深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置研制❋

朱超祁， 张民生,2❋❋， 贾永刚,2， 王振豪， 魏志明， 文明征

(1. 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100；2. 海洋国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061)

技术报告

深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置研制❋

朱超祁1， 张民生1,2❋❋， 贾永刚1,2， 王振豪1， 魏志明1， 文明征1

(1. 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100；2. 海洋国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061)

自由下落式CPT测试技术(FF-CPT)是一种重要的海上沉积物强度原位测试方法。本文在FF-CPT室内试验原型样机基础上，通过进一步改进，研制了深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置。FF-CPT系统主要由数据采集单元、贯入探杆、配重、耐压控制舱及释放器等组成，设备总长度约6 m，贯入深度约5 m，极限工作水深1 500 m。FF-CPT采用自容方式进行数据采集与存储，可同时测量深海表层沉积物的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等参数。目前已将该FF-CPT原位测试装置初步应用于渤海、南海等海域的表层沉积物强度测量，FF-CPT工作状态良好。期望本研究可为国内海上FF-CPT自主研制与进一步工程应用提供经验与借鉴。

自由下落式CPT(FF-CPT)；沉积物；强度；原位测试；南海

海底沉积物强度是海洋工程设计的重要参数，其测试手段主要包括实验室测试与现场原位测试[1-3]。海底沉积物取样难度较大、成本高，且通常扰动较为严重，原状性难以保证，进而降低了所测指标的工程价值。海底原位测试最大的优点是最大限度地保证了沉积物测试的原状性，消除了取样时的应力释放、样品运输中的碰撞及制样中的扰动等影响，所测数据可靠性增强[4-5]。自由下落式CPT测试技术(Free Fall-CPT，FF-CPT)作为原位测试手段之一，近来备受关注。

针对FF-CPT及其类似测试装置，国外已有相关研究并取得一定进展。Colp[6]等研制了一种仅配置了1个加速度传感器的贯入装置，其重量为48 kg，最大工作水深为1 800 m。Beard[7]等设计了一套搭载声学装置的贯入设备，在甲板上利用水听器接收贯入设备上的换能器信号，据以确定其运动过程，并利用多普勒准则来确定速度。Spooner[8]等开发了一种配置1个加速度传感器、重量为2 kg的小型自由下降式贯入设备，贯入探头为椭圆形、长度为30 cm，用于湖底沉积物的相对硬度及组成。Osler[9]等研制的贯入设备配置了3个不同量程的加速度传感器，以保证获取不同范围的加速度值，同时该装置还安装了后散射传感器和电阻率测量单元，以测量水体-沉积物界面及沉积物的电学特性，该装置工作水深小于200 m。为了探测200～300 m水下浅层海底沉积物的分类和特性，加拿大国防部开发了STING MK设备。由于数据存储空间有限，该设备只能记录一个加速度值，最多存储时间为4 min，每次测量完成，测试数据都需及时下载。为了克服存储空间和缺乏强度测试的缺陷，哥伦比亚大学开发了PROBOS设备。该设备的数据存储能力显著增强，因而又加入了测量锥尖阻力的探头，这套设备还可根据海底沉积物底质的差异，选择5～40 cm2不同规格的探头。为测量沉积物内超孔隙水压力，Stegmann[10]等研制的深海贯入仪DW-CPT配置了加速度传感器、双桥探头、绝压传感器，另外增加了差压传感器。该装置最大工作水深为4 000 m，探杆度约为2 m。Stephan[11]等研制的LIRmeter贯入设备，工作水深可达4 500 m、贯入深度4 m、能够记录加速度与孔隙水压力值，并已在管线勘查等海洋工程领域得到应用。

目前，国内围绕海上CPT设备研制与应用相对较多；而FF-CPT设备研制处于起步阶段，尚没有自主知识产权的深海FF-CPT商业化设备。围绕海上CPT 研制与应用，宋玉鹏[12]、刘晓磊[13]、季福东[14]等人相继进行了相关研究，并取得了一定进展。张民生[15]等初步构建了FF-CPT室内试验原型样机，并以海洋砂质沉积物为研究对象，分析了FF-CPT的贯入特征，并分析了速率相关性。

本文在FF-CPT室内试验原型样机基础上，进行了进一步改进，研制了深海浅层沉积物强度贯入式原位测量装置。期望为国内海上FF-CPT自主研制提供经验与借鉴。

1 FF-CPT结构设计

FF-CPT系统自下而上主要由数据采集单元、贯入探杆、配重、耐压控制舱及释放器等组成。FF-CPT结构参数如表1所示；设计图与实物图如图1所示，释放器结构见图4。

