發布時間：2022-01-07所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 海底滑坡、濁流等深海底地質災害嚴重威脅海洋工程安全，是國家深海開發亟待解決的風險問題。為避免深海海底地質災害對海底工程造成危害，解決深海海底地質災害監測預警的難題，我們研發了一套復雜深海工程地質原位長期監測系統。該系統通過聲學、電阻率、超孔隙水
摘要 海底滑坡、濁流等深海底地質災害嚴重威脅海洋工程安全，是國家深海開發亟待解決的風險問題。為避免深海海底地質災害對海底工程造成危害，解決深海海底地質災害監測預警的難題，我們研發了一套復雜深海工程地質原位長期監測系統。該系統通過聲學、電阻率、超孔隙水壓力等方法監測深海海底沉積物的物理力學性質變化，實現了對深海海底地質災害的監測和預警。該系統主要包括海床基搭載平臺、監測系統、通訊控制系統、供電系統等。其中監測系統主要通過原位長期監測海底沉積物的電阻率、聲學、超孔隙水壓力等的變化來獲取海底沉積物的物理力學性質變化;通訊控制系統可以實現海底到海面，再到陸地的雙向通訊和數據傳輸。其中供電系統通過獨特設計的海水電池工藝，可以滿足該系統在海底長期工作一年的電量需求。復雜深海工程地質原位長期監測系統已完成了近海測試，并搭載“海洋地質六號”、“東方紅三號”、“張謇號”等科考船在南海進行了多次遠海海試，獲取了豐富的實測數據。電阻率監測系統采用溫納法滾動測量，測得的水土界面位置平均電阻率為 0.207 Ω·m。超孔隙水壓力監測系統采用開放式結構的壓差式光纖光柵孔壓測量方法，監測到孔壓觀測的四個標志性階段：1)貫入過程引起的超孔隙水壓力累計，峰值為 34.942 kPa，歷時 0.182 h;2)貫入完成后累積的超孔隙水壓力衰減，衰減到 9.973 kPa，歷時為 0.810 h;3)環境應力引起的超孔隙水壓力實時響應，超孔隙水壓力的變化范圍為 8.327~14.384 kPa;4)殘余孔隙水壓力平均值為 11.150 kPa;聲學監測系統采用兩個一發三收模式，測量的海水平均聲速為 1 533 m/s，測量的海底沉積物自上而下的平均聲速依次為 1 586 m/s、1 587 m/s、1 784 m/s、1 735 m/s、1 831 m/s。復雜深海工程地質原位長期監測系統的成功研制將顯著提升目前海洋工程地質原位長期觀測的技術能力，解決復雜深海工程地質評價及地質災害監測預警的技術難題。
關鍵詞 海底地質災害;物理力學性質;原位觀測;聲速;電阻率;超孔隙水壓力
0 引言
隨著陸地自然資源的枯竭，人類將目光轉向自然資源更加豐富的深海。目前，沿海各國都加大了對深海工程和深海油氣田的開發力度，而深海工程地質環境作為深海工程和深海油氣田所處的基本地質環境，會影響海洋工程施工甚至會產生直接危害，特別當海底地質災害發生時，深海工程地質環境會對深海工程建設和深海油氣田開采造成巨大的威脅，嚴重制約了海洋資源的開發和利用，例如海底滑坡、海底沉降等地質災害，會造成海底電纜斷裂、引發海底油氣鉆井平臺坍塌等海洋工程災害[1]，嚴重的甚至可能誘發海底地震，引發海嘯，嚴重危害人類安全[2]。因此，要解決深海工程和深海油氣田的安全開發利用問題，必須對深海工程地質環境進行原位長期監測。
