CN110749725B - 一种用于海底滑坡质量输运过程监测的测试装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于海底滑坡质量输运过程监测的测试装置及试验方法，属于海洋工程技术领域。基于临界剪切应力启动条件，采用等价模拟方法，提出了用于监测海底滑坡体向水环境输运的测试装置，并根据等价模拟关系和试验标定关系的建立与参数转换，提出了对海底滑坡质量输运过程特征参数有效测试与分析的试验方法。本发明所提出的测试装置可以实时监测海底滑坡体质量输运过程的变化情况，参数获取便捷，数据量丰富；试验方法理论充实，便于推广，有助于海洋工程中滑坡灾害评价和工程设施设计工作；此外，本发明不仅可以应用到海底滑坡运动过程中的质量输运特征研究，还可以应用到海底沙波、海底沉积物再悬浮等海洋地质问题的研究中。

Description

一种用于海底滑坡质量输运过程监测的测试装置及试验方法
技术领域
本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种实验室内海底滑坡特征监测与分析的装置及方法，尤其是用于海底滑坡质量输运过程监测的测试装置及试验方法。
背景技术
海底滑坡是一种发生频繁、影响区域广泛、预测困难的海洋土体灾害，表现为海床土体发生局部或大范围滑动，也是海底沉积物运移的重要地质过程之一。海底滑坡经地震、水合物分解、波浪等因素触发滑动后，在水环境的复杂作用下，其往往表现出阶段性的演化特征，包括：斜坡失稳、块体滑移、泥屑流滑、浊流流动等，所形成的滑坡体通常具有体积大、速度快、滑距长、冲击力强等特征，对海洋平台基础、海底能源管道、电缆、光缆等海洋工程设施具有强烈的破坏作用，例如：1977年3月，美国Texaco公司的一条海底输油管道因海底滑坡冲击而发生破坏，导致大量原油泄漏；2006年，海底滑坡导致吕宋海峡海底光缆断裂，中断了中国与东南亚国家之间通讯长达12小时。因此，分析海底滑坡的运动演化特征对于滑坡灾害评价和工程设施设计而言具有十分重要的意义。
目前，有关海底滑坡运动过程中产生浊流的现象和从固态滑块向浊流体运动演化的原因，主要是因为海底滑坡体与水环境的密度间存在差异，在滑坡体与水环境接触界面处将发生质量传递，该过程通常被称为质量输运。然而，如何量化分析海底滑坡运动过程中的质量输运过程，并给出该过程中的关键特征参数(即质量输运通量，代表单位时间单位面积上的质量输运量，kg/m2·s)，尚无可靠的测试装置与试验方法，不利于海洋工程中对海底滑坡灾害的评价及海底滑坡易发区内工程设施设计的发展。
发明内容
针对当前缺乏有效分析海底滑坡质量输运过程的装置及方法的现状，本发明提出了一种实验室内海底滑坡特征监测与分析的装置及方法，首先基于临界剪切应力启动条件，采用等价模拟方法，提出了一种用于监测海底滑坡体向水环境输运的测试装置；然后，确定出等价模拟关系，并对试验参数进行标定；最后，使用该测试装置开展试验，并根据等价模拟关系和试验标定关系的建立与参数转换，提出了对海底滑坡质量输运过程特征参数有效测试与分析的试验方法。该方法尤其适用于海底滑坡质量输运过程的监测与分析。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于海底滑坡质量输运过程监测的测试装置，包括动力供水部分、水环境部分、测试部分和其他辅助部分。
所述的动力供水部分用于实现水流恒流调速功能，包括储水箱1、变频水泵2、管道4和喷口5，所述的储水箱1内部设有变频水泵2，管道4一端穿过入储水箱1侧面与变频水泵2连接，另一端与喷口5连接，管道4上设有入水阀口3。
所述的水环境部分包括环境水箱7和U型槽8。所述的环境水箱7整体放置于集水箱15上部，集水箱15用于收集出水阀门14流出的浑浊流体。环境水箱7底部设有出水阀门14；环境水箱7内部设有支架13。所述的U型槽8整体置于环境水箱7内的支架13上，且U型槽8底部铺有一层模拟海床面11，海床面11为粗糙材质；U型槽8内放置测试土样10、喷口5。
