CN111780710B - 一种海床表层变形滑动长期观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海床表层变形滑动长期观测装置及方法，属于海底观测技术领域。本发明装置包括一个中心测量单元和若干辅助测量单元，通过中心测量单元和辅助测量单元的配合，可测量一定区域范围内海床表层变形滑动位移及滑动方位的定量数据；可实现对海床表层沉积物变形滑动位移与方位的原位长期观测，且具有大范围的测量特征，可测量区域性的海床表层沉积物变形滑动过程。

Description

一种海床表层变形滑动长期观测装置及方法

技术领域

本发明涉及海底观测技术领域，特别涉及一种海床表层变形滑动长期观测装置及方法。

背景技术

海床表层变形滑动是海底蠕变、海底滑坡等系列海洋地质灾害的直观现象，可以反应海底斜坡沉积物的稳定状态。然而，海底斜坡沉积物的稳定性直接关乎海底油气资源的安全开发，这种不稳定可能导致一系列海洋地质灾害链的发生，从而对海底工程设施，特别是油气开发平台、海底油气管道、海底电缆等重要工程设施，带来巨大的危险和损失。

发生海床表层变形滑动的原因，一方面是由于沉积物内部的结构和动力条件的作用，如海底松软沉积物的含水量和粘土含量较多或者天然气水合物分解产生的超压流体等；另一方面是外部条件的作用，如人类工程活动、地震、内波等。

海底蠕变、海底滑坡等海洋地质灾害通常在坡度小于1°的情况下发生，其表层沉积物的变形滑动过程可能是细微而缓慢的。目前，国内外对于滩浅海海底沉积物侧向变形滑动观测技术已相对比较成熟，而对于区域海床表层沉积物的变形滑动观测技术研究甚少。对于表层沉积物的变形滑动观测多是发生后的定性分析，缺乏滑动距离及滑动方向的定量观测。，目前并没有理想的观测方法来直接获取海床表层沉积物变形滑动的演变过程，严重制约了灾害机制的研究和监测预警技术的发展。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种海床表层变形滑动长期观测装置及方法。

本发明的技术方案为：

一种海床表层变形滑动长期观测装置，包括留置部分和回收部分；

留置部分包括一个中心测量单元和若干辅助测量单元；

所述中心测量单元由下至上包括吸力锚、固定在所述吸力锚上的支撑架、固定在所述支撑架上的支撑面板，所述支撑架上固定有止位盘；所述支撑面板上固定有若干主测量柱，主测量柱与辅助测量单元一一对应；

所述主测量柱内设置有能够自动回缩的测量绳盘，所述主测量柱上设置有测量开口，所述测量开口处设有能够测量测量绳移动位移的位移测量单元以及能够测量测量绳移动角度的方位测量单元；

所述辅助测量单元由下至上包括重力锚、固定在所述重力锚上的辅支撑架；所述辅支撑架上固定有辅止位盘；所述主测量柱内的测量绳末端由测量开口穿出后固定于辅支撑架；

回收部分包括浮体材料和主控舱，所述主控舱穿过浮体材料，所述主控舱顶部固定有水声***和信标机；所述浮体材料下部设有与各主测量柱匹配的凹槽，各主测量柱顶部***浮体材料下部的凹槽内；所述主控舱与中心测量单元之间设有能够通过电控分离的连接单元。

