張 偉,蔡 巍,王榮耀,江 曉,宋其新
(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012; 2.國家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 3.杭州電子科技大學, 浙江 杭州 310018)
海床式海底靜力觸探技術現(xiàn)狀與發(fā)展
張 偉1,蔡 巍2,王榮耀1,江 曉3,宋其新1
(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012; 2.國家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 3.杭州電子科技大學, 浙江 杭州 310018)
海洋資源開發(fā)的步伐日益加快,海底工程設備日益增多,海底靜力觸探是海底工程設備安裝前海底土力學調(diào)查的重要手段。為此,詳細闡述了海底原位靜力觸探設備的現(xiàn)狀,分析了海床式靜力觸探設備在幾種不同工作模式下的技術特點。同時對海床式靜力觸探設備的發(fā)展進行了討論。
靜力觸探;海底土力學;圓錐貫入;海底設備
靜力觸探(CPT),又稱作圓錐貫入阻力,該技術是在一個圓錐探頭的內(nèi)部安裝諸多傳感器,通過外部驅(qū)動力,以較低的速度勻速(行業(yè)標準為2 cm/s)貫入土體進行原位測試,以反映不同層次的土質(zhì)特征。其主要應用在土層的劃分、求取各土層工程性質(zhì)指標、確定樁基參數(shù)等方面。相比海底取樣分析的方式,海底靜力觸探具有快速、準確的優(yōu)點,是海底工程設備安裝前海底土力學調(diào)查的重要手段。
2.1 海底CPT工作模式
海底靜力觸探設備按照其工作模式,可分為3種基本類型:平臺式(Platform)、海床式(Seabed)和井下式(Downhole)[1](分別見圖1~圖3)。海床式CPT一般由支撐單元、驅(qū)動單元、測試單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和甲板單元組成。設備通過纜繩吊入海底,通過自身的框架支撐系統(tǒng)穩(wěn)定坐在海床上。通過電力或液壓驅(qū)動探桿,探頭以勻速貫入被測試的海底土體。
圖1 平臺式
圖2 海床式
圖3 井下式
海床式CPT相對其余兩種工作模式具有一定的優(yōu)勢。首先,成本相對較低,一般的調(diào)查船均可搭載,無需特定鉆井船;其次,使用方便,可通過尾部A型架、側舷吊機或船中月池進行收放,通過甲板單元進行操作,就能夠獲取實時數(shù)據(jù),節(jié)約時間成本;再者,海床式CPT能夠在空間上保證觸探路徑的完整性[3],海床式和井下式測試數(shù)據(jù)基本一致,如圖4所示[2]。然而其測試深度相對其他兩種模式較淺。不過現(xiàn)在已經(jīng)有一些方案可讓海床式CPT的測試深度變得更大,如下文提到的基于海底巖心鉆機的CPT。
圖4 海床式CPT和井下式CPT數(shù)據(jù)對比
2.2 海床式CPT技術特點
海床式CPT根據(jù)驅(qū)動方式的不同,可分為四種類型:螺旋桿驅(qū)動的微型CPT、摩擦輪驅(qū)動CPT、吸力錨驅(qū)動的深海CPT和基于海底鉆機的CPT。
(1) 螺旋桿驅(qū)動微型CPT的特點是重量輕,方便運輸攜帶。如荷蘭范登堡公司生產(chǎn)的海王星CPT(見圖5),空氣中的重量約為1500 kg,水中重量約為1200 kg。探頭尺寸為2 cm2或者5 cm2(可選),這種相對于標準探頭(10 cm2)更小面積的探頭,能夠建立較小的測試區(qū)域,進而更詳細地記錄阻力信息。其一般選用螺旋桿的方式提供驅(qū)動力,這樣能夠?qū)⒃O備尺寸控制在一個較小的范圍。圖5中的海王星CPT的外形尺寸為1.8 m×1.8 m×2 m,貫入力約為10 kN,采用了連續(xù)油管技術,使最大貫入深度達到10 m,其可搭載在遙控操作的潛水器(ROV)上面。
圖5 海王星CPT
(2) 摩擦輪驅(qū)動CPT一般由兩個或兩個以上的摩擦輪提供驅(qū)動力,兩個對稱的摩擦輪構成一組,水下電機經(jīng)過減速機構驅(qū)動摩擦輪。摩擦輪旋轉時,通過摩擦力將探桿夾緊并推送至海底土體內(nèi),進行貫入測試?,F(xiàn)在的電機變頻調(diào)速技術足以保證將貫入速度的變化控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi),一般為2 cm/s±10%,如荷蘭范登堡公司的ROSON系列(見圖6)。當探桿鏈長度小于6 m時,可直接使用一根5.8 m的矩形鋼導向槽進行扶正;探桿鏈長度大于6 m時,海底框架頂端安裝支撐塔進行扶正,支撐塔首尾級聯(lián),最大高度可達25 m[4]。技術指標以ROSON-100 kN的CPT為例,工作水深為1500 m,推進力能夠達到100 kN,貫入深度能夠達到40 m。同時,配備三種不同探頭,錐尖面積分別為2, 5 cm2和10 cm2。強大的技術指標也導致了它相對較大的重量,空氣中質(zhì)量約為5500 kg左右。