所述的测试部分包括流量计6、土体电阻率测量装置9和摄像头12，其核心部件为土体电阻率测量装置9，具有供电与电流监测功能，用于实时监测试验过程中测试土样的质量变化情况。所述的流量计6安装在变频水泵2与喷口5的管道4上，土体电阻率测量装置9从侧面***测试土样10内部；所述的摄像头12安装于喷口5、测试土样10的位置。
所述的其他辅助部分包括集水箱15、电脑、支架13、模拟海床面11。
进一步，所述变频水泵2的功率为18～180W，十级变频控制，最大流量15000L/h，最大扬程7m；在变频水泵2控制下，动力供水部分对应水流速度范围：1.16～2.05m/s。
进一步，所述的流量计6采用一种超声波流量计，适用流速测量范围±0.01m/s～±25m/s。
进一步，所述的摄像头的图像分辨率为1920×1080，成像速率为30帧/秒，并作防水处理。
进一步的，所述的电阻率测量装置9通过施加电场内土体所呈现出的电阻差异改变，与土体质量变化间建立联系；采用二相电极法双探针入土测试，所使用的探针式入土测试探头的尺寸为0.02m(长)×0.00125m(直径)，电极间距为0.0185m，该部件的电流测试部分采用数字源表，最小电流测试精度约至1pA，且其也提供供电功能。
一种基于上述测试装置实现的用于海底滑坡质量输运过程监测的试验方法，该试验方法基于临界剪切应力启动条件，采用等价模拟方法，依托该测试装置，并根据等价模拟关系和试验标定关系的建立与参数转换，可以实现对海底滑坡质量输运过程特征参数的有效测试与分析，包含：试验前的确定等价模拟关系、确定试验标定关系，试验中的测试土样制备与铺放、测试装置准备与启动、质量输运过程监测与记录，以及试验后的整理监测数据、获得质量输运通量参数、应用于相关研究及工程设计中，具体为：
(1)在试验之前，需要确定等价模拟关系和试验标定关系，其中等价模拟关系指使用等价模拟方法前后目标分析参数之间的关系，对于本发明所针对的海底滑坡质量输运过程而言，目标分析参数为海底滑坡体土-水接触界面处的质量输运通量，故此处确定等价模拟关系即为质量输运通量参数在等价模拟前后的关系，确定过程采用数值方法，给出等价模拟前后土-水接触界面处的速度场和切应力场结果，再根据质量输运过程发生的临界剪切应力启动条件，便可确定出等价模拟前后的量化关系；试验标定关系为试验中土体电阻率测试结果与质量输运通量参数间的关系，采用土体电阻率测量装置9对二者间转换关系进行标定。
(2)在试验开始后，先开展测试土样制备与铺放，测试土样10制备的主要要求为制备出均匀的、可重复的、符合典型海洋土特征的土样，将其铺放于U型槽8中；然后，开展测试装置准备与启动；最后，通过测试部分对质量输运过程监测与记录。其中，所述的上述测试装置的准备与启动过程为：
首先关紧入水阀口3，向储水箱1内注满水；将测试土样10铺放在U型槽8中；在测试土样10侧面***土体电阻率测量装置9，该装置采用探针式入土测试探头和精确电流记录部件，启动土体电阻率测量装置9进入供电与电流监测工作状态。
其次，关紧出水阀门14，向环境水箱7内注满水，使得测试土样10完全处于水环境之中；然后，启动变频水泵2至目标流速档位，各档位条件下，变频水泵2的工作频率稳定，则储水箱1内的水以某一恒定流速流经管道4，由喷口5喷出，作用于测试土样10，其中水流流速由流量计6实时监测，并打开出水阀门14；随着水流的持续剪切作用，测试土样10与水接触界面处质量输运过程逐渐开始，形成颗粒悬浮浊流，该过程可由摄像头12进行图像监测，其中摄像头具有防水功能；直至土体电阻率测量装置9所形成电场范围内的土样全部流失(即电流不再改变)，停止试验。
最后，整理流量计6、土体电阻率测量装置9和摄像头12记录的各类结果，待集水箱15内水样沉淀干净后，重新注入储水箱1中，循环利用水资源，开展下一组试验。