作为优选方案，所述测量开口处固定设置竖轴；所述竖轴上分别设有方位传感器安装板和位移传感器安装盘；

所述位移传感器安装盘与竖轴转动连接，所述位移传感器安装盘的边缘固定安装有位移传感器；所述位移传感器安装盘侧边设有螺旋状凹槽；

所述方位传感器安装板与竖轴固定连接，方位传感器通过转轴转动安装于方位传感器安装板；

转轴上固定设置指示杆，指示杆水平设置；所述指示杆固定连接约束件，所述约束件上设有容许测量绳穿过的穿孔；

测量绳绕过位移传感器安装盘侧边的凹槽后穿过约束件上的穿孔，然后由测量开口穿出。

作为优选方案，所述测量开口具有一定开度。

进一步地，各主测量柱上测量开口的开度之和为360°。

作为优选方案，设置3～5个所述主测量柱。

作为优选方案，所述辅支撑架上固定设置辅测量柱，测量绳末端固定于辅测量柱。

作为优选方案，所述连接单元为水密插接件和/或水声释放***；

所述水密插接件由固定于主测量柱上的插接公头以及固定于主控舱底部的插接母头构成；

所述水声释放***包括水声释放器、水声释放器钩锁和弹簧扣；所述弹簧扣固定于支撑面板上；水声释放器固定在主控舱底部，水声释放器钩锁上部与水声释放器连接，水声释放器钩锁下部与弹簧扣连接。

作为优选方案，所述主控舱内设有主控***、数据采集***、数据存储***、状态监测***和供电***；主控***分别与数据采集***、数据存储***、状态监测***、供电***连接；数据采集***与中心测量单元中的各方位测量单元和各位移测量单元通信连接。

进一步地，还包括甲板控制单元，所述甲板控制单元与水声***、信标机、水声释放器通信连接；信标机和水声***均与主控***通信连接。

采用所述装置长期观测海床表层变形滑动的方法，包括步骤：

1)布放

通过主调查船和辅助调查船分别将连有回收部分的中心测量单元以及各辅助测量单元布放到目标点位；各辅助测量单元与中心测量单元之间的初始距均为1km以上；

2)长期观测

各辅助测量单元上的重力锚随着表层沉积物滑动，由方位测量单元测得滑动方位，并由位移测量单元测量滑动位移；滑动方位以及滑动位移数据通过主控舱内的数据采集***采集并由数据存储***存储；

3)回收

将调查船开到回收布放点位，控制所述连接单元断开主控舱与中心测量单元之间的连接，回收部分在浮体材料的作用下上浮至海面，进行装置打捞回收；

4)读取分析数据，确定海床表层变形滑动距离和方位。

本发明的有益效果为：

1、本发明装置可以实现对海床表层沉积物变形滑动位移与方位的原位长期观测，可定量的测量出一定范围内海床表层沉积物的变形程度与滑动方位。

2、本发明装置具有大范围的测量特征，可以测量区域性的海床沉积物变形滑动过程。

3、本发明装置中的回收部分可以进行回收再利用，具有很好的重复利用性，可大大节约观测成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明海床表层变形滑动长期观测装置的结构示意图；

图2为本发明海床表层变形滑动长期观测装置中留置部分的结构示意图；

图3为本发明海床表层变形滑动长期观测装置中回收部分的结构示意图；

图4为测量柱的结构示意图；(图中，a为测量柱的外部结构示意图；b为a中A-A’的横截面结构示意图)；

图5为图4b的部分主视结构示意图；

图6为图5中位移传感器安装盘的结构示意图；

图7为图5中方位传感器安装板、方位传感器的结构示意图；

图8为图5对应部分的具体结构示意图；

图9为本发明装置控制结构框图；

图10为海床表层变形滑动长期观测方法的流程框图；

图11为海床表层变形滑动长期观测装置布放示意图；

图12为海床表层变形滑动长期观测装置回收示意图；

图13为确定海床表层变形滑动距离和方位的原理图。

具体实施方式

本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1-图8所示，一种海床表层变形滑动长期观测装置，包括留置部分(图2)和回收部分(图3)。

如图2(为了附图可以更清晰的显示本发明装置的结构，附图2中仅示出一个辅助测量单元，其余三个辅助测量单元省略)所示，留置部分包括一个中心测量单元和四个辅助测量单元。

