重力活塞取樣器貫入深度研究

杜 星，孫永福，胡光海，宋玉鵬

(國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

重力活塞取樣器貫入深度研究

杜 星，孫永福，胡光海，宋玉鵬

(國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

重力活塞取樣器是一種重要的海底連續(xù)沉積物采集儀器，貫入深度和樣品質(zhì)量對(duì)海洋地質(zhì)研究有著重要影響。通過(guò)對(duì)重力活塞取樣器貫入過(guò)程建立能量守恒方程，得出貫入深度控制方程。已知取樣器參數(shù)和土質(zhì)類型條件，可計(jì)算取樣管貫入深度，深度受取樣器重量、體積、形狀、取樣管直徑和沉積物類型等因素共同影響。已知取樣器參數(shù)和貫入深度，可推測(cè)海底沉積物類型。

重力活塞取樣器；能量守恒；貫入深度；摩擦系數(shù)

Abstract:Gravity piston corer is an important equipment for seabed sediment collection.Penetration depth and sediment quality have important effects on marine geology study.A penetration depth control equation is obtained by building up an equation of energy conservation based on the process of gravity piston corer penetration.This equation can calculate penetration depth when corer parameters and sediment type are available.Penetration depth is affected by the dead weight,volume,shape,diameter of the corer and sediment type.It can also be uesd to speculate about the sediment type when corer parameters and penetration depth are available.

Keywords:gravity piston corer; energy conservation; penetration depth; coefficient of friction

海底沉積物是海洋科學(xué)研究的基礎(chǔ)，作為一種重要的海洋環(huán)境變化記錄載體，無(wú)論在海洋科學(xué)研究還是海洋工程地質(zhì)勘察中都具有重要的作用。因此，如何獲得深海沉積物，尤其是超長(zhǎng)、連續(xù)、無(wú)擾動(dòng)的沉積物柱狀樣品，是深入開(kāi)展科學(xué)研究必不可少的重要環(huán)節(jié)[1]。

重力取樣器主要用于海底沉積物的連續(xù)取樣，是一種普遍采用的非可控式取樣器[2]。由于重力取樣器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便以及取樣成本較低等優(yōu)點(diǎn)[3]，在海底取樣過(guò)程中起到了重要的作用，獲得深海超長(zhǎng)連續(xù)沉積物樣品一度成為海洋研究的熱點(diǎn)[4]。但是取樣器貫入時(shí)，由于取樣管長(zhǎng)度和實(shí)際貫入能力不符，過(guò)長(zhǎng)容易導(dǎo)致取樣管折斷，過(guò)短導(dǎo)致不能取得最大長(zhǎng)度的連續(xù)樣品。如何能提前對(duì)貫入深度作出準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)，提高取樣器的效率，是重力取樣亟需解決的問(wèn)題。

結(jié)合取樣器受力分析，建立能量守恒方程，得出了取樣器貫入深度控制方程。并且使用實(shí)際海上資料進(jìn)行驗(yàn)證。

1 重力活塞取樣器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1重力取樣器結(jié)構(gòu)

圖1 重力活塞取樣器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of gravity piston corer

重力取樣器是一種依靠自重取樣的儀器，大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，樣式多變。根據(jù)不同的取樣需求可以加工成特殊需求的取樣器，但其基本原理都是相同的。目前一種廣泛應(yīng)用的高效率取樣器為Kellenberg型重力活塞取樣器(圖1)，主要由配重、取樣管、刀頭、活塞、釋放器等組成。

配重倉(cāng)一般由鋼材制作，內(nèi)含配重鉛塊。取樣管外壁為不銹鋼管，內(nèi)襯管一般為PVC管，內(nèi)襯管可在取樣結(jié)束后取出。刀頭具有切割沉積物的作用。同時(shí)還有單向的閉合“花瓣”裝置：取樣時(shí)閉合裝置打開(kāi)；取樣結(jié)束后向上拉起取樣器時(shí)，閉合裝置關(guān)閉，保護(hù)沉積物不流失?；钊麨榭上鄬?duì)取樣管向上移動(dòng)、產(chǎn)生負(fù)壓的裝置。傳統(tǒng)釋放器由配重錘、杠桿、纜繩組成。當(dāng)配重錘觸底時(shí)，杠桿失去平衡釋放纜繩，取樣器自由下落。

