海床侧向变形与滑动观测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋地质观测领域，尤其涉及一种海床侧向变形与滑动观测装置及方 法。
【背景技术】
[0002] 在恶劣海况期间，大风浪会引起海床内部孔隙水压力的动态累积以及有效正应力 的降低，大幅度降低了海床土体的抗剪强度，引发海床土体剪切破坏甚至液化，导致海床侧 向变形与滑动，假如海床坡度较大、土体强度较低，甚至可能会引发海底滑坡，造成海底管 线、防波堤以及海洋平台基础的失稳破坏。同样地震等因素也会引发海底滑坡等地质灾害， 对海上生产安全造成不可估量的损失。目前对于大风浪或地震等因素引起的海床破坏甚至 海底滑坡的研究，大多采用数值模拟或者模拟实验的研究方法，缺少原位观测手段技术，对 于海床土体破坏后的侧向变形与滑动是如何发生的以及发生的规模无法进行原位动态观 测，本发明对于海床土体破坏滑移机制及预警方案的研究具有突出贡献。
[0003]目前，应用于陆上的土体侧向变形与滑动观测技术在国内外已非常成熟，并广泛 的应用于陆上工程领域，主要靠光纤、位移传感器来监测变形位移量。然而关于海底滑坡观 测方面的相关专利少之又少，经过现有的技术文献检索发现，中国专利名称：天然气水合物 分解引起的海底滑坡模拟及观测系统的制作方法，专利申请号CN201410139109,该发明提 出了一种可测量土体变形过程及变形量的变形测量单元，可对滑坡变形进行定量化描述， 但该发明属于物理模拟实验范畴，可移植性差，不能满足原位观测的需求。因此，在海底土 体侧向变形与滑动原位观测技术领域，我国目前仍然没有拥有自己独立知识产权的技术和 设备，这也一直是关于海底滑坡原位观测的技术难题，本发明将填补这一空缺，推动我国海 洋工程地质灾害防治的发展进程，保障海底管线、港口、海洋基础设施等的安全生产。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足或缺陷，提供一种海床侧向变形与滑动观测装置及方 法，以实现对海床变形的长期原位观测。
[0005] 海床侧向变形与滑动观测装置，其特征在于包括用于布放和回收的辅助船以及海 底观测系统，所述辅助船上安装有海上钻机装置、起吊装置、钻杆以及套管，
[0006] 所述的海底观测系统包括位移测量装置、数据采集密封舱和防沉降架；
[0007] 所述的位移测量装置由一系列具有固定长度的刚性空心杆串联组成，最前端的一 个刚性空心杆前部设有锥头，适当增加锥头的重量使之可作为配重使用，且相邻两个刚性 空心杆之间通万向节连接，刚性空心杆可绕万向节进行360度弯曲，万向节为具有韧性的 塑胶材料，每个万向节内部设有一个三轴加速度传感器，三轴加速度传感器的数据传输线 从刚性空心杆中穿过，通过三轴加速度传感器的姿态变化以计算出各个节点的位移偏量； 在末端万向节内还附加有一个用于处理三轴加速度传感器信号的微处理器和用于测量温 度变化的温度传感器，各个三轴加速度传感器以及微处理器和温度传感器的数据传输线均 通过位移测量装置末端的数据传输线缆与所述的数据采集密封舱连接；
[0008] 所述的数据采集密封舱内部设有用于采集和存储数据的数据采集装置以及电源。
[0009] 所述的防沉降架是由防沉降板和安装在防沉降板上的密封舱固定支架组成，均可 采用不锈钢材料加工。
[0010] 可在防沉降架表面喷漆防止海水腐蚀，防沉降板上设有若干个镂空圆孔，目的是 为减轻重量以及打捞回收时减轻海床对防沉降板的粘滞阻力。
[0011] 每个万向节内部的三轴加速度传感器通过支架而固定在位于其前端的一根刚性 空心杆的杆端，而使各个三轴加速度传感器随其前端的刚性空心杆保持一致的角度变化。
[0012] 所述的位移测量装置的万向节与刚性空心杆外表面由两层保护套包裹，其中内层 保护套是柔性的防水塑胶套，外层保护套是高强度钢丝网套。
[0013] 在靠近线缆端附有提拉环，用于整个位移测量装置的回收上拔；
[0014] 上述数据传输线缆通过密封插件与所述的数据采集密封舱连接。
[0015] 利用上述装置对海床侧向变形与滑动进行观测的布放与回收方法，其特征在于包 括以下步骤：
[0016] 1)将数据采集装置进行采集频率与采集时长的设置，然后安装入采集密封舱进行 密封；
[0017] 2)利用辅助船的GPS定位系统将辅助船开到目标点位，并抛锚、下粧使船体保持 平稳状态；
[0018] 3)使用辅助船上的海上钻机装置对目标点位的海床钻孔，钻孔过程中同时下放套 管，钻孔深度不低于位移测量装置的长度，钻孔完成之后取出钻杆；