中心测量单元最底部为吸力锚16，吸力锚16上部固定连接支撑架14，支撑架14中部固定有止位盘15。支撑架14的上方固定设置支撑面板13。支撑面板13呈长方形，支撑面板13的每个角落附件各设置一个主测量柱11，四个主测量柱11的结构完全相同。主测量柱11通过支架固定安装插接公头10；支撑面板13的中部固定有弹簧扣8。以下以其中一个主测量柱11对其结构进行说明。

主测量柱11中通过尺轴和卷簧设有测量绳盘，测量绳18可自动回缩，类似于卷尺或者伸缩隔离带的自动回缩。主测量柱11上设有测量开口12，如图4所示，测量开口12的开度为90°，四个主测量柱11上的测量开口12均为90°，相当于围绕中心360°范围内均为受测区域。

如图4、图5、图6、图7、图8所示，测量开口12处固定设置竖轴26，竖轴26上设有方位传感器安装板27和位移传感器安装盘28。方位传感器安装板27固定在竖轴26上，即不可转动。而位移传感器安装盘28通过轴承转动安装在竖轴26上，即，位移传感器安装盘28可绕竖轴26转动。

方位传感器安装板27设有轴承安装孔，轴承安装孔通过轴承安装有转轴32，转轴32的轴线与竖轴26的轴线平行；转轴32上固定安装方位传感器31。转轴32上固定连接指示杆24，指示杆24水平设置。指示杆24上固定有约束件25，约束件25竖直设置；约束件25下方设有测量绳穿孔33。

位移传感器安装盘28的最外沿处固定有位移传感器29。位移传感器安装盘28的侧面设有螺旋状凹槽30，测量绳18的自由端绕在螺旋状凹槽30后穿过约束件25上的测量绳穿孔33，最后由测量开口12穿出主测量柱11。

四个辅助测量单元结构完全相同，下面以其中一个辅助测量单元为例对其结构进行说明。

辅助测量单元的最底部为重力锚23，重力锚23固定连接辅支撑架21，辅支撑架21中部设有辅止位盘22。辅支撑架21顶部固定有辅测量柱20，辅测量柱20顶部固定有辅吊环19。由主测量柱11穿出的测量绳18末端固定于辅测量柱20。

如图3所示，回收部分包括浮体材料5和主控舱4，主控舱4穿过浮体材料5，主控舱4顶部固定有水声***2、信标机3和吊环1；浮体材料5下部设有与各主测量柱11匹配的凹槽，各主测量柱11顶部***浮体材料5下部的凹槽。

主控舱4的底部设有水声释放器6，水声释放器6连接水声释放器钩锁7。水声释放器钩锁7与支撑面板13上的弹簧扣8连接。

另外，主控舱4的底部设有四个插接母头9，各插接母头9分别与各主测量柱11上的插接公头10插接；插接母头9与插接公头10为一套水密插接件。

主控舱4内设有主控***、数据采集***、数据存储***、状态监测***和供电***；设置于主控舱4内的姿态传感器和水深传感器与状态监测***连接。

如图9所示，数据采集***与中心测量单元中的各方位传感器和各位移传感器连接；主控***分别与数据采集***、数据存储***、状态监测***、供电***连接。另外，主控***还与信标机、水声***、水声释放器通信连接。

水声***、信标机、水声释放器与甲板控制单元无线连接。

如图10所示，采用装置长期观测海床表层变形滑动的方法，包括步骤：

1)布放

如图11所示，主调查船和辅助调查船到达布放站位，通过主调查船和辅助调查船分别将连有回收部分的中心测量单元以及各辅助测量单元自由落体下放到目标点位；各辅助测量单元与中心测量单元之间的初始距均为1km以上；在吸力锚16、重力锚23和浮体材料5的作用下，观测装置自身充分调整整体姿态。各辅助测量单元与中心测量单元在重力锚和吸力锚作用下，陷入沉积物一定深度后，使得测量尺与海床近乎平行。