1.2取樣器工作原理

整個(gè)取樣過(guò)程如圖2所示[5]，首先取樣器由纜繩連接，自船體釋放下落(圖2(a))。下落至距離海底一定高度時(shí)，負(fù)重錘觸底，觸發(fā)器釋放，取樣器自由下落直至接觸海底(圖2(b))。取樣器接觸海底時(shí)，連接活塞的纜繩應(yīng)達(dá)到最大長(zhǎng)度。當(dāng)取樣器貫入沉積物時(shí)，活塞相對(duì)取樣管向上運(yùn)動(dòng)，使管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓(圖2(c))。取樣結(jié)束后，收起纜繩，回收取樣器(圖2(d))。

圖2 重力活塞取樣器取樣過(guò)程Fig.2 Coring process of gravity piston corer

2 取樣器貫入深度計(jì)算

2.1貫入原理

重力式取樣器即重力取樣器主要用于海底沉積物的取樣，其基本原理是取樣器靠自身的重力作用貫入海底，取得近似于貫入深度的海底沉積物樣品，貫入深度取決于海底的硬度和取樣器的結(jié)構(gòu)形狀與配重[5]。取樣器整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可看做不同能量間的轉(zhuǎn)換，遵循能量守恒原理。李民剛等[6]建立了從取樣器觸底到完全靜止過(guò)程的能量守恒方程，考慮到取樣器動(dòng)能、重力勢(shì)能和外壁摩擦做功的能量守恒，一定程度上反映了取樣器貫入過(guò)程的能量變化。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算取樣器貫入深度，可以在此基礎(chǔ)上詳細(xì)地分析取樣器受力及做功，建立更完整的能量守恒方程。

其中，A為外壁摩擦力做功；Ep為重力勢(shì)能；Ek為動(dòng)能。

2.2貫入深度計(jì)算

取樣器在從接觸海底沉積物直到完全停止，所受力為ΔF=G-(Fi+Fo+Fc+FB+FD)[7]。其中，G為取樣器自重；Fi為內(nèi)壁摩擦力；Fo為外壁摩擦力；Fc為刀頭切割沉積物阻力；FB取樣器在水中的浮力；FD海水對(duì)取樣器的拖拽力。取樣器受力關(guān)系如下(圖3)：

考慮重力勢(shì)能、動(dòng)能、內(nèi)壁摩擦做功、外壁摩擦做功和刀頭切割做功，暫不考慮拖拽力做功。根據(jù)能量守恒，從取樣器初始接觸沉積物至取樣器貫入最大深度并靜止列出方程：

其中，Ep為重力勢(shì)能；Ek為動(dòng)能；Wi為取樣管內(nèi)壁摩擦做功；Wo為取樣管外壁摩擦做功；Wc為刀頭切割做功。

2.2.1 重力勢(shì)能

取樣器在重力和海水浮力的共同作用下向下貫入，不考慮取樣管體積則重力勢(shì)能為：

式中：m為取樣器質(zhì)量；ρ為海水密度；v1為取樣器體積；l為貫入深度。

2.2.2 動(dòng) 能

由前人研究得知，釋放取樣器使其自由落體，下沉約6、7米后即可達(dá)最大速度，并不會(huì)隨海水深度增加而增大速度[8]，當(dāng)取樣器達(dá)到最大下落速度時(shí)，速度v有如下關(guān)系：

