xù)監(jiān)測(cè)方面性能穩(wěn)定，但同時(shí)也存在貫入擾動(dòng)所產(chǎn)生的超孔壓消散緩慢的問題。其中1#傳感器在測(cè)試中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，也需要進(jìn)一步排查和改善。本次測(cè)試期間獲得的數(shù)據(jù)還有部分未獲得完全解釋，接下來的工作是結(jié)合其他原位測(cè)試對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步解析，同時(shí)根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果改進(jìn)與完善FBG-PPI，使其更加適合于原位孔壓觀測(cè)。

海底沉積物孔壓研究不僅需要在觀測(cè)技術(shù)上進(jìn)行提升和改進(jìn)，更需要在數(shù)據(jù)的解析等方面開展更加深入的研究。探索深海沉積物產(chǎn)生超孔壓現(xiàn)象的原因，制定海底沉積物孔壓監(jiān)測(cè)規(guī)范，對(duì)于分析海底沉積物孔壓背后所涉及的沉積以及動(dòng)力學(xué)問題具有十分重要的意義。希望本套設(shè)備能夠隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷發(fā)展與完善，以更好地應(yīng)用于海底沉積物孔壓觀測(cè)。

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Abstract: With the development of deep-sea resources, more and more attention has been paid to the stability of deep-sea sediments. As an effective means of obtaining deep-sea sediment parameters, in-situ pore pressure monitoring technique should be paid enough attention to and studied. In this paper, based on the summary of deep-sea sediment pore pressure observation probe technology, combined with FBG sensing technology, an in-situ excess pore pressure observation instrument based on FBG has been designed and developed, and offshore test has been carried out. The observation position is 1.5m below the seabed, and the equilibrium excess pore pressure is up to 5.01kPa. During the test period, a sensor which is located 0.5m below the seabed, accurately obtained the excess pore pressure data of tides acting on the seafloor sediments and compared them with local tide data, with a phase difference of T/4.

Key words: marine sediment； pore water (gas) pressure； long-term in-situ observation； FBG； tidal action

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

FBG Based Instrument for Marine Sediment Pore Pressure Reaearch

LIU Tao1,2， CHAI Wan-Li1， GUO Lei1

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering，Ocean University of China， Qingdao 266100，China； 2.Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Ocean University of China Qingdao 266061，China)

P736.21

A

1672-5174(2017)10-126-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160469

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41672272,41427803)資助 Supported by the National Natural Science Foundaiton of China(41672272,41427803)

2017-05-10；

2017-07-12

劉 濤(1979-)，男，副教授，主要從事海洋工程地質(zhì)和海底災(zāi)害觀測(cè)等方面教學(xué)與科研工作。E-mail:ltmilan@ouc.edu.cn