CN110196451A - 一种海床土体液化深度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海床土体液化深度测量装置，包括两个贯入杆，N个固定电极、弹性电极和信号发射器，以及一个信号接收器；其中，固定电极安装在第一贯入杆上，弹性电极安装在第二贯入杆上，弹性电极在自由状态下依靠自身弹力与固定电极接触导通，在贯入到海床内时受海床土体的挤压力而与固定电极分离；N对电极一一对应地串联在N个信号发射器的供电回路中，当信号发射器的供电回路接通时，信号发射器上电运行，向信号接收器发射预定信号，所述信号接收器根据接收到的预定信号确定出海床土体的液化深度。本发明的测量装置可以对海床土体的液化深度实现有效测量，结构简单，方便实施，在任何土质类型的海床土体上均可使用。

Description

一种海床土体液化深度测量装置

技术领域

本发明属于海洋工程地质灾害预测技术领域，具体地说，是涉及一种用于测量海床土体液化深度的装置。

背景技术

海床土体在波浪作用下发生液化是海底常见的一种地质灾害，该类液化从海床表面开始一直向下延伸，最终稳定在某一深度处，或因波浪作用消失而停止。海床土体的液化一般容易发生在松散的粉细砂内，或粘性颗粒含量较少、强度较低的粉土地层内。海床土体液化除了能够引起泥砂悬浮运移之外，还容易诱发一系列的海底工程事故，例如海底管线沉陷、海底斜坡位置可能发生滑坡等灾害。目前，对于海床液化的深度一般采用理论公式计算得到，由于理论公式与实际液化机理往往存在一定程度的差距，因此，不可避免地会产生一定的计算误差。

为了更加可靠、精确地了解到海床随着波浪作用的液化深度，采用仪器装置进行现场实测是最为科学的手段。目前，有研究者采用在海床内埋设孔隙水压力计的方式，通过监测孔压变化来间接地判断出海床土体的液化情况。例如申请号为200510045361.9中国专利，公开了一种利用土力学探头来监测海床液化深度的装置。但是，该装置对于海床土体为粉土等细颗粒土的情况，孔压测量效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海床土体液化深度测量装置，可以对海床土体的液化深度实现有效测量。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种海床土体液化深度测量装置，包括贯入杆、固定电极、弹性电极、信号发射器和信号接收器；其中，所述贯入杆包括两个，分别为第一贯入杆和第二贯入杆，所述第一贯入杆和第二贯入杆在使用过程中并行竖直地贯入到海床土体内，且贯入杆的长度方向与此时的竖直方向一致；所述固定电极包括N个，安装在第一贯入杆上，且沿第一贯入杆的长度方向依次间隔布设，所述N≥2；所述弹性电极包括N个，安装在第二贯入杆上，且沿第二贯入杆的长度方向依次间隔布设；所述N个固定电极和N个弹性电极一一对应构成N对电极，在每一对电极中，所述弹性电极在自由状态下依靠自身弹力与所述固定电极接触导通，在贯入到海床内时受海床土体的挤压力而与所述固定电极分离；所述信号发射器包括N个，连接电源，所述N对电极一一对应地串联在N个信号发射器的供电回路中；所述信号接收器用于与所述N个信号发射器通信，当信号发射器的供电回路接通时，信号发射器上电运行，向信号接收器发射预定信号，所述信号接收器根据接收到的预定信号确定出海床土体的液化深度。

作为所述固定电极的一种优选设计，所述固定电极优选设计成环状电极，套装在所述第一贯入杆上。

作为所述弹性电极的一种优选设计，所述弹性电极优选包括固定片和弹性片，所述固定片安装在所述第二贯入杆上，弹性片的一端连接所述固定片，另一端在自由状态下向远离第二贯入杆的方向延伸并在使用过程中抵靠在所述固定电极上。

为了实现任何土质类型的海床土体都能对弹性片施加足够的挤压力，使弹性片与固定电极分离，本发明优选设计所述弹性片在自由状态下与所述固定片形成夹角α，且90°<α<180°。所述弹性片在贯入到海床内时受海床土体的挤压力而与所述固定电极分离后，优选贴附在所述第二贯入杆的表面。