式中：ρc為取樣器密度；ρw為海水密度；CD為海水對(duì)取樣器阻力系數(shù)，取1；S為取樣器最大水平截面積。

取樣器動(dòng)能為：

2.2.3 內(nèi)、外壁摩擦做功

取樣器內(nèi)壁與沉積物摩擦，摩擦力[7]為：

則內(nèi)壁摩擦做功：

同理，外壁摩擦做功：

其中，Js為側(cè)壁黏滯阻尼因子；v為貫入速度；Di為內(nèi)壁直徑；αi為內(nèi)壁摩擦系數(shù)(0.3～0.6)；Do為外壁直徑；αo為外壁摩擦系數(shù)(0.3～0.6)。

2.2.4 刀頭切割做功

刀頭受力[7]為：

做功為：

式中：Dc為刀頭外徑；αc為刀頭摩擦系數(shù)；θ為刀頭角度；k為系數(shù)，τc=k(1+1.3l)。

2.2.5 能量守恒方程

將式(3)、(5)、(7)、(8)、(10)代入(2)，整理得：

結(jié)合式(4)和(11)，可求出取樣器貫入深度l。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)方法

1) 將實(shí)際取樣器參數(shù)代入式(4)與(11)，根據(jù)方程計(jì)算出理論貫入深度；

2) 當(dāng)取樣器參數(shù)(質(zhì)量、體積、取樣管直徑)確定時(shí)，分別作出貫入深度隨沉積物參數(shù)(摩擦系數(shù)與k)變化的趨勢(shì)線；

3) 將實(shí)際海上取樣數(shù)據(jù)代入計(jì)算趨勢(shì)圖中檢驗(yàn)；

4) 定量分析實(shí)際數(shù)據(jù)與計(jì)算值的偏差率。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分別來(lái)源于2006至2011年廣州的幾個(gè)海洋地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目[7]，以及國(guó)家海洋局第一海洋研究所某調(diào)查航次[6]。表1和表2分別為兩個(gè)取樣器在不同航次的取樣數(shù)據(jù)。海水密度ρ取1.025×103kg/m3，取樣器密度為11.3×103kg/m3，黏滯阻尼因子Js為1.516×10-6kPa·s，刀頭交角θ取30°，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[9]，令αo取0.3～0.6(表3)，αi=αo-0.1，k=30αo-8。則當(dāng)取樣器參數(shù)確定時(shí)，取樣深度隨著沉積物參數(shù)改變。

表1 重力活塞取樣器實(shí)際貫入深度(取樣一)Tab.1 Practical penetration depth of gravity piston corer

表2 重力活塞取樣器實(shí)際貫入深度(取樣二)Tab.2 Practical penetration depth of gravity piston corer

表3 外壁摩擦系數(shù)Tab.3 Coefficient of friction between sediment and outer surface

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照取樣器參數(shù)不同，將數(shù)據(jù)整理為3類，每一類均為相同配重的同一取樣器，只有沉積物參數(shù)不同。對(duì)三組數(shù)據(jù)按照式(4)和(11)對(duì)取樣器貫入深度進(jìn)行計(jì)算，擬合出貫入深度趨勢(shì)線。將實(shí)際數(shù)據(jù)按坐標(biāo)投影到相對(duì)應(yīng)的圖中(圖4所示)。表4給出了具體的計(jì)算數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)與實(shí)際貫入深度的偏差量。

圖4 不同配重取樣器實(shí)際貫入深度與計(jì)算深度比較Fig.4 Comparison between actual and calculated penetration depth at m=1 300 kg,1 500 kg,1 800 kg

表4 實(shí)際和計(jì)算貫入深度數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Data of actual & calculated penetration depths

(續(xù)表)