(3)试验结束后，整理监测数据，根据试验前确定的等价模拟关系和试验标定关系，将监测得到的等价模拟后的土体电阻率测试结果转换为原型结果，获得质量输运通量参数，该参数可以应用于相关研究及工程设计中。
所述的等价模拟方法为将真实状态下动态海底滑坡体在静态水环境中的运动过程，等价模拟为动态水流作用下静态滑坡体的变化过程。基于质量输运过程发生的临界剪切应力启动条件(即一旦海底滑坡体与水环境接触界面处的水流剪切应力大于海洋土体材料的临界剪切应力，则海底滑坡体在土-水接触界面处的土颗粒便会进入水中，形成悬浮浊流)，则土-水接触界面处的质量输运特征等价。
所述的确定等价模拟关系，采用计算流体动力学数值方法，该方法适用于多相流模拟分析，计算软件选用当前商业计算流体动力学数值软件(例如：ANSYS-CFX软件)即可。通过该方法给出等价模拟前后土-水接触界面处的速度场和切应力场结果，再根据质量输运过程发生的临界剪切应力启动条件，便可确定等价模拟前后的量化关系。
所述的确定试验标定关系，其目的是试验中土体电阻率测试结果与质量输运通量参数间的转换。在试验开始前，需采用土体电阻率测量装置对二者间转换关系进行标定，类似标定试验常用于实验室内试验研究中。
本发明的有益效果是：测试装置可以实时监测具有不同流速条件、不同性质的海底滑坡体质量输运过程的变化情况，参数获取便捷，数据量丰富；试验方法理论充实，便于推广，在临界剪切应力启动条件的理论基础上，采用等价模拟方法，依托该测试装置，并根据等价模拟关系和试验标定关系的建立与参数转换，成功实现了对海底滑坡质量输运过程特征参数的有效测试与分析，有助于海洋工程中滑坡灾害评价和工程设施设计工作；此外，该本发明不仅可以应用到海底滑坡运动过程中的质量输运特征研究，还可以应用到海底沙波、海底沉积物再悬浮等海洋地质问题的研究中。
附图说明
图1为本发明的测试装置图；
图2为本发明的试验方法流程图；
图中：1储水箱；2变频水泵；3入水阀口；4管道；5喷口；6流量计；7环境水箱；8U型槽；9土体电阻率测量装置；10测试土样；11模拟海床面；12摄像头；13支架；14出水阀口；15集水箱。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种用于海底滑坡质量输运过程监测的测试装置，如图1所示，包括动力供水部分、水环境部分、测试部分和其他辅助部分，其中，动力供水部分海拔高于水环境部分。所述的动力供水部分用于实现水流恒流调速功能，包括储水箱1、变频水泵2、管道4和喷口5，所述的储水箱1内部设有变频水泵2，管道4一端穿过入储水箱1侧面与变频水泵2连接，另一端与喷口5连接，管道4上设有入水阀口3。所述的水环境部分包括环境水箱7和U型槽8。所述的环境水箱7整体放置于集水箱15上部，集水箱15用于收集出水阀门14流出的浑浊流体。环境水箱7底部设有出水阀门14；环境水箱7内部设有支架13。所述的U型槽8整体置于环境水箱7内的支架13上，且U型槽8底部铺有一层模拟海床面11，海床面11为粗糙材质；U型槽8内放置测试土样10、喷口5。所述的测试部分包括流量计6、土体电阻率测量装置9和摄像头12，其核心部件为土体电阻率测量装置9，具有供电与电流监测功能，用于实时监测试验过程中测试土样的质量变化情况。所述的流量计6安装在变频水泵2与喷口5的管道4上，土体电阻率测量装置9从侧面***测试土样10内部；所述的摄像头12安装于喷口5、测试土样10的位置。所述的其他辅助部分包括集水箱15、电脑、支架13、模拟海床面11。