目前基于深海環境原位長期監測的研究可以分為深海水體環境的原位長期監測和深海海底地質環境的原位長期監測。關于深海水體環境的監測有：美國地質調查局(USGS)研發了 Geoprobe，可以監測海水流向、流速、溫度、鹽度、深度、海水濁度、泥沙粒徑、泥沙濃度等參數[3]。德國亥姆霍茲海洋研究中心(GEOMAR)研制的海底測量儀可以監測海底面的位移與高程變化[4]。關于深海工程地質環境的監測研究主要以海底工程建設(例如深海石油開采和水合物開采等)監測為主，例如 2013 年和 2017 年，日本進行海底天然氣水合物試采時分別進行了監測井溫度壓力監測、海底沉降變形監測、海底甲烷泄漏監測等[5-8];2017 年，中國在南海神狐海域進行了首次海底天然氣水合物試采，建立了大氣層、海水層、海底面、海底面以下的“四位一體”環境監測系統[9-11]。目前而言，由于深海工程地質環境的監測難度較大，關于深海環境的研究主要以深海水體監測和深海工程建設近海底監測為主，關于深海工程地質環境的原位長期監測較少。我們團隊憑借多學科融合的特點，在國家基金委重大儀器專項的資助下，開展了相關深海工程地質環境的原位長期監測。
依靠上述優勢，我們研發的深海工程地質環境原位長期監測系統通過原位長期監測海底沉積物的電阻率、聲學、超孔隙水壓力等的變化來獲取海底沉積物的物理力學性質變化，然后將測量結果通過水聲通訊、衛星通訊傳輸到陸上實驗室中，實現深海工程地質環境的監測。本文主要介紹了系統的組成與原理包括海床基監測平臺、監測系統、通訊控制系統、供電系統，海試應用部分包括系統海試概況，海試數據處理等部分。
1 系統組成與工作原理
復雜深海工程地質原位長期監測系統主要由以下三部分組成：位于海底的海床基監測平臺、位于海面的中繼通訊浮標、位于陸地的實驗室遠程監控平臺。該系統的工作原理為海底的海床基監測平臺采集海底沉積物的電阻率、聲學、超孔隙水壓力等數據和水體環境數據，采集的數據通過水聲通訊傳輸到水面的中繼浮標，然后中繼浮標通過衛星將數據傳送到遠程監控的實驗室中(圖 1)。
工作時，海水電池和蓄電池給整個系統供電，設備在控制系統的控制下，依次將電阻率探桿、聲學探桿、超孔隙水壓力探桿貫入到海底沉積物中，然后依次發送采集信號，采集海底沉積物的電阻率、聲學、超孔隙水壓力等數據，待數據采集完畢后，將處理好的數據通過聲學通訊機發送給海面的中繼浮標。
1.1 海床基搭載平臺
海床基搭載平臺結構上分為兩層，采用框架式結構，其中上層為數據采集控制系統，下層為搭載平臺和坐底貫入控制系統，包括機械手、貫入控制系統。
上層數據采集控制系統包括電阻率、聲學、超孔隙水壓力、海水電池、環境監測設備的控制艙和數據采集艙。
下層搭載平臺主要搭載了電阻率監測探桿、聲學監測探桿、超孔隙水壓力監測探桿、環境要素傳感器、傾斜姿態測量傳感器等監測設備;下層的坐底貫入控制系統用于將電阻率探桿、聲學探桿、超孔隙水壓力探桿貫入沉積物中，具體包括機械手、貫入油缸和貫入控制單元。其工作原理為機械手通過上下加持探桿配合貫入油缸實現上下移動，可將四根探桿(一根垂直電阻率探桿、兩根聲學探桿、一根超孔隙水壓力探桿)依次分步貫入沉積物中。其中一次貫入行程 50 cm，可提供 20 kN 的貫入力。
1.2 監測系統
1.2.1 聲學監測系統
聲學監測系統通過建立海底沉積物聲學參數與沉積物物理力學參數之間的關系，從而實現用聲學方法對海底沉積物土力學性質進行長期監測[12-15]。聲學監測系統采用一發三收模式，獲取海底以下一定深度范圍內沉積物的聲速和聲衰減。
聲學測量系統的組成包括：兩根聲學探桿(聲學探桿 A、B)和一個聲學主控艙。使用時，將兩根聲學探桿懸浮于探測點海底沉積物上方水中，測量海水聲速和水中聲壓幅值，配合 CTD 進行標定。