4 討 論

對(duì)重力活塞取樣器取樣的過(guò)程受力分析，將每個(gè)力均轉(zhuǎn)化成能量的形式，并根據(jù)能量守恒原理建立了貫入深度控制方程。通過(guò)代入?yún)?shù)計(jì)算可得到貫入深度計(jì)算值。計(jì)算貫入深度與實(shí)際深度相比總體趨勢(shì)一致。文中提出的公式能較為準(zhǔn)確地計(jì)算重力活塞取樣器的取樣深度。取樣器參數(shù)確定時(shí)，貫入深度隨著海底沉積物的摩擦系數(shù)增大而減小，計(jì)算值與實(shí)際貫入深度具有良好的一致性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，砂土與取樣管外壁摩擦系數(shù)為0.5～0.6；粉土為0.4～0.5；黏性土為0.3～0.4。確定取樣器的各參數(shù)，根據(jù)研究區(qū)的底質(zhì)類型可進(jìn)行貫入深度預(yù)測(cè)。在不確定底質(zhì)類型的條件下，取樣器的貫入深度也可以一定程度上反映底質(zhì)類型。不同的貫入深度體現(xiàn)了不同的摩擦系數(shù)，反映了不同的底質(zhì)類型。

理論值與實(shí)際值差值受到取樣器設(shè)計(jì)本身、取樣操作過(guò)程、天氣條件[10]、海底地質(zhì)特征等影響。其中，取樣器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)取樣深度有著最重要的影響。相同質(zhì)量時(shí)，取樣器體積、最大橫截面積越小、取樣管壁薄、形狀越能減小水中阻力，越易獲得更大的取樣深度。受材料密度影響，體積變化范圍有限，可考慮將配重倉(cāng)縱向拉長(zhǎng)以減小橫截面積?？紤]取樣管強(qiáng)度影響，管壁強(qiáng)度需大于其受力。在保證強(qiáng)度足夠的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減小管壁厚度。取樣器形狀應(yīng)盡量具有減小水阻力的作用，可考慮將傳統(tǒng)的圓柱體配重倉(cāng)做成流線型。取樣過(guò)程中操作的規(guī)范程度、熟練程度都會(huì)影響最后的貫入深度。惡劣的氣候條件會(huì)對(duì)取樣造成很大的影響。作業(yè)船在深海取樣時(shí)無(wú)法拋錨，若有大風(fēng)浪則會(huì)致使取樣器受纜繩的拖拽嚴(yán)重。海底沉積物復(fù)雜多樣，而公式將其當(dāng)作均一沉積物進(jìn)行計(jì)算，會(huì)產(chǎn)生一定誤差。

造成其數(shù)值偏大的可能原因有：1) 實(shí)際末速度達(dá)不到理論最大速度；2) 取樣器還受到海水拖拽力的影響，速度越大阻力越大；3) 取樣器與沉積物碰撞有能量損耗；4) 樣品在取樣管內(nèi)受到一定壓縮，實(shí)際貫入深度大于樣品長(zhǎng)度。實(shí)際海上取樣時(shí)，釋放器預(yù)留纜繩長(zhǎng)度為經(jīng)驗(yàn)值，不同海況條件時(shí)較難達(dá)到理論最大速度值，末速度偏小則導(dǎo)致實(shí)際貫入深度偏小。取樣器在貫入時(shí)，仍受到海水拖拽力。拖拽力做功消耗貫入能量，導(dǎo)致貫入深度變小。取樣器剛接觸海底沉積物時(shí)，碰撞會(huì)損耗部分能量，導(dǎo)致貫入深度變小。實(shí)際資料的貫入深度值均為通過(guò)樣品的長(zhǎng)度推導(dǎo)得到。重力取樣器的樣品在取樣管內(nèi)會(huì)受到不同程度的變形，有的受到壓縮致使其長(zhǎng)度小于實(shí)際貫入深度[5]，有的受到拉伸致使樣品長(zhǎng)度略大于貫入深度。實(shí)際貫入數(shù)據(jù)的偏差導(dǎo)致與計(jì)算值有一定的差異。

實(shí)際出海所得貫入深度數(shù)據(jù)較少，且部分參數(shù)缺失，缺失的參數(shù)文中按照經(jīng)驗(yàn)賦值，對(duì)結(jié)果的精確性造成了一定影響。為進(jìn)一步研究取樣器貫入深度公式，應(yīng)制作取樣器模型，做大量有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步探究貫入深度與末速度、取樣器質(zhì)量、沉積物類別等因素的關(guān)系。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)提出的重力活塞取樣器貫入深度控制方程經(jīng)檢驗(yàn)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致性良好，可以預(yù)測(cè)取樣器貫入深度。