为了保证两个贯入杆在海床土体中的贯入深度相等，本发明优选在所述第一贯入杆和第二贯入杆的下部且距离贯入杆的底部相同高度的位置处设置限位杆，通过所述限位杆将第一贯入杆和第二贯入杆连接在一起，且限定两个贯入杆之间的距离小于所述弹性片的长度，以保证弹性片在自由状态下能够准确地抵靠在固定电极上。

优选的，N个所述固定电极在所述第一贯入杆上等间距排布，且相邻两个固定电极的间隔距离为0.25m；N个所述弹性电极在所述第二贯入杆上等间距排布，且相邻两个固定片的间隔距离为0.48m，所述弹性片的长度为0.38m。

进一步的，优选将所述电源和信号发射器封装于浮漂内，在使用时借助于浮漂而漂浮于海面，所述固定电极和弹性电极通过电线连接所述电源或信号发射器。

优选的，所述信号发射器的正极优选连接电源的正极，所述信号发射器的负极优选通过电线连接所述弹性电极，所述电源的负极优选通过电线连接所述固定电极，由此构成信号发射器的供电回路。

作为所述海床土体液化深度的两种优选确定方式：

其一是，所述预定信号为信号发射器的编号，在所述编号中包含有深度数据，所述深度数据为串联在信号发射器的供电回路中的弹性电极在海床土体内的贯入深度；所述信号接收器从接收到的预定信号中解析出所述的深度数据，选择数值最大的深度数据作为海床土体的液化深度；

其二是，所述预定信号为信号发射器的编号，所述编号与串联在该信号发射器的供电回路中的弹性电极的编号一致，N个所述弹性电极按照其在海床土体内的贯入深度由浅到深的顺序依次由小到大编号；所述信号接收器从接收到的预定信号中挑选出数值最大的编号，根据数值最大的编号所对应的弹性电极距离海床土体在原始状态下的深度，确定出海床土体的液化深度。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的海床土体液化深度测量装置，在海床土体未发生液化时，各个信号发射器处于断电不工作状态，由此可以节约电源的电能，延长装置连续工作的时长。在海床土体发生液化时，信号接收器可以根据接收到的预定信号判断出是哪些信号发射器上电运行了，进而判断出海床土体已经下降到了哪个固定电极所在的位置，由此便可确定出海床土体的液化深度。这种测量结果获取方式，简单易实现，编程容易，软件设计成本低。并且，本发明的测量装置结构简单，方便实施，在任何土质类型的海床土体上均可使用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的海床土体液化深度测量装置在海底土体未发生液化时的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明所提出的海床土体液化深度测量装置在海底土体发生液化时的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

参见图1、图2所示，本实施例的海床土体液化深度测量装置主要包括贯入杆、弹性电极20、固定电极30、电线40、电源50、信号发射器60、信号接收器70等组成部分。其中，贯入杆包括两个，分别为第一贯入杆11和第二贯入杆12，在使用时用于贯入到海床土体1中。固定电极30包括多个，固定安装在第一贯入杆11上。例如，可以在第一贯入杆11上安装N个固定电极30，N≥2，且沿第一贯入杆11的长度方向L依次间隔布设，图1、图2示出了N=4的情况。弹性电极20的数量与固定电极30的数量相等，安装在第二贯入杆12上，且沿第二贯入杆12的长度方向L依次间隔布设。本实施例利用N个固定电极30和N个弹性电极20构成N对电极（即，N个电极对），在每一个电极对中均包括一个专用的固定电极30和一个专用的弹性电极20。在设计弹性电极20时，应保证每一个电极对中的弹性电极20在两个贯入杆11、12贯入到海床土体1后，若弹性电极20处没有土体1，则弹性电极20处于自由状态，且在自由状态下，弹性电极20能够依靠自身的弹力而自动抵靠在与其配对的固定电极30上，与该固定电极30接触导通，如图2所示；而若弹性电极20处存在海床土体1，则弹性电极20能够在海床土体1的挤压作用力下，同与其配对的固定电极30分离，即，断开二者之间的连接，如图1所示。在每一个弹性电极20和固定电极30上分别连接电线40，通过电线40与电源50或者信号发射器60连接，使N对电极刚好一一对应地串联在N个信号发射器60的供电回路中，利用N对电极的通断来控制N个信号发射器60上电运行或者断电停机。在本实施例中，每一个信号发射器60均与信号接收器70无线通信。在每一个信号发射器60中均预先写入了预定信息，当信号发射器60上电运行后，将保存的预定信息发送至信号接收器70。信号接收器70根据接收到的预定信息即可确定出海床土体的液化深度。