观测装置布放过程中，所受外力包括重力、浮力和下降过程中海水阻力。其中，重力向下、浮力向上、海水阻力与运动方位相反。根据伯努利方程，海水阻力与下降速度、装置的应力作用横截面积S(垂向投影面积)有关，装置下降速度越快、应力作用横截面积S越大，海水阻力越大。

为实现上述自动布放，观测装置的各部件需满足以下关系式：

(m₁+m₂)g＝ρg(V₁+V₂)+0.5Cρv₁ ²S (1)

式(1)中，

m₁-回收部整体在空气中的质量，单位kg；

m₂-留置部主观测装置在空气中的质量，单位kg；

g-重力加速度，单位m/s²；

ρ-海水密度，单位kg/m³；

V₁-回收部整体体积，单位m³；

V₂-主观测装置留置部整体体积，单位m³；

c-海水的阻力系数，无量纲；

v₁-主观测装置稳定状态下的匀速下降速度，单位m/s；

s-观测装置的应力作用横截面积(垂向投影面积)，单位m²。

2)长期观测

当海床表层因蠕变、滑坡等原因发生变形滑动时，中心测量单元在吸力锚作用下不动(通过吸力锚16实现)，辅助测量单元在重力锚作用下随表层沉积物缓慢滑动，从而形成稳定的海床表层变形滑动观测***。由方位传感器测得滑动方位，并由位移传感器测量滑动位移；测量绳18的长度变化数据和辅助测量单元的方位变化数据被主控舱4的数据采集***采集并存储在数据存储***中，等待回收。

3)回收

回收方法如图12所示，具体为：

调查船到达布放站位，通过水声定位获取主观测装置在水下的具***置，而后通过水声释放器甲板单元发送信号，打开本观测装置的水声释放器钩锁7，使得弹簧扣8从水声释放器钩锁7上脱落。

弹簧扣8与水声释放器钩锁7分离后，回收装置在浮体材料5的作用下上浮，同时水密接插件插接母头9与插接公头10自然分开，此时，本观测装置的留置部分与回收部分分离；

回收装置上浮至海平面后，信标机3发出定位信号，调整调查船位置，完成回收装置的打捞工作。

观测装置回收过程中，所受外力包括重力、浮力和下降过程中海水阻力。其中，重力向下、浮力向上、海水阻力与运动方位相反。为实现上述自动布放、回收，观测装置的各部件需满足以下关系式：

m₁g+0.5Cρv₂ ²S＝ρgV₁ (2)

式(2)中，

m₁-回收部整体在空气中的质量，单位kg；

g-重力加速度，单位m/s²；

C-海水的阻力系数，无量纲；

ρ-海水密度，单位kg/m³；

v₂-回收过程中回收部匀速上浮速度，单位m/s；

S-观测装置的应力作用横截面积(垂向投影面积)，单位m²；

V₁-回收部整体体积，单位m³。

4)读取分析数据，确定海床表层变形滑动距离和方位。

如图13所示，以其中中心测量单元O与一个辅助测量单元A为例，中心测量单元在吸力锚作用下认为处于O点不动，辅助测量单元A在重力锚作用下随海床表层沉积物变形滑动，当A移动到A′点后，通过获取的测量绳伸缩距离与辅助测量单元方位角数据，可知A-A′距离和θ角的大小。

利用三角形余弦定理c²＝a²+b²-2abcosθ，其中a、b为已知边长，角θ为已知边a、b所夹角，即可计算c的长度。

即：

式(3)中，

OA为初始状态时测量绳的长度；

OA′为变形后测量绳的长度；

θ角为方位传感器测得的角度。

实施例2

与实施例1不同之处在于：设置三个主测量柱和三个辅助测量单元，每个主测量柱上的测量开口的开度为120°。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：包括留置部分和回收部分；

