掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與研究

徐如彥, 沈 寧, 楊青軍, 王俊勤, 李家剛, 劉在科, 吳海京, 張 杰,周楊銳, 任世炎

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2.中海石油(中國(guó))有限公司研究總院, 北京 100027; 3.中海油服物探事業(yè)部工程勘察中心, 天津 300451）

隨著海洋科學(xué)研究、海洋資源開(kāi)發(fā)和國(guó)防事業(yè)不斷發(fā)展的需要, 潛標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。如何改進(jìn)潛標(biāo)的測(cè)量技術(shù)和方法, 已成為廣大海洋科技工作者的共識(shí)[1-2]。

多年來(lái), 海洋漁業(yè)、海洋運(yùn)輸、海洋開(kāi)發(fā)等各種海洋活動(dòng), 是影響海洋環(huán)境連續(xù)觀測(cè)與質(zhì)量的最主要因素,是觀測(cè)儀器設(shè)備受到損壞的禍?zhǔn)字? 又是影響海上潛標(biāo)測(cè)量質(zhì)量以及導(dǎo)致海洋觀測(cè)儀器丟失的主要根源, 特別是在淺海水域, 更是防不勝防、束手無(wú)策。

預(yù)防和解決海洋環(huán)境連續(xù)觀測(cè)的防拖問(wèn)題, 是世界各國(guó)海洋科學(xué)家共同面臨的世紀(jì)難題。針對(duì)淺海區(qū)海上潛標(biāo)、觀測(cè)儀器的損失與破壞, 各國(guó)海洋科學(xué)工作者進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的努力與探討。到目前為止還沒(méi)有一種有效可行的方法。

本研究于2012年, 在世界各國(guó)各種結(jié)構(gòu)潛標(biāo)探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上 , 完成最初樣本, 后經(jīng)不斷改進(jìn)和完善, 從更深層次的角度, 設(shè)計(jì)出了掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置, 該裝置是目前預(yù)防和解決防拖的一種可行方法。有望解決科學(xué)家共同面對(duì)的海洋觀測(cè)防拖疑難問(wèn)題[3-4]。

1 掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理

掩體式防拖框架內(nèi)可容納放置整個(gè)潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。將儀器設(shè)備、釋放器預(yù)置到連載浮體內(nèi)。首先將儀器設(shè)備的高度改造為不超過(guò)40 cm, 然后將連體潛標(biāo)的總體高度設(shè)計(jì)為40 cm。875D型釋放器高度不超過(guò)50 cm; 865A型釋放器需要改造, 它的高度為65 cm, 根據(jù)需要可去除它上端7 cm高的把手, 下端的拖鉤部分, 設(shè)計(jì)為15 cm高的、一頭帶尖的防泥及保護(hù)脫鉤的鋼管, 該鋼管靠掩體的自重沉入海床以下15 cm。因此, 掩體重量視海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件而定。該保護(hù)脫鉤的鋼管已在中國(guó)大部分海域靠自重完成入泥深度至海床下15 cm。

對(duì)儀器外型及框架整體改造后, 防拖儀器、釋放器、整體框架的高度為 40 cm, 潛標(biāo)上面離海底的高度只有40 cm, 從而使?jié)摌?biāo)探測(cè)裝置起到了理想的防拖效果。

該裝置將整套集成潛標(biāo)的測(cè)量系統(tǒng)全部密封在掩體內(nèi), 構(gòu)成掩體式防拖體, 該探測(cè)裝置的浮體內(nèi)可合成美國(guó)產(chǎn)ADCP600型與ADCP300型多譜勒剖面海流計(jì)、水位計(jì)、水溫儀、鹽度儀······等水文測(cè)量?jī)x器?？蛇M(jìn)行淺海區(qū)剖面海流、水位、底層水溫, 鹽度等諸多水文要素的測(cè)量。