表1 FF-CPT设备参数表Table 1 Parameters of FF-CPT

Note：①Parameters；②Value；③Length；④Weight；⑤Penetration depth；⑥Maximum operating depth

FF-CPT数据采集单元集成了侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等多参数传感器，采集频率可调；随探杆贯入海床深度增加，数据采集单元可实现不同海床深度的物理力学性质原位测量。探杆设计长度为6.5 m，内径为3 cm，外径为6 cm，采用316不锈钢材料。配重可为FF-CPT贯入过程提供贯入推力，其推力来自于配重自重；配重块数量可根据调查海域水深及沉积物类型做适当调整。

FF-CPT耐压控制舱设计高度为50 cm，内径13 cm，外径19 cm，上部开口并采用O形圈密封。耐压密封舱内置锂电池供电单元(12V)、数据存储与控制单元，并安装有姿态传感器与加速度传感器。耐压舱外壁安装有导流罩，用以疏导水流，提高贯入过程的稳定性。电池供电单元、数据测量单元、数据存储与控制单元通过水密电缆相连。耐压控制舱内部结构如图2所示，控制舱封盖结构如图3所示。

图1 FF-CPT设计图(左)与实物图(右)Fig.1 Free Fall-CPT

图2 FF-CPT耐压控制舱内部结构Fig.2 Design for control module of FF-CPT

FF-CPT通过释放器释放。释放器采用杠杆原理由支座和杠杆构成。支座用于固定吊装缆绳和贯入装置回收缆绳，给杠杆提供支点，以及阻挡FF-CPT脱落。其中回收缆绳的另外一端连接FF-CPT，使得设备能够有效回收，一般情况下回收缆绳长度大于FF-CPT自由下降高度。

杠杆两段分别为释放端和配重端，两端之间有支点，杠杆两端距支点距离不等，释放端距支点距离与配重端距支点距离之比为1/2，以保证只需较少配重即可承受较大的力。杠杆释放端呈勺形，有利于固定和脱落U形环，杠杆施放端与支座构成的封闭环保证装置无法脱落，一旦封闭环被打开，则装置将自动脱落。配重端通过一定长度的缆绳连接配重，一般情况下配重端重量大于释放端，使得释放端紧闭，从而锁住贯入装置，使得贯入装置无法脱落。当配重着地时，由于失去配重的作用力，配重端开始上翘，使得释放端有足够的缝隙让贯入装置脱落，形成自由下落状态。

图3 FF-CPT耐压控制舱顶部结构Fig.3 Cover of control module of FF-CPT

图4 FF-CPT释放器实物图Fig. 4 Releaser for the FF-CPT

2 FF-CPT系统配置

FF-CPT采集系统包括水下自动数据采集、存储及参数设置3个模块，如图5所示。采集参数包括锥尖阻力、侧摩阻力、锥头孔隙水压力、水压力、加速度、姿态，这些数据均以原始电压值存储。采集数据直接存储于模块存储器内，以采样时间作存储文件名。参数设置包括采样率、开始采样时间、分割文件大小。

图5 数据采集系统Fig.5 Data acquisition system

FF-CPT采用自容式工作方式进行数据的采集及存储。考虑设备密封性要求，FF-CPT采用非接触式通讯方式，即无线通讯模式。在FF-CPT数据采集系统中增加一个无线数据传输模块，并将天线引出耐压舱外，实现无线信号的发射与接收。利用计算机建立无线传输热点，然后将FF-CPT数据采集系统的无线接入计算机的无线传输热点，建立计算机与FF-CPT数据采集系统之间的连接。利用windows远程桌面可以访问数据采集系统的桌面及内部程序，进而设定数据采集系统参数，并能够实现数据回收。采用非接触式通讯方式，可在10m的空旷区域内实现对FF-CPT数据采集系统的控制，降低外业工作危险性。

3 FF-CPT测量原理

贯入过程中，加速度传感器可实时采集加速度数据，经姿态校正与二次积分可推算位移，进而可知不同时刻FF-CPT贯入海床的深度。通过与相同时刻数据采集单元所测的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等数据一一对应，可知不同海床深度处的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等数据。最终实现深海浅层沉积物强度原位快速测试。测试原理见图6。

图6 FF-CPT测试原理Fig. 6 Test principle for FF-CPT

4 FF-CPT现场试验

FF-CPT现场测试通过搭载国家自然科学基金委员会渤黄海海洋学综合科学考察实验研究夏季航次、南海北部及吕宋海峡共享航次，由中国海洋大学“东方红2”综合调查船执行。FF-CPT具体实施过程如下：