留置部分包括一个中心测量单元和若干辅助测量单元；

所述中心测量单元由下至上包括吸力锚、固定在所述吸力锚上的支撑架、固定在所述支撑架上的支撑面板，所述支撑架上固定有止位盘；所述支撑面板上固定有若干主测量柱，主测量柱与辅助测量单元一一对应；

所述主测量柱内设置有能够自动回缩的测量绳盘，所述主测量柱上设置有测量开口，所述测量开口处设有能够测量测量绳移动位移的位移测量单元以及能够测量测量绳移动角度的方位测量单元；

所述辅助测量单元由下至上包括重力锚、固定在所述重力锚上的辅支撑架；所述辅支撑架上固定有辅止位盘；所述主测量柱内的测量绳末端由测量开口穿出后固定于辅支撑架；

回收部分包括浮体材料和主控舱，所述主控舱穿过浮体材料，所述主控舱顶部固定有水声***和信标机；所述浮体材料下部设有与各主测量柱匹配的凹槽，各主测量柱顶部***浮体材料下部的凹槽内；所述主控舱与中心测量单元之间设有能够通过电控分离的连接单元。

2.如权利要求1所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：所述测量开口处固定设置竖轴；所述竖轴上分别设有方位传感器安装板和位移传感器安装盘；

所述位移传感器安装盘与竖轴转动连接，所述位移传感器安装盘的边缘固定安装有位移传感器；所述位移传感器安装盘侧边设有螺旋状凹槽；

所述方位传感器安装板与竖轴固定连接，方位传感器通过转轴转动安装于方位传感器安装板；

转轴上固定设置指示杆，指示杆水平设置；所述指示杆固定连接约束件，所述约束件上设有容许测量绳穿过的穿孔；

测量绳绕过位移传感器安装盘侧边的凹槽后穿过约束件上的穿孔，然后由测量开口穿出。

3.如权利要求1或2所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：所述测量开口具有一定开度。

4.如权利要求3所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：各主测量柱上测量开口的开度之和为360°。

5.如权利要求1或2所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：设置3~5个所述主测量柱。

6.如权利要求1或2所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：所述辅支撑架上固定设置辅测量柱，测量绳末端固定于辅测量柱。

7.如权利要求1或2所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：所述连接单元为水密插接件和/或水声释放***；

所述水密插接件由固定于主测量柱上的插接公头以及固定于主控舱底部的插接母头构成；

所述水声释放***包括水声释放器、水声释放器钩锁和弹簧扣；所述弹簧扣固定于支撑面板上；水声释放器固定在主控舱底部，水声释放器钩锁上部与水声释放器连接，水声释放器钩锁下部与弹簧扣连接。

8.如权利要求1或2所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：所述主控舱内设有主控***、数据采集***、数据存储***、状态监测***和供电***；主控***分别与数据采集***、数据存储***、状态监测***、供电***连接；数据采集***与中心测量单元中的各方位测量单元和各位移测量单元通信连接。

9.如权利要求8所述海床表层变形滑动长期观测装置，其特征在于：还包括甲板控制单元，所述甲板控制单元与水声*** 、信标机、水声释放器通信连接；信标机和水声***均与主控***通信连接。

10.采用权利要求1所述装置长期观测海床表层变形滑动的方法，其特征在于，包括步骤：

1）布放

通过主调查船和辅助调查船分别将连有回收部分的中心测量单元以及各辅助测量单元布放到目标点位；各辅助测量单元与中心测量单元之间的初始距均为1km以上；

2）长期观测

各辅助测量单元上的重力锚随着表层沉积物滑动，由方位测量单元测得滑动方位，并由位移测量单元测量滑动位移；滑动方位以及滑动位移数据通过主控舱内的数据采集***采集并由数据存储***存储；

3）回收

将调查船开到回收布放点位，控制所述连接单元断开主控舱与中心测量单元之间的连接，回收部分在浮体材料的作用下上浮至海面，完成回收部分的打捞回收；

4）读取分析数据，确定海床表层变形滑动距离和方位。

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