在本实施例中，两个贯入杆11、12优选采用钢管或者高强度的PVC管制成，且底部设计成尖锥状，以便于贯入到海床土体内。优选将管状的贯入杆11、12设计成密封结构，使连接弹性电极20和固定电极30的电线40从贯入杆11、12的密封腔内穿过后，再与安装在贯入杆11、12外表面上的弹性电极20和固定电极30对应连接。

两个贯入杆11、12在贯入海床土体时，应并行且竖直地贯入，即，此时两个贯入杆11、12的长度方向L应与竖直方向一致，且两个贯入杆11、12的贯入深度应相等。为了保证两个贯入杆11、12的贯入深度相等，可以进一步在两个贯入杆11、12的下部且距离其底部相同高度的位置处增设限位杆13，如图1、图2所示。所述限位杆13将两个贯入杆11、12连接在一起，使两个贯入杆11、12可以一起移动，且限定两个贯入杆11、12之间的距离固定，以避免因两个贯入杆11、12之间的距离过大，而导致弹性电极20在自由状态下也无法接触到固定电极30，继而导致测量失败的情况发生。

在本实施例中，所述固定电极30优选采用环形电极，套装在第一贯入杆11上。作为一种优选实施例，所述固定电极30优选采用铜片制成，形成环状，固定安装在第一贯入杆11的外表面上，且优选沿第一贯入杆11的长度方向L等间距间隔排布。相邻两个固定电极30之间的距离优选设计在0.25m左右。

作为所述弹性电极20的一种优选结构设计，本实施例的弹性电极20优选采用弹性铜片制成，包括固定片21和弹性片22。其中，固定片21用于固定安装在第二贯入杆12的外表面上；弹性片22的一端连接固定片21，另一端在自由状态下向远离第二贯入杆12的方向延伸，并使其能够抵靠与其配对的固定电极30上。

在本实施例中，所述弹性片22在其自由状态下优选与固定片21形成一个α夹角，且所述α夹角的角度范围优选设计成90°<α<180°，如图2所示，以保证无论何种土质类型的海床土体1，均能对弹性片22施加足够的挤压力，使弹性片22与固定电极30分离，继而满足电极对在海床土体1下自动断开的设计要求。作为一种优选实施例，本实施例设计弹性片22在受到海床土体1的挤压力时，夹角α增大到180°，即，弹性片22与固定片21处于同一直线位置，以使弹性片22完全贴附到第二贯入杆12的外表面上，如图1所示。

在本实施例中，优选设计所述弹性电极20在第二贯入杆12上等间距间隔排布，且相邻两个弹性电极20的固定片21之间的距离优选设计在0.48m左右。在每一个弹性电极20中，固定片21的长度优选设计成0.1m左右，弹性片22的长度优选设计在0.38m左右，第一贯入杆11与第二贯入杆12之间的距离优选限定在0.3m左右。当弹性片22完全贴附到第二贯入杆12的外表面上时，对于每一个电极对而言，优选设计弹性片22的上边界高出固定电极30的上边界3~5cm，以便于弹性片22在自由状态下抵靠在固定电极30上时，其与固定片21之间的夹角α能够保持在90°~180°之间。

在本实施例的土体液化深度测量装置中还设置有浮漂80，如图1、图2所示，优选将电源50和信号发射器60封装于所述浮漂80内，以使电源50和信号发射器60能够与外界隔绝，保证其工作的安全性和可靠性。在使用过程中，浮漂80承载电源50和信号发射器60漂浮于海面2，电源50和信号发射器60通过电线40与海底的弹性电极20和固定电极30电连接。作为一种优选实施例，可以将N个信号发射器60的正极分别通过N条电线40连接至电源50的正极，将N个信号发射器60的负极分别通过N条电线40与N个弹性电极20一一对应连接，将电源50的负极通过N条电线40与N个固定电极30一一对应连接，由此针对N个信号发射器60便构成了与之一一对应的N条供电回路，且每一条供电回路由一对专用电极进行通断控制。

