一种深海底孔隙水压力长期观测自动布放系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种深海底孔隙水压力长期观测自动布放系统与方法，属于海洋观测技术领域和海洋工程地质领域。
【背景技术】
[0002]孔隙水压力(以下简称孔压)是指土壤或岩石中地下水的压力，该压力作用于微粒或孔隙之间，其分为静孔压和超静孔压。孔压在海底土尤其在砂性海床中扮演着一个非常重要的角色。目前已知海底孔压变化会引起许多液化破坏现象，如粉土海床的塌陷、凹坑、粉砂流及构筑物基础周围的过量冲刷造成石油管架下沉等等。采用孔压观测系统进行原位观测，理论上能够得到最为真实可靠的数据，用于科学研宄或指导工程实践活动。
[0003]孔压观测系统包括孔压计和采集装置，用于原位观测还需要添加辅助回收装置，还需要辅助布放装置、实时通讯设备或外置电源等等。对于孔压的原位观测过程，观测设备本身技术已足够成熟，但适用的布放安装方法却始终无法满足需要。
[0004]对于孔压观测系统的布放安装，目前业界普遍认可的是钻孔法、压入法和钻孔压入法。钻孔法简而言之就是在海底预定位置打钻孔到指定深度，放入孔压计。压入法是采用电动或液压设备，直接将孔压计强行压入海床内部指定深度。钻孔压入法是先在海底打钻到指定深度之上0.5-lm，然后使用压入法将孔压计压入到指定深度。以上三种情况均可根据现场情况选择静置或回填钻孔。
[0005]传统结构的孔压观测系统，和目前所采用的布放安装方法相配合，布放完成后的最终结构大致相同。为满足设备回收要求，传统方法一般都需要在海床面以上部分预留回收辅助装置(比如配重、吊钩、脚架、潜标或者浮标等)。因此，采集装置也往往置于海床面以上。而孔压计要埋设到海床面以下一定深度，并与采集器或回收辅助装置通过线缆或杆体相连。于是在线缆和杆体的外表面，形成一条无法避免的孔隙水传导通路，甚至经常直达海床表面与海水连通。
[0006]由于孔压参数的特殊性，要求测量必须在独立、密闭的环境中。传统方法放大了孔隙水环境，甚至将其改变为开放环境，使得采集结果无法代表目标特性，甚至毫无意义。目前业界尚无普遍认可的方法解决这一问题。
【发明内容】
[0007]本发明目的是提供一种深海底孔隙水压力长期观测自动布放系统与方法，包括一套在原有孔压观测系统基础上进行改进的、更适应原位观测特点的无缆孔压观测系统，以及与之相配套的原位布放、回收方法。本发明能够很好的解决目前孔压观测过程中，缆线或杆体外表面的孔隙水通路问题，使孔压计能够处于一个密闭稳定的环境中，使得观测设备对孔隙水压力累计和消散的影响尽可能降低，使得原位观测数据符合现场真实情况，更好的为研宄和工程活动服务。
[0008]一种深海底孔隙水压力长期观测自动布放系统，其特征在于该系统包括自动升降孔压计、水声/长波通讯器、船载控制器和布放设备，
[0009]所述的自动升降孔压计是上下两端分别设有圆锥形钻头的圆柱体形结构，该自动升降孔压计自下向上依次包括下钻头、配重、主控舱、浮体材料、上钻头和保护架；其中，所述主控舱下部为释放器，该释放器通过一个水密接插件与主控舱相连以保持信号通讯和电源供给，且主控舱内设有孔压传感器；
[0010]所述的下钻头内配有独立电池和测深传感器，下钻头与配重联结为一体；配重上端与主控舱内释放器的可控端采用栓孔结构相连；
[0011]所述主控舱内部还安装有主控电路、水声/长波通讯装置、追踪定位GPS、测深传感器、电源(包括常规电源和备用电源)和孔压信号接入端水密接插件；所述孔压传感器信号接入端水密接插件固定于主控舱的侧壁；主控舱顶部通过一根线缆管穿过上方的浮体材料，与上钻头相连接，所述线缆管内部有用于连接主控舱和上钻头的信号缆；
[0012]所述保护架呈圆柱形，且套住上钻头，保护架下端固定于主控舱外表面，保护架外表面设有凸起块，用于与布放设备进行卡合；
[0013]所述的水声/长波通讯器用于将船载控制器信号同时转换为水声信号和长波无线电波信号，该水声/长波通讯器包括一个壳体，壳体顶端有凯夫拉电缆接口、水声收发源，壳体底端有无线电天线，壳体内有水声通讯器和长波无线电波通讯器；
[0014]所述船载控制器包括通讯控制器、凯夫拉电缆接口、水声通讯器和长波无线电波通讯器，并通过水声/长波通讯器对自动升降孔压计进行控制；布放时，船载控制器与水声/长波通讯器通过凯夫拉电缆进行连接；