(1)设备现场安装

FF-CPT可实现模块化安装，便于装卸。安装前保证电池容量充足，设置采集参数；并根据调查海域水深及沉积物类型确定配重块数量。完成FF-CPT现场组装，并通过释放器与地质绞车相连。

(2)设备入水

通过滑车将FF-CPT移至船舷，通过地质绞车及其辅助设施将FF-CPT缓慢推出船体。完成释放器重锤释放，并待仪器姿态稳定后拔出释放器自动脱钩装置安全插销。地质绞车释放钢缆，FF-CPT入水并下降。下降速度约维持在1m/s。

(3)设备触底

待仪器将接近触底时，将地质绞车钢缆释放速度减小为0.5 m/s。仪器触底后，继续释放缆绳；待仪器静止后，立即将其从沉积物中缓慢拔出。此过程应尽量避免FF-CPT长时间插在沉积物中，因此时强海流作用易导致探杆弯折。记录仪器触底经纬度及水深。

(4)设备出水

FF-CPT脱离沉积物后，地质绞车以1m/s的速度将其回收。设备出水后，将其缓慢移动至甲板滑车，并进行固定。用清水清洗仪器，避免锈蚀；完成数据读取，并进行电池充电，以待下次测试。

FF-CPT船载测试现场图如图7所示。

图7 FF-CPT海试过程Fig.7 Field test of the FF-CPT

FF-CPT通过释放器释放，释放器工作原理如图8所示。释放器通过缆绳与重锤相连，缆绳长度应大于FF-CPT设备高度，以保证重锤先于FF-CPT触底。重锤触底前，释放器与FF-CPT同速下落；重锤触底时，通过杠杆触动释放器自动脱钩装置，FF-CPT在自重作用下与释放器脱离并加速下降，最终触底并贯入海床内部。释放器的主要作用是使FF-CPT在布放时以绞车布放速度下降，距离海床表面约5 m时，则自由下降以提供足够的贯入速度并垂直贯入。

图8 释放器工作原理Fig.8 Test principle for the releaser

5 结语

本文通过多次海试，在FF-CPT室内试验原型样机基础上，对其进行了进一步改进，研制了深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置。

FF-CPT装置最大工作水深1 500 m，贯入深度可达5 m。 系统自下而上主要由数据采集单元、贯入探杆、配重、耐压控制舱及释放器等组成。

FF-CPT可同时测量深海表层沉积物的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等参数，数据采用自容方式进行采集与存储。

目前该FF-CPT原位测试装置已在渤海、南海等海域完成海试，FF-CPT工作状态良好。下一步将进行原位测试数据分析及其应用研究。

致谢：本文海试工作搭载了国家自然科学基金委员会渤黄海海洋学综合科学考察实验研究夏季航次与南海北部及吕宋海峡共享航次(NORC2015-05)等，季福东、王虎等也参与了海试工作，在此一并致谢。

[1] 朱超祁， 贾永刚， 张民生， 等. 南海北部陆坡表层沉积物强度特征研究[J]. 工程地质学报， 2016, 24(5): 863-870. ZHU Chao-qi, JIA Yong-gang, ZHANG Min-sheng, et al. Surface sediment strength in Bed-slope of Northern South China Sea[J]. Journal of Engineering Geology， 2016, 24(5): 863-870.

[2] 范宁， 赵维， 年廷凯， 等. 一种测试海底泥流强度的新型全流动贯入仪[J]. 上海交通大学学报(自然科学版)， 2017,51(4): 456-461. FAN Ning, ZHAO Wei, NIAN Ting-kai, et al. A new full-flow penetrometer for strength test of submarine mud flow[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University， 2017,51(4): 456-461.

[3] 朱超祁， 周蕾， 张红， 等. 南海北陆架坡表面沉积物的物理力学性质初探[J]. 工程地质学报， 2017, 25(4): 1-8. ZHU Chao-qi, ZHOU Lei, ZHANG Hong, et al. Preliminary study of physical and mechanical properties of surface Sediment in the Northern South China [J]. Journal of Engineering Geology, 2017, 25(4): 1-8.

[4] Vanneste M, Sultan N, Garziglia S, et al. Seafloor instabilities and sediment deformation processes: The need for integrated, multi-disciplinary investigations[J]. Marine Geology, 2014, 352: 183-214.

[5] Jia Y, Zhu C, Liu L, et al. Marine geohazards: review and future perspective [J]. Acta Geologica Sinica (English edition), 2016, 90(4): 1455-1470.

[6] Colp J, Caudle W, Schuster C. Penetrometer system for measuring in situ properties of marine sediment[C].[s.1.]: Oceans, IEEE, 1971: 405-411.