該裝置中防拖弧形架子的中間可放置儀器設(shè)備,以達(dá)到盡可能地避免和防止?jié)O船拖網(wǎng)。掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置示意圖見(jiàn)圖1。文獻(xiàn)[5-6]雖然通過(guò)表面浮標(biāo)實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù), 但它是采用有纜浮標(biāo)錨定測(cè)量方式。而本文最大的不同是無(wú)纜繩觀測(cè), 從有纜到無(wú)纜觀測(cè)從根本上改變了測(cè)量方式與方法。

圖1 掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置示意圖Fig.1 Diagram of the anti-dragging blockhouse submerged buoy

2 掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置由掩體式防拖框架、筒體保護(hù)裝置、浮體組件三部分組成(見(jiàn)圖1)。

2.1 掩體式防拖框架

防拖框架分為水泥混凝土與鋼結(jié)構(gòu) 2種, 圓形與方棱形2種。

掩體形狀為弧形, 整個(gè)掩體表層為光滑的, 弧形坡度的角度至少應(yīng)在 40°范圍內(nèi), 最理想效果是35°, 其高度均為40 cm。

2.1.1 掩體式混凝土框架

掩體式混凝土框架由鋼筋混凝土澆注而成?；炷翗?gòu)造框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的預(yù)留空間, 需要根據(jù)浮體的體積而定, 預(yù)留空間可足以容納整套潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。按以上設(shè)計(jì)再澆注水泥、沙子、石子合成混凝土構(gòu)筑而成。

混凝土框架構(gòu)造由基座與掩體二部分組成, 為了運(yùn)輸和裝載方便, 使用時(shí)再用螺栓組成一體。該框架重量視海區(qū)底質(zhì)條件而定, 分別為100, 200, 300 kg, 直至 1 t···不等。

2.1.2 掩體式鋼結(jié)構(gòu)框架

掩體結(jié)構(gòu)構(gòu)造框架可選用各種不同金屬材料制作, 不銹鋼材料為最佳選擇。不銹鋼結(jié)構(gòu)框架外形為弧形, 掩體形狀表面光滑?？蚣軆?nèi)部可容納整套測(cè)量連體潛標(biāo)加載的測(cè)量?jī)x器設(shè)備。鋼結(jié)構(gòu)底部需加配重塊, 用預(yù)制的水泥條塊或預(yù)先預(yù)制好的條形或其他材料作為配重, 固定在框架的底部或周?chē)Ｖ亓靠梢曀詈秃４灿捕榷?。配重?00, 200, 300 kg, 直至 1 t···不等。

2.2 筒體保護(hù)裝置

因掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置中鋼結(jié)構(gòu)框架的配重水泥條塊或水泥板, 基本是處在架子的底部和周?chē)? 鋼結(jié)構(gòu)掩體框架與混凝土掩體框架內(nèi)的剩余空間大于潛標(biāo)浮體外徑, 因此掩體式防拖潛標(biāo)裝置內(nèi)同樣需要采用筒體保護(hù)裝置 。文獻(xiàn)[7-9]使用的是有纜繩錨定浮標(biāo)觀測(cè)、繃緊形單點(diǎn)錨定潛標(biāo)系統(tǒng)測(cè)量方法, 本文是無(wú)纜繩觀測(cè), 從有纜到無(wú)纜觀測(cè)是從根本上改變了測(cè)量方式與方法。

筒體保護(hù)是由不銹鋼板或塑料板制作成的圓柱體、方形體。上端端口是敞開(kāi)式的, 下端端口視地質(zhì)條件而定, 多為半封閉式或封閉式的。根據(jù)測(cè)量潛標(biāo)系統(tǒng)外徑大小預(yù)做一個(gè)大于浮體潛標(biāo)外徑的不銹鋼圓柱體或方形柱體, 以保證儀器設(shè)備處在正常工作狀態(tài)及順利釋放浮出水面。