上述测试装置的准备与启动过程为：首先关紧入水阀口3，向储水箱1内注满水；将测试土样10铺放在U型槽8中，其中U型槽8整体置于环境水箱7内的支架1上，且U型槽底部铺有一层模拟海床面11，海床面11应取用粗糙材质；在测试土样10侧面***土体电阻率测量装置9，该装置应采用探针式入土测试探头和精确电流记录部件，启动土体电阻率测量装置9进入供电与电流监测工作状态。关紧出水阀口13，向环境水箱7内注满水，使得测试土样10完全处于水环境之中；然后，启动变频水泵2至目标流速档位，各档位条件下，变频水泵2的工作频率应稳定，则储水箱1内的水以恒定流速流经管道4，由喷口5喷出，作用于测试土样10，其中水流流速由流量计6实时监测，并打开出水阀门14；随着水流的持续剪切作用，测试土样10与水接触界面处质量输运过程逐渐开始，形成颗粒悬浮浊流，该过程可由摄像头12进行图像监测，其中摄像头应具有防水功能；直至土体电阻率测量装置9所形成电场范围内的土样全部流失(即电流不再改变)，停止试验；最后，整理流量计6、土体电阻率测量装置9和摄像头12记录的各类结果，待集水箱15内水样沉淀干净后，重新注入储水箱1中，循环利用水资源，开展下一组试验。
进一步的，所述的储水箱尺寸为1.4m×0.8m×0.8m，U形槽尺寸为1.0m×0.3m×0.2m，水环境箱尺寸为1.4m×0.7m×0.6m。所述的电阻率测量装置9通过施加电场内土体所呈现出的电阻差异改变，与土体质量变化间建立联系；采用二相电极法双探针入土测试，所使用的探针式入土测试探头的尺寸为0.02m(长)×0.00125m(直径)，电极间距为0.0185m。
一种基于上述测试装置的用于海底滑坡质量输运过程监测的试验方法，如图2所示：
(1)在试验之前，需要确定等价模拟关系和试验标定关系，其中等价模拟关系指使用等价模拟方法前后目标分析参数之间的关系，对于本发明所针对的海底滑坡质量输运过程而言，目标分析参数为海底滑坡体土-水接触界面处的质量输运通量，故此处确定等价模拟关系即为质量输运通量参数在等价模拟前后的关系，确定过程采用数值方法，给出等价模拟前后土-水接触界面处的速度场和切应力场结果，再根据质量输运过程发生的临界剪切应力启动条件，便可确定出等价模拟前后的量化关系；试验标定关系为试验中土体电阻率测试结果与质量输运通量参数间的关系，采用土体电阻率测量装置9对二者间转换关系进行标定。
(2)在试验开始后，先开展测试土样制备与铺放，测试土样10制备的主要要求为制备出均匀的、可重复的、符合典型海洋土特征的土样，将其铺放于U型槽8中；然后，开展测试装置准备与启动，具体实施过程参照前文对图1测试装置的阐述；最后，对质量输运过程监测与记录，监测与记录的装置部件包括流量计6、土体电阻率测量装置9和摄像头12。
(3)试验结束后，整理监测数据，根据试验前确定的等价模拟关系和试验标定关系，将监测得到的等价模拟后的土体电阻率测试结果转换为原型结果，获得质量输运通量参数，该参数可以应用于相关研究及工程设计中。
以上所述的具体实施例对本发明的基本原理、主要特征和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，图1测试装置中各组成部分的具体尺寸和测试部件构成、图2试验方法流程中确定等价模拟参数和试验标定关系的过程等，在不脱离本发明精神和原则的前提下，相应的尺寸改变、过程调整等内容延伸均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于海底滑坡质量输运过程监测的试验方法，其特征在于，所述的试验方法基于临界剪切应力启动条件，采用等价模拟方法；该试验方法基于测试装置实现，并根据等价模拟关系和试验标定关系的建立与参数转换，实现对海底滑坡质量输运过程特征参数的有效测试与分析；
所述的测试装置包括动力供水部分、水环境部分、测试部分和其他辅助部分；
所述的动力供水部分用于实现水流恒流调速功能，包括储水箱(1)、变频水泵(2)、管道(4)和喷口(5)，所述的储水箱(1)内部设有变频水泵(2)，管道(4)一端穿过入储水箱(1)侧面与变频水泵(2)连接，另一端与喷口(5)连接，管道(4)上设有入水阀口(3)；