2)重力活塞取樣器貫入深度主要由配重、體積、取樣管直徑、刀頭角度、沉積物類型決定，同時(shí)受操作、天氣等條件影響。

3)取樣器參數(shù)確定時(shí)，根據(jù)摩擦系數(shù)可以計(jì)算貫入深度。黏性土、粉土、砂土的摩擦系數(shù)范圍分別為0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6。

4)海底沉積物類型未知時(shí)，通過(guò)沉積物貫入深度可以反向推測(cè)海底沉積物參數(shù)，從而初步確定海底沉積物類型。

[1] 張?chǎng)危瑱枵駯|，閻軍,等.深海沉積物超長(zhǎng)取樣系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].海洋地質(zhì)前沿，2012(12)：40-45.(ZHANG Xin,LUAN Zhendong,YAN Jun,et al.A review of development in deep-sea long coring system[J].Marine Geology Frontiers,2012(12)：40-45.(in Chinese))

[2] 補(bǔ)家武，鄢泰寧，付先成.非可控式海底取樣器的結(jié)構(gòu)及工作原理——海底取樣技術(shù)介紹之二[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2000(3)：93-97.(BU Jiawu,YAN Taining,FU Xiancheng.Structure and working principle of uncontrollable subsea sampler[J].Geological Science and Technology Information,2000(3):93-97.(in Chinese))

[3] 毛志新，劉寶林，夏柏如.重力取樣器技術(shù)研究[J].探礦工程:巖土鉆掘工程，2006(2):52-53+62.(MAO Zhixin,LIU Baolin,XIA Boru.Study on sampling technology of gravity corer[J].Exploration Engineering,2006(2):52-53+62.(in Chinese))

[4] WEAVER P P E,SCHVLTHEISS P J.Current methods for obtaining,logging and splitting marine sediment cores [J].Marine Geophysical Researches,1990,12(12):85-100.

[5] 阮銳.海底重力取樣技術(shù)的探討[J].海洋測(cè)繪，2009,29(1)：66-69.(RUAN Rui.Discussion of technology on seafloor gravity sampling[J].Hydrographic Surveying and Chartig,2009,29(1):66-69.(in Chinese) )

[6] 李民剛，王廷和，程振波，等.深海重力活塞取樣器貫入深度影響因素分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(7)：94-98.(LI Mingang,WANG Tinghe,CHENG Zhenbo,et al.Analysis influencing factors of deep-sea gravity piston corer penetration depth[J].Periodical of Ocean University of China,2013(7):94-98.(in Chinese))

[7] CHEN J W,FAN W,BINGHAM B,et al.A long gravity-piston corer developed for seafloor gas hydrate coring utitizing an in situ pressure-retained method[J].Energies,2013,6(7):3363-3372.

[8] ROBERT E B.Free-fall behavior of small,light-weight gravity corers [J].Marine Geology,1966,1(4):1-9.

[9] SMITH G N,SMITH I.Elements of soil mechanics[M].8th ed.,Edinburgh:Wiley-Blackwell Publishing,1998.

[10] PEDERSEN T F,MALCOLM S J.A lightweight corer for undisturbed sampling of soft sediment [J].Earth Science,1985(22):133-135.

Study on penetration depth of gravity piston corer

DU Xing,SUN Yongfu,HU Guanghai,SONG Yupeng

(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China )

P736.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.015

1005-9865(2016)03-0133-07

2015-08-19

國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——近海海底地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及防控關(guān)鍵技術(shù)研究(201005005)

杜 星(1991-)，男，遼寧大連人，碩士研究生，主要從事海洋工程地質(zhì)方面研究。E-mail：duxing@fio.org.cn