筒體保護(hù)裝置, 可防止外力對(duì)浮標(biāo)的作用; 避免潛標(biāo)因海區(qū)海床軟泥地質(zhì)而沉降、浮體進(jìn)入軟泥而不能順利升浮; 使儀器設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)釋放裝置順利升浮; 避免潛標(biāo)受掩體式防拖框架內(nèi)壁的阻力及避免釋放器吊鉤掛在鋼結(jié)構(gòu)上面; 因潛標(biāo)受底流、臺(tái)風(fēng)流、內(nèi)波流等的影響, 造成潛標(biāo)測(cè)量裝置傾斜、搖擺、不穩(wěn)定, 以致影響測(cè)量質(zhì)量, 而筒體保護(hù)裝置解決了這些難題。

2.3 浮體組件

2.3.1 浮體組件構(gòu)造

浮體采用玻璃維珠材料制作而成。制作浮體時(shí),首先根據(jù)儀器設(shè)備大小、重量在浮體內(nèi)預(yù)留放置儀器的空間, 然后在浮體內(nèi)加載儀器設(shè)備, 組合成為潛標(biāo)測(cè)量單元。每塊浮體預(yù)制成浮力重為20, 30, 或40 kg···不等的圓柱體或其他柱狀體。使用時(shí), 浮體的數(shù)量視儀器設(shè)備的重量而定。將儀器固定在預(yù)先做好的潛標(biāo)預(yù)留孔內(nèi), 構(gòu)成潛標(biāo)測(cè)量浮體。浮體放置在掩體式混凝土框架或鋼結(jié)構(gòu)框架內(nèi), 見(jiàn)圖2。

2.3.2 潛標(biāo)浮力計(jì)算

潛標(biāo)浮力計(jì)算[10-11]:

r1＝255 mm,r2＝105 mm;r3＝68 mm;r4＝7.5 mm;H＝190 mm

圖2 浮體組件構(gòu)造圖Fig.2 Structure of the floating components

H表示浮體高度。

V表示浮體體積, 單位為kg／m3;P表示潛標(biāo)重量, 單位為 kg;ρ1表示浮體密度,ρ2表示海水密度,ρ1＝500 kg/m3,ρ2＝1 025 kg/m3;F1表示潛標(biāo)浮力, 單位為kg;F0表示浮體的凈浮力;P1表示儀器重量;Fa為浮體減去儀器重量的凈浮力。

由公式(1)至(5)計(jì)算得出, 預(yù)留孔為單釋放器時(shí)潛標(biāo)的凈浮力為29.7 kg。單孔潛標(biāo)系統(tǒng)凈浮力為10 kg。

2.3.3 潛標(biāo)升浮時(shí)間及受力計(jì)算

潛標(biāo)在上浮過(guò)程中, 會(huì)受到重力、浮力、水流作用力。浮力大于重力, 即凈浮力大于0, 則潛標(biāo)上浮;浮力小于重力, 即凈浮力小于 0, 則潛標(biāo)下沉。在潛標(biāo)上浮初期, 在凈浮力作用下潛標(biāo)加速上浮, 為防止?jié)摌?biāo)向上運(yùn)動(dòng), 在潛標(biāo)上必須有一個(gè)力與流體質(zhì)點(diǎn)所施的力大小相等, 方向相反, 這個(gè)力就是上升阻力。隨著速度的增加, 其上升阻力也增加, 最后與凈浮力大小相等, 方向相反, 作用在浮體上的力達(dá)到平衡, 這時(shí), 潛標(biāo)以恒定的速度上升, 直到水面[11]。

潛標(biāo)外形為半球體和圓柱體組合而成, 在上升過(guò)程中, 潛標(biāo)姿態(tài)保持不變, 可認(rèn)為迎流面為近似半球體, 迎流投影面積為球體截面積[11-13],A=πr2,r為潛標(biāo)半徑。

根據(jù)現(xiàn)有潛標(biāo)尺寸及表面材質(zhì), 得知潛標(biāo)的阻力系數(shù)C=0.4。

上升阻力大小為

ν0表示上升速度(m/s);R表示上升阻力(kPa)。極限速度計(jì)算:

當(dāng)潛標(biāo)以恒定速度上升時(shí), 作用力平衡為

B表示浮球浮力。

潛標(biāo)上升極限速度為

根據(jù)本試驗(yàn), 可以計(jì)算出浮球上升的極限速度為0.67 m/s, 即浮球穩(wěn)定上升速度為0.67 m/s。

根據(jù)上述條件, 可以計(jì)算出潛標(biāo)上升時(shí)間,

t表示潛標(biāo)上升時(shí)間;h表示水深。

由上述公式計(jì)算出表1的結(jié)果。

表1 潛標(biāo)不同布放深度的升浮時(shí)間Tab.1 The timing of release of submersible buoy at different depths

3 掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置海上投放與回收

于2014年3~7月在南海(水深100 m), 2014年6~9月在渤海曹妃甸、蓬萊油田開(kāi)發(fā)區(qū)(水深20~40 m)進(jìn)行投放與回收, 本裝置適用于淺海海區(qū)水深230 m且底質(zhì)不是軟泥的、較為平坦的海域。投放與回收是在惡劣的海洋環(huán)境條件下, 無(wú)人值守, 長(zhǎng)期、連續(xù)、自動(dòng)地監(jiān)測(cè)下進(jìn)行的。

3.1 投放

掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置在海上的投放, 可以在漁船、工程船、拖船等上進(jìn)行。先把掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置吊掛在船舷外, 然后讓該裝置自由落體沉入海底。該裝置搭載了釋放器、美國(guó)產(chǎn) 300k ADCP、日本產(chǎn) ELC單點(diǎn)海流計(jì)、水位計(jì)、水溫儀等。也可加配其他測(cè)量?jī)x器。海上投放示意圖見(jiàn)圖3。

3.2 回收

用漁船對(duì)該裝置進(jìn)行回收, 已多次成功回收,有效預(yù)防和解決了測(cè)量?jī)x器受各類船只航行作業(yè)干擾、破壞等難題, 獲取了大量的實(shí)測(cè)剖面海流資料,水位資料, 溫度、鹽度資料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。

平流回收時(shí), 潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)回收升浮時(shí)間約為1 min。在漲、落潮時(shí), 回收升浮時(shí)間約為不超過(guò)2 min。由此看出漲、落潮對(duì)上升時(shí)間和平移距離影響很小,平移距離為20 m左右。

圖3 掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置海上投放示意圖Fig.3 Diagram of deployment of the blockhouse anti-dragging submerged buoy measurement device

該裝置在海上的投放與回收, 均不帶系留繩,是目前國(guó)內(nèi)外潛標(biāo)防拖的一種最佳裝置。該裝置應(yīng)用在中國(guó)海域的淺水區(qū), 在平流、平潮期間回收更為理想。

4 小結(jié)

于2012年完成最初樣本, 后經(jīng)不斷改進(jìn)和完善,從更深層次的角度, 設(shè)計(jì)出了掩體式防拖潛標(biāo)探測(cè)裝置, 到目前為止, 本設(shè)計(jì)是比較理想的。本裝置于 2014年 3~7月在南海(水深 100 m),2014年6~9月在渤海曹妃甸、蓬萊油田開(kāi)發(fā)區(qū)(水深20~40 m)進(jìn)行投放與回收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。本裝置能夠避免被漁網(wǎng)、流網(wǎng)拖走, 可長(zhǎng)期隱蔽在水中, 防拖潛標(biāo)系統(tǒng)可以在惡劣的海洋環(huán)境條件下, 無(wú)人值守, 長(zhǎng)期、連續(xù)、自動(dòng)地對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。具有其他調(diào)查方法無(wú)法代替的作用。本裝置有望解決多年來(lái)海流、潮位、水溫、鹽度測(cè)量剖面懸而未決的難題, 為今后海洋水文環(huán)境觀測(cè)開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的途徑。

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