海床式海底靜力觸探技術現(xiàn)狀與發(fā)展

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

1 概 述

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 海底CPT工作模式及技術特點

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 海底CPT技術的發(fā)展

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。

4 總 結

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。