[0015]所述布放设备包括布放支架和带有配重的吊钩，其中，布放支架由上部的圆筒状护套和下部的四脚架组成，两者刚性连接；布放时，自动升降孔压计的顶端固定于所述圆筒状护套上，且自动升降孔压计底端下钻头的水平高度要高于四脚架的底端高度；所述吊钩的配重用于稳定吊钩和自动升降孔压计，同时该配重作为布放支架的上限端，将自动升降孔压计限制在该配重以下；布放时，吊钩用于将自动升降孔压计与布放支架吊入水中，布放完成后，吊钩将布放支架回收。
[0016]所述配重包括一个安装在下钻头上方的柱体，柱体上套有多个配重盘，可以通过增减套在柱体上的配重盘的数量来调整配重的总重。
[0017]所述的水声/长波通讯器壳体底端的无线电天线是一个圆锥形金属块，可以在水声/长波通讯器着底时插入到海底。
[0018]令加工完成的自动升降孔压计空气中整体净重为M，体积为V;配重和下钻头空气中净重为IH1，体积为V1;自动升降孔压计回收时，希望其在海水中的最大上浮速度为VSmax=2m/s，设海水的阻力系数为k(阻力主要与横截面积与速度有关，其他因素可忽略不计，而横截面积为定值，因此可归入k中，因此阻力的变化可认为只与速度有关，经观测，该系数范围在0.3<k<0.45)，阻力为F阻；
[0019]用绳缆下放自动升降孔压计至下钻头锥尖到达海床面，此时，自动升降孔压计浮力为F浮，重力为G，海床面的支撑力一一同时也是下落过程中的净重力为F。，速度接近于0，阻力可忽略不计；
[0020]Fc= G - F 浮=Mg - P gV ；
[0021]回收时，释放器打开，抛掉配重和下钻头，上浮至最大速度VSmax = 2m/s ；
[0022]此时做勾速直线运动，F上升浮力=F阻+ (G - Gl)，即Pg(V-V1) = k*VSmax+ (Μ - Hi1) *g
[0023]通过调整自动升降孔压计中配重和浮体材料的比例，来调整M、m1、V和V1的值，使得以下两式成立；
[0024]0.2*F浮<FC<0.4*F浮；即对于下落过程中的净重力要限定在该范围内以使自动升降孔压计I着底时能够按照所期望的速度，而使速度不会过快或过慢；
[0025]Pg(V-V1) = k*VSmax+(M - 1?)?,即根据设定的上浮最大速度来确定各个参数之间的关系。
[0026]本发明水声/长波通讯器的实质是一个转接器，其作用是将船载控制器信号同时转换为水声信号和长波无线电波信号。一方面，声学通讯在饱和沉积物中的传输距离受其频率、信号强度和沉积物固结状态、压强等因素影响，传输距离从小于一米到几十米不等，所以水声通讯在沉积物中的传输是有可能但无法完全适应的。另一方面，虽然电磁波在水中传播，海水对电磁波能量的吸收作用很强，但对于不同波长的电磁波吸收作用不同。波长越短，在海水中的衰减就越厉害，因此短波几乎无法穿过海水传播。而波长更长的长波、甚长波、超长波在海水中的衰减程度就要小得多，能够进入几十米至几百米的水中，理论上在固体中传输距离会更远。长波通信传输衰减小，稳定可靠，但是通信的频带较窄，只能用于低速通讯。在本发明的设备实际工作时，两种通讯手段同时放出试探信号，并监听回应信号的强度，根据信号强度选择该环境下最合适的通讯通路。水声/长波通讯器整体为长方体外形，此外还有顶端的水密接插口、水声收发源和底端的无线电天线，从结构上将包括通讯控制器、凯夫拉电缆接口、水声通讯器和长波无线电波通讯器。现场布放时，将连有船载控制器的凯夫拉电缆接到水声/长波通讯器的水密接口上，然后将其从船上沉入海底。此时，通讯器的一端为凯芙兰电缆连接船载控制器，另一端通过水声/长波两种通讯手段与自动升降孔压计保存联络，从而实现两者的通讯。
[0027]船载控制器外形如一个方形掌机，面板上有一个液晶屏、方向控制器、确认键和取消键，底端有一个凯夫拉电缆接入端口。船载控制器的作用包括选择水声/长波通讯器的通讯方式、查看水声/长波通讯器的通讯状态、控制自动升降孔压计的上下钻头启停、控制自动升降孔压计释放器的运行、控制自动升降孔压计的孔压传感器工作、查看自动升降孔压计的状态参数、设置孔压采样率、采样间隔、回传数据等。
[0028]辅助布放设备其特征在于包括辅助布放支架、可控吊钩和配重。辅助布放支架由上部的圆筒状护套和下部的四脚架组成，两者采用焊接方式刚性连接。圆形配重中央有一个通孔，可控吊钩之上的吊缆穿过该通孔，一方面用于稳定吊钩和自动升降孔压计，另一方面圆形配重作为辅助布放支架的上限端，将其卡在该位置以下。可控