所述的水环境部分包括环境水箱(7)和U型槽(8)；所述的环境水箱(7)整体放置于集水箱(15)上部，集水箱(15)用于收集出水阀门(14)流出的浑浊流体；环境水箱(7)底部设有出水阀门(14)；环境水箱(7)内部设有支架(13)；所述的U型槽(8)整体置于环境水箱(7)内的支架(13)上，且U型槽(8)底部铺有一层模拟海床面(11)；U型槽(8)内放置测试土样(10)、喷口(5)；
所述的测试部分包括流量计(6)、土体电阻率测量装置(9)和摄像头(12)，其核心部件为土体电阻率测量装置(9)，具有供电与电流监测功能，用于实时监测试验过程中测试土样的质量变化情况；所述的流量计(6)安装在变频水泵(2)与喷口(5)的管道(4)上，土体电阻率测量装置(9)从侧面***测试土样(10)内部；所述的摄像头(12)安装于喷口(5)、测试土样(10)的位置，摄像头(12)具有防水功能；
所述的其他辅助部分包括集水箱(15)、电脑、支架(13)、模拟海床面(11)；
所述的试验方法包括以下步骤：
(1)在试验之前，确定等价模拟关系和试验标定关系；
确定等价模拟关系为质量输运通量参数在等价模拟前后的关系，确定过程采用数值方法，给出等价模拟前后土-水接触界面处的速度场和切应力场结果，再根据质量输运过程发生的临界剪切应力启动条件确定等价模拟前后的量化关系；试验标定关系为试验中土体电阻率测试结果与质量输运通量参数间的关系，采用土体电阻率测量装置(9)对二者间转换关系进行标定；
(2)在试验开始后，开展测试装置准备与启动，通过测试部分对质量输运过程监测与记录；其中，测试装置的准备与启动过程为：
首先，制备关紧入水阀口(3)，向储水箱(1)内注满水；将测试土样(10)铺放在U型槽(8)中；在测试土样(10)侧面***土体电阻率测量装置(9)，启动土体电阻率测量装置(9)进入供电与电流监测工作状态；
其次，关紧出水阀门(14)，向环境水箱(7)内注满水，使测试土样(10)完全处于水环境之中；再打开出水阀门(14)，启动变频水泵(2)至目标流速档位，各档位条件下，变频水泵(2)的工作频率稳定，则储水箱(1)内的水以恒定流速流经管道(4)，由喷口(5)喷出，作用于测试土样(10)，其中水流流速由流量计(6)实时监测；随着水流的持续剪切作用，测试土样(10)与水接触界面处质量输运过程逐渐开始，形成颗粒悬浮浊流，该过程由摄像头(12)进行图像监测；直至土体电阻率测量装置(9)所形成电场范围内的土样全部流失，即电流不再改变，停止试验；
最后，整理流量计(6)、土体电阻率测量装置(9)和摄像头(12)记录的各类结果，待集水箱(15)内水样沉淀干净后，重新注入储水箱(1)中，循环利用水资源，开展下一组试验；
(3)试验结束后，整理监测数据，根据试验前确定的等价模拟关系和试验标定关系，将监测得到的等价模拟后的土体电阻率测试结果转换为原型结果，获得质量输运通量参数。
2.根据权利要求1所述的一种用于海底滑坡质量输运过程监测的试验方法，其特征在于，所述变频水泵(2)的功率为18～180W，十级变频控制，最大流量15000L/h，最大扬程7m；在变频水泵(2)控制下，动力供水部分对应水流速度范围：1.16～2.05m/s。
3.根据权利要求1所述的一种用于海底滑坡质量输运过程监测的试验方法，其特征在于，所述的流量计(6)为超声波流量计，适用流速测量范围±0.01m/s～±25m/s。
4.根据权利要求1所述的一种用于海底滑坡质量输运过程监测的试验方法，其特征在于，所述的电阻率测量装置(9)采用二相电极法双探针入土测试，所使用的探针式入土测试探头的尺寸为长0.02m，直径0.00125m，电极间距为0.0185m，该部件的电流测试部分采用数字源表，最小电流测试精度至1pA，且其也提供供电功能。
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