一種自動升降的無纜式深海底孔隙水壓力長期觀測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自動升降的無纜式深海底孔隙水壓力長期觀測裝置，屬于海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域和海洋工程地質(zhì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]孔隙水壓力(以下簡稱孔壓)是指土壤或巖石中地下水的壓力，該壓力作用于微?；蚩紫吨g，其分為靜孔壓和超靜孔壓?？讐涸诤５淄劣绕湓谏靶院４仓邪缪葜粋€非常重要的角色。目前已知海底孔壓變化會引起許多液化破壞現(xiàn)象，如粉土海床的塌陷、凹坑、粉砂流及構(gòu)筑物基礎(chǔ)周圍的過量沖刷造成石油管架下沉等等。采用孔壓觀測系統(tǒng)進行原位觀測，理論上能夠得到最為真實可靠的數(shù)據(jù)，用于科學研宄或指導工程實踐活動。
[0003]孔壓觀測系統(tǒng)包括孔壓計和采集裝置，用于原位觀測還需要添加輔助回收裝置，還需要輔助布放裝置、實時通訊設(shè)備或外置電源等等。對于孔壓的原位觀測過程，觀測設(shè)備本身技術(shù)已足夠成熟，但適用的布放安裝方法卻始終無法滿足需要。
[0004]對于孔壓觀測系統(tǒng)的布放安裝，目前業(yè)界普遍認可的是鉆孔法、壓入法和鉆孔壓入法。鉆孔法簡而言之就是在海底預定位置打鉆孔到指定深度，放入孔壓計。壓入法是采用電動或液壓設(shè)備，直接將孔壓計強行壓入海床內(nèi)部指定深度。鉆孔壓入法是先在海底打鉆到指定深度之上0.5-lm，然后使用壓入法將孔壓計壓入到指定深度。以上三種情況均可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇靜置或回填鉆孔。
[0005]傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的孔壓觀測系統(tǒng)，和目前所采用的布放安裝方法相配合，布放完成后的最終結(jié)構(gòu)大致相同。為滿足設(shè)備回收要求，傳統(tǒng)方法一般都需要在海床面以上部分預留回收輔助裝置(比如配重、吊鉤、腳架、潛標或者浮標等)。因此，采集裝置也往往置于海床面以上。而孔壓計要埋設(shè)到海床面以下一定深度，并與采集器或回收輔助裝置通過線纜或桿體相連。于是在線纜和桿體的外表面，形成一條無法避免的孔隙水傳導通路，甚至經(jīng)常直達海床表面與海水連通。
[0006]由于孔壓參數(shù)的特殊性，要求測量必須在獨立、密閉的環(huán)境中。傳統(tǒng)方法放大了孔隙水環(huán)境，甚至將其改變?yōu)殚_放環(huán)境，使得采集結(jié)果無法代表目標特性，甚至毫無意義。目前業(yè)界尚無普遍認可的方法解決這一問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是提供一種自動升降的無纜式深海底孔隙水壓力長期觀測裝置，其在原有孔壓觀測系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行改進，以更適應原位觀測之特點。該裝置及其與之配套的水聲/長波通訊器、船載控制器和布放設(shè)備，能夠很好的解決目前孔壓觀測過程中，纜線或桿體外表面的孔隙水通路問題，使孔壓計能夠處于一個密閉穩(wěn)定的環(huán)境中，使得觀測設(shè)備對孔隙水壓力累計和消散的影響盡可能降低，使得原位觀測數(shù)據(jù)符合現(xiàn)場真實情況，更好的為研宄和工程活動服務(wù)。
[0008]一種自動升降的無纜式深海底孔隙水壓力長期觀測裝置，其特征在于該長期觀測裝置是上下兩端分別設(shè)有圓錐形鉆頭的圓柱體形結(jié)構(gòu)，該長期觀測裝置自下向上依次包括下鉆頭、配重、主控艙、浮體材料、上鉆頭和保護架；其中，所述主控艙下部為釋放器，該釋放器通過一個水密接插件與主控艙相連以保持信號通訊和電源供給，且主控艙內(nèi)設(shè)有孔壓傳感器；
[0009]所述的下鉆頭內(nèi)配有獨立電池和測深傳感器，下鉆頭與配重聯(lián)結(jié)為一體；配重上端與主控艙內(nèi)釋放器的可控端采用栓孔結(jié)構(gòu)相連；