在本实施例中，所述电线40优选采用具有较高抗拉强度的电缆传输电能。所述电源50优选采用高能蓄电池或者太阳能蓄电池，以延长测量装置连续工作的时长。所述浮漂80优选采用高强度的塑料制成，且优选设计成球形，以便于对电源50和信号发射器60提供足够的浮力。

下面结合图1、图2，对本实施例的测量装置的具体使用方法阐述如下：

利用船只将本实施例的测量装置运输至待测海域，将浮漂80投入海面2，并利用贯入设备将两个贯入杆11、12并行且竖直打入到海床土体1内，两个贯入杆11、12的间距在0.3m左右，弹性电极20的弹性片22应朝向固定电极30的一侧，且所有的弹性电极20和固定电极30均应埋入在海床土体1内，并且贯入土体最浅的一对电极距离土体顶面的距离已知或者紧邻土体顶面。

当弹性电极20被贯入到海床土体1内时，海床土体1对弹性电极20的弹性片22施加向上的挤压力，迫使弹性片22贴附到第二贯入杆12的外表面上，与固定电极30分离，如图1所示的状态。此时，所有的电极对均处于断开状态，导致所有的信号发射器60的供电回路均断开，所有的信号发射器60均处于断电停机状态，以有效节约电源50的电量，延长装置的工作时间。在此期间，信号接收器70没有接收到来自信号发射器60的任何信号，判定当前海床土体1没有发生液化情况。

当遇到台风、风暴潮等风浪较大的天气时，海床土体1从表面开始逐渐向下发生液化，当贯入深度最浅的弹性电极20处的土体液化时，土体对弹性片22施加的挤压力丧失，弹性片22在自身弹性恢复力的作用下弹开，进入自由状态，如图2所示。此时，弹性片22刚好同与其配对的固定电极30接触导通，将与该对电极连接的信号发射器60的供电回路接通，使该信号发射器60上电运行，发射某一频率的无线信号，将其预先保存的预定信号发送给信号接收器70。设计信号接收器70接收该频率的无线信号，进而根据接收到的预定信号确定出海床土体1的液化深度。

基于上述原理，当海床土体1液化达到第二贯入深度的弹性电极20所在的位置时，第二贯入深度的弹性电极20的弹性片22恢复自由状态，并同与其配对的固定电极30接触导通，继而使与该对电极连接的信号发射器60的供电回路接通，控制该信号发射器60上电运行，向信号接收器70发射预定信号，以确定出海床土体1当前的液化深度。

以此类推，直到信号接收器70接收到来自所有信号发射器60发送的预定信号时，表示装置已经不能再继续执行测量任务，需要回收测量装置。

对于信号接收器70根据接收到的预定信号如何确定出海床土体1的液化深度，本实施例提出以下两种优选设计方案：

方案一，设计预定信号为信号发射器60的编号，并设计所述编号包含信号发射器60的代码以及深度数据。所述深度数据为串联在该信号发射器60的供电回路中的弹性电极20在海床土体1内的贯入深度。具体而言，可以规定两个贯入杆11、12在贯入海床土体1时的初始位置，该初始位置应邻近贯入杆11、12的顶部，这样每一个弹性电极20相对于初始位置的距离便是已知的。将每一个弹性电极20相对于初始位置的距离作为该弹性电极20所对应的深度数据，预先写入该弹性电极20所在供电回路的信号发射器60。这样，当信号接收器70接收到该信号发射器60发送的预定信号后，便可从中解析出深度数据。当信号接收器70接收到多个预定信号时，设计信号接收器70从解析出的多个深度数据中，选择数值最大的深度数据作为海床土体当前的液化深度。

