[发明专利]海底沉积物输运原位测试装置及其使用方法

说明书

本发明公开了一种海底沉积物输运原位测试装置及其使用方法，涉及海洋地质灾害与沉积动力学技术领域，输运通道设有开口向下的闭合通道，输运通道的下端开口用于插入海床沉积物；造流装置设置在输送通道上，用于在输运通道的闭合通道内形成海底稳定层流；加强筋支架设置在输运通道的上方，用于输运通道的布放和/或回收和/或固定。本发明的有益效果是，构建原位闭合状态的环形输运通道，阻挡外界表面波浪等复杂环境影响，比室内模拟海床具有巨大优势；有利于促进沉积物输运过程及其机制分析，对海底沉积物动力学的理论发展有重要的贡献。

技术领域

本发明涉及海洋地质灾害与沉积动力学技术领域，特别是一种海底沉积物输运原位测试装置及其使用方法。

背景技术

一般情况下海底土所受外部荷载为波浪及海流，对土体产生底部作用力，该作用力可分为水平及垂直两部分。水平向剪切力使沉积物逐渐松动继而悬浮，在海流作用下被搬走，由水平向作用造成的沉积物输运是控制海底稳定性的主要原因，沉积物运动造成海底冲刷、淤积。测试海床沉积物的侵蚀率具有重要的科学与工程意义，可以揭示不同搬运机制的作用和影响以及评价区域性和局部性的影响。

测试细粒土侵蚀强度的粘结力仪通过气压驱使仪器内水流动产生具有逐渐增强的喷射水流，水流产生的剪应力作用在土体表面使土再悬浮来模拟冲刷，此装置只能用在岸滩上，对于水下沉积物无能为力。

目前针对不同动态水流条件下沉积物的输运研究主要有以下几种方法，(1)原位试验，在现场直接进行试验，具有时效性且不会扰动土体，最大程度保证其原始状态，但是成本较高。(2)通过重力式、抓斗式取样器等在现场进行采品，将采集的样品带回实验室进行试验测量，由于破坏了沉积物的原始状态，且在运输过程中，外界温度压力湿度等条件的变化对原状土样造成扰动，时间差、操作仪器本身误差等原因，室内试验获得密度、含水量及抗剪强度等物理力学特性与实际情况不符。(3)建立数学模型，模拟沉积物输运机制和海底冲淤演变过程，需要获得潮流和现场沉积物资料，模拟情况也主要基于采集到的样品在实验室内进行试验的数据，例如侵蚀常数这个侵蚀参数合理取值范围在1至3个数量级内浮动，与实际存在较大误差。(4)室内水槽试验，用造波机等造成底部沉积物上方水体运动，从而产生底泥再悬浮。这些方法对上覆水体进行得上下震荡、挤压、水平整体移动，与实际情况差别很大，都未能真实反映出水动力条件，具有很大的局限性，无法研究复杂水动力—沉积物再悬浮—颗粒运移分布之间的定量关系，具有很大的局限性。

沉积物的各种性质的变化均会对临界侵蚀切应力产生一定的影响，原状沉积物的临界侵蚀剪应力与单个影响因素可以确定较好的正负相关性。

综上所述，通过原位试验是一种准确有效的方法，克服了现场各因素之间相互联系相互制约的局限性，可以单独研究某一因素的影响。

发明内容

本发明的目的是为了消除室内试验数据误差，准确测试海床沉积物侵蚀特性，研究在不同强度的海流作用下沉积物的输运特征，设计了一种海底沉积物输运原位测试装置及其使用方法，运用流体动力学基本理论和机械控制理论，确定海床沉积物再悬浮输运的临界剪切应力，填补该领域的空白。通过比较不同流速下悬浮沉积物的浓度与已知底部剪切应力的室内环形水槽中的浓度来校准该装置，在沉积物-水界面处产生恒定的剪切应力，测定临界侵蚀切应力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种海底沉积物输运原位测试装置，包括：输运通道，所述输运通道设有开口向下的闭合通道，所述输运通道的下端开口用于插入海床沉积物，形成闭合水流通道；造流装置，所述造流装置设置在所述输送通道上，用于在所述输运通道的闭合通道内形成海底稳定层流，所述造流装置包括造流拨片、潜水电机和转向器，所述造流拨片设置在输运通道的闭合通道内，所述潜水电机设置在闭合通道外并与造流拨片连接，所述潜水电机和造流拨片的连接处设有转向器；观测单元，所述观测单元设置在所述输运通道的闭合通道内，用于同步测量闭合通道内原位物质参数；以及加强筋支架，所述加强筋支架设置在所述输运通道的上方，用于输运通道的布放和/或回收和/或固定。