[7] Beard R M. A Penetrometer for Deep Ocean Seafloor Exploration[C].[s.1.]://Oceans, IEEE, 1981: 668 - 673.

[8] Spooner I S, Williams P, Martin K. Construction and use of an inexpensive, lightweight free-fall penetrometer: applications to paleolimnological research[J]. Journal of Paleolimnology, 2004, 32(3): 305-310.

[9] Osler J, Furlong A, Christian H. A sediment probe for the rapid assessment of seabed characteristics[M]. Acoustic Sensing Techniques for the Shallow Water Environment, Nether lands: Springer, 2006: 171-181.

[10] Stegmann S, Kopf A. Marine Deep-Water Free-Fall CPT Measurements For Landslide Characterisation Off Crete, Greece (Eastern Mediterranean Sea) Part 1: A New 4000M Cone Penetrometer[C]. Nether lands: Submarine Mass Movements and Their Consequences, 2007: 171-177.

[11] Stephan S, Kaul N, Villinger H. The lance insertion retardation meter (LIRmeter): an instrument for in situ determination of sea floor properties-technical description and performance evaluation [J]. Marine Geophysical Researches, 2012, 33(3): 209-221.

[12] 宋玉鹏, 孙永福, 李淑玲. 轻型海洋静力触探系统在黄河水下三角洲的应用[J]. 海洋开发与管理, 2012, 29(1): 61-66. SONG Yu-ping, SUN Yong-fu, LI Shu-ling. Application of offshore CPT equipment in the subaqueous Yellow River delta[J]. Ocean Development and Management, 2012, 29(1): 61-66.

[13] 刘晓磊， 贾永刚， 郑杰文， 等. 一种新型静力触探系统在滩浅海工程地质勘查中的应用[J]. 工程地质学报, 2014, 22(S): 439-444. LIU Xiao-lei, JIA Yong-gang, ZHENG Jiewen, et al. Application of a new cone penetration test system in beach and shallow-sea engineering geological investigation[J]. Journal of Engineering Geology, 2014, 22(S): 439-444.

[14] 季福东， 贾永刚， 刘晓磊， 等. 新型海上静力触探设备的研制与应用[J]. 海岸工程, 2016, 35(2): 1-9. JI Fu-dong, JIA Yong-gang, LIU Xiaolei, et al. Development and application of new offshore CPT equipment[J]. Coastal Engineering, 2016, 35(2): 1-9.

[15] 张民生， 朱超祁， 王振豪， 等．砂质沉积物强度动力贯入室内试验研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版),2017, 47(9): 1-7. ZHANG Min-sheng, ZHU Chao-qi, WANG Zhen-hao, et al. In-lab experimental research on strength of sandy sediments determined with free-fall CPT[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(9): 1-7.

Abstract: Free-fall CPT testing technology (FF-CPT) is one of the most important in-situ testing methods to determine strength of marine sediments. Based on a series of indoor and field tests, we developed a FF-CPT equipment used in deep water (1500 m). The FF-CPT system was composed of data acquisition unit, probe, counterweight, control module and releaser. The FF-CPT equipment was 6 meters long and could penetrate the sediments 5 meters. The FF-CPT equipment has been tested in Bohai Sea and South China Sea. The tip resistance, sleeve friction and pore water pressure were obtained during the field tests and the data were self-contained.

Key words： free-fall CPT(FF-CPT); sediments; strength; in-situ tests; South China Sea

责任编辑 徐 环

Design and Development of the Free Fall-CPT Equipment Used in Deep Water

ZHU Chao-Qi1, ZHANG Min-Sheng1,2, JIA Yong-Gang1,2, WANG Zhen-Hao1, WEI Zhi-Ming1, WEN Ming-Zheng1

(1. Key Laboratory of Marine Geo-Environmental Engineering of Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China)

TU 413

A

1672-5174(2017)10-121-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20160463

朱超祁， 张民生， 贾永刚， 等． 深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置研制[J]．中国海洋大学学报(自然科学版)， 2017, 47(10): 121-125.

ZHU Chao-Qi, ZHANG Min-Sheng, JIA Yong-Gang, et al. Design and development of the free fall-CPT equipment used in deep water[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 121-125.

国家自然科学基金项目(41502265，41427803)；国家自然科学基金委员会-山东省人民政府海洋科学研究中心联合资助项目(U1606401)资助 Supported by National Natural Science Foundation of China (41502265, 41427803)； NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1606401).

2016-05-04；

2016-07-03

朱超祁(1990-)，男，博士生，主要从事海洋工程地质研究。E-mail：1353603469@qq.com

❋❋ 通讯作者：E-mail：minshengzhang@ouc.edu.cn