本發(fā)明涉及一種貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿，屬于海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域、海洋工程地質(zhì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在海岸帶地區(qū)，泥沙經(jīng)過河流的遠距離輸運快速沉降并堆積，在海洋水動力(波浪、海流、潮汐等)、土體自重及生物擾動下發(fā)生一系列的動態(tài)變化過程，包括沉積物固結(jié)壓密過程、液化流變過程、侵蝕再懸浮運移過程，在這些過程中伴隨著沉積物的成分、結(jié)構(gòu)、物理力學性質(zhì)和工程地質(zhì)性質(zhì)發(fā)生動態(tài)變化，進而引發(fā)海岸帶侵蝕、港口淤積、海底滑坡、濁流等海洋地質(zhì)災(zāi)害，從而對海上平臺、海底管線、海底電纜等海洋工程設(shè)施造成巨大破壞。

目前，基于聲學、光學、磁力、重力、電阻率等原理的地球物理調(diào)查方法，更側(cè)重于探測，獲取靜態(tài)數(shù)據(jù)，被迫忽視海底邊界層附近沉積物隨時間的動態(tài)變化、能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)交換過程。此外，物探手段探測速度快、范圍廣、深度大，但往往存在一定的探測盲區(qū)，且對于自然事件的過程，特別是細節(jié)的捕捉，其精度也遠遠無法滿足要求。

相對于非接觸式的物探手段，貫入式探桿具有更好的探測效果，且更容易實現(xiàn)長期原位觀測。主流的貫入式探桿，其工作方式與測量原理也截然不同。常見的貫入式探桿包括：光電侵蝕桿、沉積測量桿、電阻率探桿、孔壓探桿。此外，還有如拉曼探針(探桿)、地熱探針(探桿)等一系列貫入式探針。

Lawler設(shè)計了一套光電感應(yīng)探桿(Photo-Electronic Erosion Pin，簡稱PEEP)，當部分插入海床界面的光電感應(yīng)探桿，因沉積物的侵蝕或者淤積造成暴露在太陽光下的光電感應(yīng)傳感器數(shù)量變化時，其電壓值也隨之變化，從而獲取不同位置的海水和沉積物感應(yīng)電壓。

Erlingsson研制出一套沉積測量儀(SEDIMETER)，該儀器是由紅外線傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成，其工作原理基本與PEEP類似。德國ARGUS公司研制了一款邊界層懸浮物剖面測量儀(簡稱ASM)。該儀器可用于觀察水底以上1～2米的空間的沉積物、懸浮物的動態(tài)變化。

Rosenberger設(shè)計開發(fā)了一種自由落體的貫入式電阻率探頭，后來這套電阻率探頭被用來連續(xù)測量了海底面以下4米深度范圍沉積物電阻率。Won設(shè)計了一種在垂向布設(shè)4個環(huán)形電極的探桿，利用Wenner方式測試海底沉積物的視電阻率，后來這種方法被進一步改進應(yīng)用于海床侵蝕和淤積監(jiān)測。賈永剛研發(fā)出了能夠同步自動觀測記錄海床沉積物狀態(tài)-海床面位置-海水泥沙含量的電阻率探桿，能夠?qū)崿F(xiàn)垂向方向上沉積物狀態(tài)、海床面位置和海水泥沙濃度的觀測。

孔壓探桿是當前最受關(guān)注的貫入式探桿之一。美國Sandia國家實驗室、法國海洋開發(fā)研究院(Ifremer)、法國NKE公司、中國海洋大學等單位相繼研發(fā)了一系列海底沉積物孔隙壓力測量探桿，分別在海底滑坡、海底地震、高壓氣液噴出等科學問題的研究中起到重要作用。

然而，目前國內(nèi)外海底沉積物觀測探桿的應(yīng)用，大都為單一指標觀測，而真正針對于沉積物的觀測指標，基本僅限于孔隙水壓力或電阻率。

在一般的長期觀測時間范圍內(nèi)(一般為幾周到幾個月)，海床的土體類型、垂向分層特性等可視為靜態(tài)參數(shù)；沉積物孔隙水壓力、沉積物橫向應(yīng)力、沉積物橫向應(yīng)變可視為從微觀到宏觀的動態(tài)參數(shù)；而沉積物土體強度、海床基承載力、沉積物孔隙度等可視為以靜態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)，并受動態(tài)參數(shù)嚴重影響的復合參數(shù)。

