[發明專利]基于振動液化原理的灘淺海孔隙水壓力原位觀測裝置與方法

有效

• 申請號: 201610289061.3
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105716781B
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 賈永剛;文明征;郭磊;王振豪;劉曉磊;張少同;單紅仙
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01L11/00
• 分類號: G01L11/00
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司37201
• 代理人: 張中南,邱岳

技術領域

本發明涉及一種基于振動液化原理的灘淺海孔隙水壓力原位觀測裝置與方法，屬于海洋觀測技術領域和海洋工程地質領域。

背景技術

在波浪動力作用下海床沉積物內部孔隙水壓力不斷地發生動態變化，孔隙水壓力的動態累積會導致海床沉積物有效正應力下降，容易導致海床液化及海床側向變形甚至誘發海底滑坡。孔隙水壓力原位觀測能夠有效的反映海底動力地質過程，對于研究海床沉積物在波浪等水動力作用下的動態響應具有重要意義，同時對于地質災害的有效預測防治起到重要的作用。

在灘淺海進行海床孔隙水壓力(以下簡稱孔壓)原位測試中，會遇到孔壓計安裝、布放等問題，孔壓計的安裝、布放方法會對實際孔壓產生不同程度的影響。在灘淺海地區進行孔壓原位觀測時，孔壓計的埋設方法一般采用鉆孔法、靜力壓入法和鉆孔壓入法。在實際布放過程中，鉆孔法要求孔隙水壓力觀測系統布放過程中提供鉆機，使得孔隙水壓力觀測成本增高，同時采用鉆孔埋設法，通常需要跟進套管或進行泥漿護壁，以避免成孔過程中出現縮孔或坍塌，這種方法操作繁瑣；靜力壓入法往往需要提供巨大的反壓，使得布放操作復雜，不能保證探頭在土中保持豎直姿態，同時伴有一定的安全隱患。

發明內容

本發明針對現有技術的不足或缺陷，提供一種基于振動液化原理的灘淺海孔隙水壓力原位觀測裝置與方法，實現對海床孔隙水壓力的長期原位觀測。

一種基于振動液化原理的灘淺海孔隙水壓力原位觀測裝置，其特征在于海床孔隙水壓力的觀測基于振動液化原理，可以實現對液化海床固結過程以及波浪等水動力下海床孔隙水壓力的觀測；

所述觀測裝置包括液化振動裝置、孔隙水壓力觀測系統；

所述液化振動裝置包括振動箱和活塞振動系統，振動箱為圓筒形結構，振動箱底部邊緣設有防沉降圓盤，防沉降圓盤表面開有一系列排水孔用于釋放防沉降圓盤與海床面接觸形成的吸力；所述振動箱中間貫穿一根內部中空的護筒，護筒上下兩端開口、用于布放過程中保護孔隙水壓力觀測系統；所述的振動箱底部和護筒之間用透水的柔性材料相連，布放過程中海水通過透水的柔性材料進出振動箱，柔性材料用來傳遞振動箱中產生的振動壓力同時防止海床沉積物進入振動箱；

所述的活塞振動系統包括連接桿、偏心圓盤、振動活塞以及電機；所述電機固定在振動箱內部，所述振動活塞套置在所述護筒外部，其中電機為偏心圓盤的旋轉提供動力，從而使偏心圓盤通過連接桿帶動振動活塞上下振動；所述振動活塞為一剛性圓盤，且直徑小于振動箱的內徑以便于振動過程中振動箱內水體流動。

振動活塞上下振動拍擊振動活塞下部水體，在海床面形成循環往復的正反壓力作用，在這種應力循環作用下海床沉積物逐漸液化；

所述液化振動裝置上端連接布放纜，所述電機供電控制線纜與布放纜固定在一起，布放纜作為持力纜與起吊裝置相連完成裝置的布放；

所述孔隙水壓力觀測系統包括孔隙水壓力觀測探桿，孔隙水壓力觀測探桿內部設有孔隙水壓力采集艙、孔隙水壓力傳感器、頂部設有浮體并連接孔壓布放纜。

所述孔隙水壓力觀測系統可采用現有技術，本發明中探桿總長度為160cm，內部設有5個孔隙水壓力傳感器，各傳感器之間相距25cm；采集艙設置在探桿底部，用于提供電量和數據采集；探桿下端設有錐頭，浮體與下端錐頭形成一個下重上輕的結構，在布放過程中可確保觀測系統始終處于豎直姿態。

利用上述的裝置對灘淺海孔隙水壓力原位觀測的方法，其特征在于依次包括裝置的布放步驟、原位觀測步驟與轉裝置的回收步驟，其中所述的布放步驟如下：

1)將孔隙水壓力采集艙進行采集頻率和采集時長的設置，然后裝入孔隙水壓力觀測探桿內部；

將所述裝置搭載于輔助船上，所述的輔助船上設有用于布放的輔助支架、水上控制系統以及起吊裝置，所述輔助支架可以通過調節支架底座，調整輔助支架的水平位置；

2)將輔助船開到目標觀測點，用起吊裝置分別通過布放纜和孔壓布放纜將液化振動裝置和孔隙水壓力觀測系統放到海床表面；

3)將布放纜固定在輔助支架上，調整輔助支架底座，使布放纜處于豎直狀態；

4)將孔壓布放纜跨過輔助支架的滑輪，使孔壓布放纜處于拉緊且不受力狀態；

5)將電機供電控制線纜與控制系統相連，通過控制系統設定電機的轉動頻率，打開控制系統上的電源開關使電機開始工作；

6)待海床沉積物液化后孔隙水壓力觀測系統會自動下沉到海床中，根據孔壓布放纜下放長度確定孔隙水壓力觀測系統是否達到布放深度；待達到布放深度后，關閉電源開關使電機停止工作；