圖6 ROSON CPT
(3) 吸力錨驅(qū)動的深海CPT利用反作用力進行貫入測試。吸力錨在自身重力的作用下沉入海底,錨筒內(nèi)水形成了封閉狀態(tài),安裝在框架上的泵單元向外抽吸筒內(nèi)的水,封閉的筒體內(nèi)產(chǎn)生了負壓。當筒內(nèi)外負壓差大到一定程度,產(chǎn)生的推力大于下沉阻力時,錨體就被壓入土中[5],如格雷格公司生產(chǎn)的DCPT(見圖7),設備本身重5000 kg,能夠產(chǎn)生約20 kN的推力,貫入深度50 m,工作水深3000 m。配有靜水壓補償?shù)奶筋^,錐尖面積一般為10 cm2或15 cm2。
(4) 基于海底鉆機的CPT,海底鉆機通過纜繩下放到海底,進行鉆進取芯。探桿搭載在海底巖芯取樣鉆機的儲管架上,根據(jù)需要進行更換,貫入。目前報道已經(jīng)有兩臺海底鉆機搭載了CPT工具,一臺是格雷格公司的GSFD鉆機(見圖8),采用繩索CPT的方式,既能夠鉆取硬巖,又能夠進行軟土層實時CPT測試,這種結合的方式使大深度的測試成為可能。這臺鉆機的最大鉆進深度為150 m,在這個基礎上探頭可以在150 m深處進行CPT貫入測試。另一臺是Benthic公司的PROD鉆機(見圖9),工作原理基本一致。
圖7 DCPT
圖8 GSFD鉆機
圖9 PROD鉆機
3.1 測試功能多樣化
海底CPT在設計方面,除了單一靜力觸探外,可搭載其他土工原位測試工具。如增加十字板剪切、球形貫入等,利用海底設備配置的換桿機構,實現(xiàn)測試工具的海底更換,一次性下水按次序完成多個原位測試。或者一臺海底設備搭載幾個動力機構,一次性進行多個測試,提高工作效率。根據(jù)測試需要,也可以增加活塞取樣器,同時進行原位測試和地質(zhì)取樣。回收的地質(zhì)樣品,進行實驗室靜力觸探測試,并和海底原位CPT的測試數(shù)據(jù)進行對比,互為參考。
3.2 數(shù)據(jù)傳輸簡單化
隨著測試深度的不斷加大,海底環(huán)境復雜,有纜CPT接桿繁瑣,容易造成電纜纏繞。所以開發(fā)能夠在海底進行無纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g勢在必行。聲學傳輸是一個不錯的選擇,在探頭內(nèi)完成模擬信號向聲學信號的轉換并發(fā)出,由安裝在海底設備上的聲學接收系統(tǒng)接收并轉換成電信號或光信號,傳送到甲板控制單元。目前陸地上CPT測試數(shù)據(jù)的聲學傳輸效果很好,但是在復雜的深海環(huán)境中,如何保證聲學信號的完整性和穩(wěn)定性,還有待進一步研究和論證。
3.3 測試機構工具化
隨著各種類型海洋科考探測裝備的研制和開發(fā),可攜帶的工具包也逐漸豐富,變得多樣化。在此前提下,可優(yōu)化CPT機械結構,統(tǒng)一機械接口和電氣接口。將CPT作為標準探測工具包,搭載在無人遙控潛水器(ROV)、載人潛器等,進行海底淺地層的CPT原位測試。
隨著深海資源的開發(fā),深??碧皆絹碓街匾糜诤5自粶y試的設備的市場逐步擴大,經(jīng)濟型高效率的海床式CPT更會得到廣大用戶的青睞。我國在這方面無論是理論研究還是實際應用,都落后于他人,我們應“師夷長技以制夷”,盡快研發(fā)出成熟的海底CPT產(chǎn)品,以滿足國內(nèi)的市場需求,進一步在國際市場上爭得一席之位。
[1]陸鳳慈,曲延大,廖明輝.海上靜力觸探(CPT)測試技術的發(fā)展現(xiàn)狀和應用[J].海洋技術,2004,23(4):32-36.
[2]Mark Randolph,MarkCassody,Susan.Challenges of offshore geotechniacal engineering[R].
[3]陳 奇,徐 行,石要紅,等.國內(nèi)外海底靜力觸探的技術研究與進展[J].南海地質(zhì)研究,2009(00):78-89.
[4]陳 奇,徐 行,張志剛,等.用于海洋地質(zhì)調(diào)查的ROSON-40kN型海底CPT設備[J].工程勘察,2012,40(9):30-34.
[5]劉俊濱,李玉峰,劉金鐸.吸力錨技術的應用現(xiàn)狀及前景[J].中國水利,2007(22):37-38.
2017-02-08)
張 偉(1989-),男,遼寧綏中人,助理工程師,主要從事深海裝備與技術研究,Email:demon2323@126.com。