顯然，對于復雜、多樣的海底沉積物，掌握任何的單一指標都無法對其性質(zhì)、變化、機理、過程進行有效的研究。如何直接獲取同步、長期、動態(tài)、多參量的沉積物指標，是目前亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿(以下簡稱“探桿”)，能夠測量沉積物的錐尖阻力、側(cè)摩擦阻力、電阻率隨深度變化情況，并能夠?qū)崟r測量多點沉積物孔隙水壓力(或超孔壓)、沉積物橫向滑移形變的動態(tài)變化過程?；谏鲜鲇^測數(shù)據(jù)，可以分析獲得觀測點的海床土體類型、垂向分層特性、土體強度、海床基承載力、沉積物孔隙度等參數(shù)，實時監(jiān)測沉積物孔隙水壓力、沉積物橫向應(yīng)變與應(yīng)力的動態(tài)變化過程。進而為海上建設(shè)、工程安全、災(zāi)害預警以及科學研究提供服務(wù)。

一種貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿，包括自下向上依次連接的靜力觸探探頭、電阻率測量模塊、變形測量管以及控制艙。

所述的靜力觸探探頭為標準孔壓靜力觸探(CPTU)探頭，包括自下向上依次連接的底部錐尖、靜力觸探主體以及水密接頭I。底部錐尖能夠在勻速貫入過程中測量沉積物對錐尖的阻力；靜力觸探主體能夠在勻速貫入過程中測量沉積物對圓柱體的側(cè)摩擦阻力和孔隙水壓力；頂部水密接頭I能夠為靜力觸探探頭供電、提供觀測參數(shù)，并傳輸觀測數(shù)據(jù)。

所述的電阻率測量模塊自下向上包括依次連接的水密接頭II、電阻率測量模塊主體以及水密接頭III，電阻率測量模塊主體的外周面上等間距分布點電極；水密接頭II與水密接頭I通過內(nèi)圈連接訊號通道，通過外圈的螺紋與密封圈連接以保證密封及剛體強度。其中每個點電極均可作為發(fā)射和接收電極。

所述的變形測量管為管狀結(jié)構(gòu)，包括自下向上依次連接的水密接頭IV、變形橡膠管與光電復合水密接頭V。水密接頭IV與水密接頭III采用螺紋連接，所連接的電纜用于傳輸、控制與供電；變形橡膠管的外壁沿軸向等間距分布有八條應(yīng)力應(yīng)變測量光纖(回路)，分別測量八個方向的應(yīng)力與應(yīng)變，最終通過頂部的光電復合水密接頭V，接入到變形測量管頂部的控制艙中，進行光纖信號的解調(diào)、采集與存儲；當海床發(fā)生橫向滑動時，變形測量管隨之產(chǎn)生大變形，各個方向的光纖會將形變后的光信號發(fā)送到控制艙，解調(diào)后即可得到各個方向的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；在變形橡膠管外壁的兩條測量光纖之間，沿軸向等間距分布有一排透水孔，每個透水孔連接一個嵌入式孔隙水壓力傳感器，所述嵌入式孔隙水壓力傳感器位于變形測量管內(nèi)部；通過嵌入式孔隙水壓力傳感器的壓力測量孔，對不同深度的孔隙水壓力進行測量；光電復合水密接頭V用于與控制艙底部的光電復合水密接頭VI相連。

所述的控制艙內(nèi)部設(shè)有控制采集系統(tǒng)，底部有光電復合水密接頭VI，與變形測量管頂部的光電復合水密接頭V進行光電復合連接。通過從控制艙發(fā)出的控制信號，通過由水密接頭構(gòu)成的總線，將供電、控制等信號分配到變形測量管、電阻率測量模塊以及靜力觸探探頭，并通過總線將數(shù)據(jù)結(jié)果傳送到控制艙進行存儲。