[0010]所述主控艙內(nèi)部還安裝有主控電路、水聲/長波通訊裝置、追蹤定位GPS、測深傳感器、電源(包括常規(guī)電源和備用電源)和孔壓信號接入端水密接插件；所述孔壓傳感器信號接入端水密接插件固定于主控艙的側(cè)壁；主控艙頂部通過一根線纜管穿過上方的浮體材料，與上鉆頭相連接，所述線纜管內(nèi)部有用于連接主控艙和上鉆頭的信號纜；
[0011]所述保護架呈圓柱形，且套住上鉆頭，保護架下端固定于主控艙外表面，保護架外表面設(shè)有凸起塊，用于與布放設(shè)備進行卡合。
[0012]所述配重包括一個安裝在下鉆頭上方的柱體，柱體上套有多個配重盤。
[0013]上述自動升降的無纜式深海底孔隙水壓力長期觀測裝置，其特征在于:
[0014]該長期觀測裝置空氣中整體凈重為M，體積為V;配重和下鉆頭空氣中凈重為Hi1,體積為V1;該長期觀測裝置回收時，希望其在海水中的最大上浮速度為VSmax = 2m/s，海水的阻力系數(shù)為k，阻力為F阻；
[0015]用繩纜下放該長期觀測裝置至下鉆頭錐尖到達海床面，此時，該長期觀測裝置浮力為F浮，重力為G，海床面的支撐力一一同時也是下落過程中的凈重力為F。，速度接近于0，阻力可忽略不計；
[0016]則匕=G-F浮=Mg-P gV ;
[0017]回收時，釋放器打開，拋掉配重和下鉆頭，上浮至最大速度VSmax = 2m/s ；
[0018]F上升浮力=F阻 + (G - Gl)，即 P g(V - V1) = k*VSmax+ (Μ - Hi1) *g ；
[0019]上述各個參數(shù)滿足以下兩個關(guān)系式:
[0020]0.2*F浮 <FC〈0.4*F??；
[0021]Pg(V-V1) = k*VSmax+ (Μ - Hi1) *go
[0022]上述自動升降的無纜式深海底孔隙水壓力長期觀測裝置的布放方法，包括
[0023]1.選擇原位觀測站點；
[0024]其特征在于包括以下步驟:
[0025]2.行船將布放系統(tǒng)運到觀測點上方；
[0026]3.先將與船載控制器相連的水聲/長波通訊器通過釋放凱夫拉電纜下放到海床；
[0027]4.再將布放支架套置在該長期觀測裝置外周，通過吊鉤將布放支架和該長期觀測裝置送入海床表面；
[0028]5.船載控制器向該長期觀測裝置送出啟動信號，該長期觀測裝置的下鉆頭開始鉆孔進入沉積物，到達設(shè)定深度后停止運行；
[0029]6.打開吊鉤以將該長期觀測裝置從吊鉤中釋放；
[0030]7.通過纜繩收起吊鉤，從而將布放支架回收，同時收起凱夫拉電纜以回收水聲/長波通訊器，原位布放完成；
[0031]所述的水聲/長波通訊器是用于將船載控制器信號同時轉(zhuǎn)換為水聲信號和長波無線電波信號的裝置，該水聲/長波通訊器包括一個殼體，殼體頂端有凱夫拉電纜接口、水聲收發(fā)源，殼體底端有無線電天線，殼體內(nèi)有水聲通訊器和長波無線電波通訊器；
[0032]所述船載控制器包括通訊控制器、凱夫拉電纜接口、水聲通訊器和長波無線電波通訊器，并通過水聲/長波通訊器對該長期觀測裝置進行控制；布放時，船載控制器與水聲/長波通訊器通過凱夫拉電纜進行連接；
[0033]所述布放設(shè)備包括布放支架和帶有配重的吊鉤，其中，布放支架由上部的圓筒狀護套和下部的四腳架組成，兩者剛性連接；布放時，該長期觀測裝置的頂端固定于所述圓筒狀護套上，且該長期觀測裝置底端下鉆頭的水平高度要高于四腳架的底端高度；所述吊鉤的配重用于穩(wěn)定吊鉤和該長期觀測裝置，同時該配重作為布放支架的上限端，將該長期觀測裝置限制在該配重以下；布放時，吊鉤用于將該長期觀測裝置與布放支架吊入水中，布放完成后，吊鉤將布放支架回收。
[0034]利用上述方法布放之后對該系統(tǒng)回收的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0035]8.行船再次駛到觀測點上方；
[0036]9.通過釋放凱夫拉電纜，將水聲/長波通訊器下放到海床；
[0037]10.通過發(fā)射控制信號啟動釋放器，使該長期觀測裝置除下鉆頭及其配重以外的部分分離，使其上浮，并進行回收；
[0038]11.收起凱夫拉電纜以回收水聲/長波通訊器，回收任務(wù)完成。
[0039]本發(fā)明水聲/長波通訊器的實質(zhì)是一個轉(zhuǎn)接器，其作用是將船載控制器信號同時轉(zhuǎn)換為水聲信號和長波無線電波信號。一方面，聲學通訊在飽和沉積物中