[0019] 4)将位移测量装置顺着套管下放至海床钻孔中，使位移测量装置呈垂直姿态，通 过观测数据传输线缆是否呈绷直状态以判断位移测量装置是否垂直；
[0020] 5)采用工程用砂对钻孔进行填充，并将套管逐渐上拔，使位移测量装置留置在海 床内；
[0021] 6)将位移测量装置的数据传输线缆末端用水密插件密封，并附加浮球使数据传输 线缆末端能在水中浮起，将线缆顺着套管丢入水中；
[0022] 7)将套管完全拔出，从水中打捞起数据传输线缆，并将其与采集密封舱进行连 接；
[0023] 8)将采集密封舱固定于防沉降架中，然后用起吊装置将防沉降架下放至水中海床 面坐底；
[0024] 9)海底观测系统的三轴加速度传感器按照设定的采集频率与采集时长开始进行 数据测量；
[0025] 10)原位观测周期结束之后，将辅助船开回目标点位，对海底观测系统进行打捞；
[0026] 11)将数据采集装置进行数据读取，从而将海床侧向变形与滑动的信息进行动态 输出。
[0027] 与现有的技术相比，本发明采用一种位移变形测量装置对海床侧向变形与滑动进 行观测。利用这种装置与方法可以实现对海床侧向变形与滑动的原位观测，可精确地反映 海床土体破坏后的滑动变形过程。所述的供电装置可在水下为位移测量装置与数据采集装 置长期供电，为原位观测的长周期性提供条件。本发明中的装置可以进行回收再利用，具有 很强的重复利用性，可大大节约观测成本。本发明的位移测量装置具有大量程的测量特征， 可以捕捉记录变形较大的海床土体滑移过程。已利用本发明在黄河口进行过一次长期原位 观测，观测期间成功捕捉到明显的海床侧向变形现象，实践证明本发明是一种简单有效且 测试精准的海床侧向变形与滑动观测方法。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明的辅助船结构示意图。
[0029] 图2是本发明的海底观测系统的结构示意图。
[0030] 图3是本发明的位移观测装置的截面图，
[0031] 其中图3a是纵截面示意图，图3b是横截面示意图。
[0032] 图4是本发明的海床侧向变形与滑动观测方法的流程框图。
[0033] 图5是本发明的一次原位观测结果曲线图。
[0034] 其中，1、辅助船，2、海上钻探装置，3、起吊装置，4、钻杆，5、套管，I、位移测量装 置，II、数据采集密封舱，III、防沉降架，6、刚性杆，7、万向节，8、末端端万向节，9、提拉环， 10、数据采集装置，11、供电装置，12、固定支架，13、防沉降板，14、镂空圆孔，15、密封插件， 16、数据传输线缆，17、防水塑胶套，18、钢丝网套，19、三轴加速度传感器。
【具体实施方式】
[0035] 本发明的海床侧向变形与滑动测量装置主要包括：
[0036] 如图1所示的辅助船1，用于布放和回收海底观测系统，所述控制船1上安装有海 上钻探装置2、起吊装置3、钻杆4,套管5,其中海上钻机装置2、钻杆4、套管5组成钻探系 统，采用下放套管5钻孔的方式可以避免海床土体坍塌，为下放位移测量装置I提供条件；
[0037] 如图2所示，所述的海底观测系统包括位移测量装置I、数据采集密封舱II和防 沉降架III。
[0038] 位移测量装置I是个带数据传输线缆16的杆节组合结构，上述的位移测量装置 I是由一系列长度为50cm的刚性杆6串联组成，刚性杆6可采用高强度轻质量的高分子聚 合物材料，刚性杆6为空心管，供三轴加速度传感器19的数据传输线从中穿过。上述的刚 性杆6与刚性杆6之间通过节点7连接，刚性杆6可绕节点7进行弯曲，节点7可采用有一 定柔韧性的塑胶材料，内部设有一个三轴加速度传感器19,通过三轴加速度传感器19的姿 态变化可计算出各个节点的位移偏量。在靠近线缆端的节点8还附加有一个用于处理三轴 加速度传感器信号的微处理器和用于测量温度变化的温度传感器。在所述的位移测量装置 I靠近线缆端附有提拉环9,用于位移测量装置的回收上拔。
[0039] 数据采集密封舱II是圆柱体空腔，可采用不锈钢材料加工，内设有用于采集并存 储数据的数据采集装置10以及供电装置11 ;
[0040] 防沉降架III是由固定支架12和防沉降板13组成，均可采用不锈钢材料加工，可在 防沉降架III表面喷漆防止海水腐蚀，防沉降板13上设有若干个镂空圆孔14,目的是为减轻 重量以及打捞回收时减轻海床对防沉降板13的粘滞阻力；
[0041] 上述的数据采集密封舱II固定在上述的固定支架12上，且通过密封插件15连接 上述位移测量装置I的数据传输线缆16。
[0042] 如图3所示，刚性杆6与刚性杆6之间由一个节点7相连接，节点7内附加一个三 轴加速度传感器19,三轴加速度传感器19固定在其中