進一步地，所述點電極在電阻率測量模塊主體的外周面上呈兩周排布，每周十個點電極。

進一步地，所述點電極可根據(jù)被測沉積物的電學特征，靈活采用二極法、偶極法、三極法、溫納法等不同探測方法，以獲取最為準確的沉積物電阻率。

進一步地，所述探桿在沉積物中進行原位長期觀測時，觀測數(shù)據(jù)可以采用以水聲傳輸結(jié)合衛(wèi)星傳輸?shù)膶崟r在線工作模式，也可以采用自容存儲的工作模式。

進一步地，如有需要對海洋動力條件進行觀測，可在控制艙頂部搭載自容式波浪、潮汐、海流、濁度傳感器。

本發(fā)明用于海底沉積物的靜力觸探以及長期原位觀測，不僅能夠在貫入過程中測量沉積物的錐尖阻力、側(cè)摩擦阻力、孔隙水壓力、電阻率隨深度的變化情況，還能夠長期觀測不同深度的沉積物孔隙水壓力、沉積物橫向滑移形變的動態(tài)變化過程，進而分析獲得觀測點的海床土體類型、垂向分層特性、土體強度、海床基承載力、沉積物孔隙度等參數(shù)，實時監(jiān)測沉積物孔隙水壓力、沉積物橫向應(yīng)變與應(yīng)力的動態(tài)變化過程。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1.將傳統(tǒng)的CPTU探測有效地轉(zhuǎn)化為包括CPTU探測在內(nèi)的長期原位觀測，增加了不同深度的孔隙水壓力與沉積物形變的動態(tài)變化過程觀測；

2.對比傳統(tǒng)的單一指標長期觀測探桿(比如大量不同類型的孔隙水壓力探桿)，本發(fā)明有效地將變形觀測與孔壓觀測相結(jié)合，并參考靜力觸探提供的背景資料，從不同的角度解讀海床沉積物的動態(tài)變化過程機制，為科學研究與工程建設(shè)提供服務(wù)。

附圖說明

圖1本發(fā)明的多功能海底沉積物原位觀測探桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明的多功能海底沉積物原位觀測探桿各部分示意圖；

圖3本發(fā)明的多功能海底沉積物原位觀測探桿各部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1-3中：1-靜力觸探探頭；2-電阻率測量模塊；3-變形測量管；4-嵌入式孔隙水壓力傳感器；5-控制艙；6-底部錐尖；7-靜力觸探主體；8-水密接頭I；9-水密接頭II；10-電阻率測量模塊主體；11-點電極；12-水密接頭III；13-變形橡膠管；14-透水孔；15-測量光纖；16-水密接頭IV；17-光電復合水密接頭V；18-壓力測量孔；19-光電復合水密接頭VI。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

1、貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿的結(jié)構(gòu)及組裝

如圖1-3所示的貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿，包括自下向上依次連接的靜力觸探探頭1、電阻率測量模塊2、變形測量管3以及控制艙5。

靜力觸探探頭1為標準孔壓靜力觸探(CPTU)探頭，包括自下向上依次連接的底部錐尖6、靜力觸探主體7以及水密接頭I 8。

電阻率測量模塊2自下向上包括依次連接的水密接頭II 9、電阻率測量模塊主體10以及水密接頭III 12，電阻率測量模塊主體10的外周面上排布兩周點電極11，每周等間距分布十個點電極11。

變形測量管3為管狀結(jié)構(gòu)，包括自下向上依次連接的水密接頭IV16、變形橡膠管13與光電復合水密接頭V17。變形橡膠管13的外壁沿軸向等間距分布有八條應(yīng)力應(yīng)變測量光纖(回路)15，其中兩條測量光纖15之間，沿軸向等間距分布有一排透水孔14，每個透水孔14連接一個嵌入式孔隙水壓力傳感器4，嵌入式孔隙水壓力傳感器4位于變形測量管3內(nèi)部，嵌入式孔隙水壓力傳感器4上設(shè)置壓力測量孔18，壓力測量孔18與透水孔14對接。