方案二，设计预定信号为信号发射器60的编号，并设计所述编号与串联在该信号发射器60的供电回路中的弹性电极20的编号一致。例如，编号为1的弹性电极20其所在的供电回路中的信号发射器60的编号也为1；编号为N的弹性电极20其所在的供电回路中的信号发射器60的编号也为N。将N个弹性电极20按照其在海床土体1内的贯入深度由浅到深的顺序依次由小到大编号，即，贯入深度越浅的弹性电极，其编号越小；贯入深度越深的弹性电极，其编号越大。规定两个贯入杆11、12在贯入海床土体1时的初始位置固定，这样，每一个弹性电极20距离初始位置的高度固定。可以将每一个弹性电极20距离初始位置的高度预先写入到信号接收器70中，并与编号关联保存。当信号接收器70接收到预定信号后，若所述预定信号包括多个，则设计信号接收器70从中挑选出数值最大的编号，根据数值最大的编号查找与其关联保存的高度值，该高度值即为海床土体1当前的液化深度。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海床土体液化深度测量装置，其特征在于，包括：

贯入杆，其包括两个，分别为第一贯入杆和第二贯入杆，所述第一贯入杆和第二贯入杆在使用过程中并行竖直地贯入到海床土体内，且贯入杆的长度方向与此时的竖直方向一致；

固定电极，其包括N个，安装在第一贯入杆上，且沿第一贯入杆的长度方向依次间隔布设，所述N≥2；

弹性电极，其包括N个，安装在第二贯入杆上，且沿第二贯入杆的长度方向依次间隔布设；所述N个固定电极和N个弹性电极一一对应构成N对电极，在每一对电极中，所述弹性电极在自由状态下依靠自身弹力与所述固定电极接触导通，在贯入到海床内时受海床土体的挤压力而与所述固定电极分离；

信号发射器，其包括N个，连接电源，所述N对电极一一对应地串联在N个信号发射器的供电回路中；

信号接收器，其用于与所述N个信号发射器通信，当信号发射器的供电回路接通时，信号发射器上电运行，向信号接收器发射预定信号，所述信号接收器根据接收到的预定信号确定出海床土体的液化深度。

2.根据权利要求1所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，所述固定电极为环状电极，套装在所述第一贯入杆上。

3.根据权利要求2所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，所述弹性电极包括固定片和弹性片，所述固定片安装在所述第二贯入杆上，弹性片的一端连接所述固定片，另一端在自由状态下向远离第二贯入杆的方向延伸并在使用过程中抵靠在所述固定电极上。

4.根据权利要求3所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，所述弹性片在自由状态下与所述固定片形成夹角α，且90°<α<180°；所述弹性片在贯入到海床内时受海床土体的挤压力而与所述固定电极分离后，贴附在所述第二贯入杆的表面。

5.根据权利要求3所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，在所述第一贯入杆和第二贯入杆的下部且距离贯入杆的底部相同高度的位置处设置有限位杆，通过所述限位杆将第一贯入杆和第二贯入杆连接在一起，且限定两个贯入杆之间的距离小于所述弹性片的长度。

6.根据权利要求3所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，

N个所述固定电极在所述第一贯入杆上等间距排布，且相邻两个固定电极的间隔距离为0.25m；

N个所述弹性电极在所述第二贯入杆上等间距排布，且在相邻两个固定片的间隔距离为0.48m，所述弹性片的长度为0.38m。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，所述电源和信号发射器封装于浮漂内，在使用时借助于浮漂而漂浮于海面，所述固定电极和弹性电极通过电线连接所述电源或信号发射器。

8.根据权利要求7所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，所述信号发射器的正极连接电源的正极，所述信号发射器的负极通过电线连接所述弹性电极，所述电源的负极通过电线连接所述固定电极。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，

所述预定信号为信号发射器的编号，在所述编号中包含有深度数据，所述深度数据为串联在信号发射器的供电回路中的弹性电极在海床土体内的贯入深度；

所述信号接收器从接收到的预定信号中解析出所述的深度数据，选择数值最大的深度数据作为海床土体的液化深度。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的海床土体液化深度测量装置，其特征在于，

所述预定信号为信号发射器的编号，所述编号与串联在该信号发射器的供电回路中的弹性电极的编号一致，N个所述弹性电极按照其在海床土体内的贯入深度由浅到深的顺序依次由小到大编号；

所述信号接收器从接收到的预定信号中挑选出数值最大的编号，根据数值最大的编号所对应的弹性电极距离海床土体在原始状态下的深度，确定出海床土体的液化深度。