[发明专利]基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法，属于海洋观测技术领域和海洋工程地质领域。

背景技术

在波浪动力作用下海床沉积物内部孔隙水压力不断地发生动态变化，孔隙水压力的动态累积会导致海床沉积物有效正应力下降，容易导致海床液化及海床侧向变形甚至诱发海底滑坡。孔隙水压力原位观测能够有效的反映海底动力地质过程，对于研究海床沉积物在波浪等水动力作用下的动态响应具有重要意义，同时对于地质灾害的有效预测防治起到重要的作用。

在滩浅海进行海床孔隙水压力(以下简称孔压)原位测试中，会遇到孔压计安装、布放等问题，孔压计的安装、布放方法会对实际孔压产生不同程度的影响。在滩浅海地区进行孔压原位观测时，孔压计的埋设方法一般采用钻孔法、静力压入法和钻孔压入法。在实际布放过程中，钻孔法要求孔隙水压力观测系统布放过程中提供钻机，使得孔隙水压力观测成本增高，同时采用钻孔埋设法，通常需要跟进套管或进行泥浆护壁，以避免成孔过程中出现缩孔或坍塌，这种方法操作繁琐；静力压入法往往需要提供巨大的反压，使得布放操作复杂，不能保证探头在土中保持竖直姿态，同时伴有一定的安全隐患。

发明内容

本发明针对现有技术的不足或缺陷，提供一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置与方法，实现对海床孔隙水压力的长期原位观测。

一种基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测装置，其特征在于海床孔隙水压力的观测基于振动液化原理，可以实现对液化海床固结过程以及波浪等水动力下海床孔隙水压力的观测；

所述观测装置包括液化振动装置、孔隙水压力观测系统；

所述液化振动装置包括振动箱和活塞振动系统，振动箱为圆筒形结构，振动箱底部边缘设有防沉降圆盘，防沉降圆盘表面开有一系列排水孔用于释放防沉降圆盘与海床面接触形成的吸力；所述振动箱中间贯穿一根内部中空的护筒，护筒上下两端开口、用于布放过程中保护孔隙水压力观测系统；所述的振动箱底部和护筒之间用透水的柔性材料相连，布放过程中海水通过透水的柔性材料进出振动箱，柔性材料用来传递振动箱中产生的振动压力同时防止海床沉积物进入振动箱；

所述的活塞振动系统包括连接杆、偏心圆盘、振动活塞以及电机；所述电机固定在振动箱内部，所述振动活塞套置在所述护筒外部，其中电机为偏心圆盘的旋转提供动力，从而使偏心圆盘通过连接杆带动振动活塞上下振动；所述振动活塞为一刚性圆盘，且直径小于振动箱的内径以便于振动过程中振动箱内水体流动。

振动活塞上下振动拍击振动活塞下部水体，在海床面形成循环往复的正反压力作用，在这种应力循环作用下海床沉积物逐渐液化；

所述液化振动装置上端连接布放缆，所述电机供电控制线缆与布放缆固定在一起，布放缆作为持力缆与起吊装置相连完成装置的布放；

所述孔隙水压力观测系统包括孔隙水压力观测探杆，孔隙水压力观测探杆内部设有孔隙水压力采集舱、孔隙水压力传感器、顶部设有浮体并连接孔压布放缆。

所述孔隙水压力观测系统可采用现有技术，本发明中探杆总长度为160cm，内部设有5个孔隙水压力传感器，各传感器之间相距25cm；采集舱设置在探杆底部，用于提供电量和数据采集；探杆下端设有锥头，浮体与下端锥头形成一个下重上轻的结构，在布放过程中可确保观测系统始终处于竖直姿态。

利用上述的装置对滩浅海孔隙水压力原位观测的方法，其特征在于依次包括装置的布放步骤、原位观测步骤与转装置的回收步骤，其中所述的布放步骤如下：

1)将孔隙水压力采集舱进行采集频率和采集时长的设置，然后装入孔隙水压力观测探杆内部；

将所述装置搭载于辅助船上，所述的辅助船上设有用于布放的辅助支架、水上控制系统以及起吊装置，所述辅助支架可以通过调节支架底座，调整辅助支架的水平位置；

2)将辅助船开到目标观测点，用起吊装置分别通过布放缆和孔压布放缆将液化振动装置和孔隙水压力观测系统放到海床表面；

3)将布放缆固定在辅助支架上，调整辅助支架底座，使布放缆处于竖直状态；

4)将孔压布放缆跨过辅助支架的滑轮，使孔压布放缆处于拉紧且不受力状态；

5)将电机供电控制线缆与控制系统相连，通过控制系统设定电机的转动频率，打开控制系统上的电源开关使电机开始工作；

6)待海床沉积物液化后孔隙水压力观测系统会自动下沉到海床中，根据孔压布放缆下放长度确定孔隙水压力观测系统是否达到布放深度；待达到布放深度后，关闭电源开关使电机停止工作；