所述的控制艙5內(nèi)部設(shè)有控制采集系統(tǒng)，底部有光電復合水密接頭VI19。

將靜力觸探探頭1、電阻率測量模塊2、變形測量管3以及控制艙5依次通過水密接頭連接組裝，具體為：水密接頭I 8與水密接頭II 9電連接，傳輸電信號；水密接頭III12與水密接頭IV16電連接，傳輸電信號；光電復合水密接頭V17與光電復合水密接頭VI19進行連接，傳輸光電信號。

2、貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿的布放及回收

將上述組裝好的貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿應(yīng)用于某處海床觀測工作，配備靜力貫入設(shè)備(如靜力觸探平臺等)，船載出海，完成布放準備。布放的方式如下：通過操作甲板控制單元進行貫入過程中的靜力觸探實驗，將該探桿布放到海底沉積物內(nèi)部(使控制艙5位于海床面以上)。在探桿貫入過程中，嚴格按照靜力觸探的工作要求，以2cm/s±10％的勻速，將10cm²的靜力觸探探頭貫入沉積物。在貫入過程中探桿可以獲取該點站位沉積物不同深度的錐尖阻力、側(cè)摩擦阻力、孔隙水壓力、電阻率以及姿態(tài)。

在貫入完成后，回收靜力貫入平臺，將探桿留在沉積物中進行原位長期觀測，該過程可以采用以水聲傳輸結(jié)合衛(wèi)星傳輸?shù)膶崟r在線工作模式，也可以采用自容存儲的工作模式。

在原位長期觀測結(jié)束以后，可以通過水聲釋放器將回收纜釋放至海面，或通過潛水員定位掛纜，由船載吊機對設(shè)備進行回收?；厥胀瓿珊螅x取數(shù)據(jù)，分析海底沉積物動態(tài)變化過程。

3、貫入式多功能海底沉積物原位觀測探桿的觀測過程及原理

上述探桿對海底沉淀物的觀測包括貫入階段的觀測及原位長期觀測。該探桿通過從控制艙5發(fā)出的控制信號，通過由水密接頭構(gòu)成的總線，將供電、控制等信號分配到變形測量管3、電阻率測量模塊2以及靜力觸探探頭1，并通過總線將觀測的數(shù)據(jù)結(jié)果傳送到控制艙5進行存儲。

在貫入過程中探桿的工作過程及原理為：底部錐尖6在勻速貫入過程中測量沉積物對錐尖的阻力，靜力觸探主體7在勻速貫入過程中測量沉積物對圓柱體的側(cè)摩擦阻力和孔隙水壓力，電阻率測量模塊主體10在勻速貫入過程中測量電阻率。因此，探桿貫入過程中可以獲取該點站位沉積物不同深度的錐尖阻力、側(cè)摩擦阻力、孔隙水壓力、電阻率以及姿態(tài)(姿態(tài)通過X、Y兩個水平方向的傾斜角度獲得)。

原位長期觀測工作過程及原理為：變形橡膠管13外壁上的八條應(yīng)力應(yīng)變測量光纖15分別測量八個方向的應(yīng)力與應(yīng)變，并通過頂部的光電復合水密接頭V17接入到變形測量管3頂部的控制艙5中，進行光纖信號的解調(diào)、采集與存儲。當海床發(fā)生橫向滑動時，變形測量管3隨之產(chǎn)生大變形，各個方向的應(yīng)力應(yīng)變測量光纖15會將形變后的光信號發(fā)送到控制艙5，解調(diào)后即可得到各個方向的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。位于變形測量管3內(nèi)部的嵌入式孔隙水壓力傳感器4，通過其上設(shè)置的壓力測量孔18，對不同深度的孔隙水壓力進行測量。因此，在探桿的長期觀測中，能夠獲取探桿觀測范圍內(nèi)不同深度位置的沉積物孔隙水壓力、應(yīng)力、橫向位移等參量的動態(tài)變化過程。

應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。