兩根聲學探桿 A、B 的中心間距為 600 mm。每根聲學探桿長 3 m，直徑 58 mm，包含一個高靈敏度發射換能器、三個高靈敏度接收換能器和鈦型鋼管。聲學探桿 A 上從上到下依次有一個發射換能器(T1)和三個接收換能器(R4，R5，R6)，發射換能器(T1)距最近的接收換能器(R4)的中心間距為 700 mm，相鄰接收換能器(R4，R5，R6)的中心間距為 300 mm;聲學探桿 B 從上到下依次有三個接收換能器(R1，R2，R3)和一個發射換能器(T2)，各換能器間距同探桿 A;聲學換能器采用縱向振動陶瓷片組成，整個換能器采用水密設計，能夠承受的靜止水壓力為 15 MPa，即 1 500 m 水深，換能器的工作頻帶為 20~100 kHz，接收靈敏度為—212 dB。探桿底部為錐形貫入頭，方便貫入沉積物中，如圖 3 所示。
聲學主控艙主要包括壓力密封艙和聲學發射采集電路板。壓力密封艙主要用于盛放聲學電路，耐壓 1 500 m;聲學發射采集電路板主要用于控制聲學換能器發射采集參數的修改和采集數據的存儲，主要包括控制電路、多通道(1 發 3 收)觸發信號電路、發射驅動電路、采集與信號放大電路、數據存儲模塊以及供電電路組成。
1.2.2 電阻率監測系統
電阻率監測系統通過建立海底沉積物電阻率與物理力學參數關系，對海底沉積物物理力學性質進行原位長期監測[16-19]。該電阻率監測系統借鑒陸地井地電阻率探測方式，采用二級裝置進行三維電阻率探測。探測時，垂直電阻率探桿的供電電極進行供電，垂直探桿的測量電極和四根電阻率水平探桿的測量電極進行同時測量，從而實現海底三維電阻率測量。
電阻率監測系統組成包括控制艙、一根垂直電阻率探桿和四根平面十字交叉的水平電阻率探桿�？刂婆摚喊▔毫γ芊馀摵碗娮杪蕼y量電路板。壓力密封艙的尺寸為 400 mm×400 mm，電阻率測量電路板密封于壓力艙中。電阻率測量電路板包括四部分：中央控制電路、三維電阻率并行采集電路、垂直探桿電極轉換與采集電路、供電電路。電阻率測量精度優于 1%，電壓測量范圍為 16.7 nV~3.31 V，輸出電流范圍為 0.19~26 A。電阻率標定采用 10 歐姆標準電阻三串聯，通過以下公式計算出電阻 R 與標準電阻值比較，完成電阻率監測系統的標定。
R = ΔV/I
式中，R 為電阻率，單位為 Ω，ΔV 為電壓差，單位為 V;I 為電流，單位為 A。
垂直電阻率探桿：包括探桿桿體、環形電極和電極控制艙。探桿總長度為 4 500 mm，直徑為 65 mm。探桿桿體采用一體成型模式，將環形電極嵌套在探桿桿體上，探桿底部安裝有底錐以便于貫入。探桿中共有 60 個電極環，每個電極環極距為 65 mm;環形電極采用工業純鈦材料，耐壓耐腐蝕，能實現海底長期有效觀測。電極控制艙與各電極單獨連接，采用電極開關矩陣結構實現電極與采集通道的復合選擇，最終實現 Wenner 滾動采集。
水平電阻率探桿：水平電阻率探桿共有 4 根，每根水平電阻率探桿都包括探桿桿體和測量電極。探桿桿體材料為 PPR，可承受 1 500 m 水深的壓力。每根探桿長 3 m，外徑 50 mm，內徑 10 mm。探桿上每隔 10 cm 內嵌有寬度為 1 cm 的石墨烯環狀電極用于測量電位，所有電極都通過內置的 10 芯電纜和主控箱的采集電路相連。
1.2.3 超孔隙水壓力監測系統
海底土超孔隙水壓力是指海底沉積物中因剪切作用、快速沉積、氣體逸散或地熱梯度引起的平流等其他物理化學變化導致的土體中孔隙水壓力高于正常壓力的狀態[20]。由于沉積物在剪切作用時，根據有效應力原理，孔隙水壓力的升高，即海底土超孔隙水壓力的增加會降低抗剪強度，從而導致海底沉積物失穩。目前，許多學者都研究了海底沉積物超孔隙水壓力的問題，但多集中于淺海[20-23]。針對深海高靜水壓力和探測難的問題，我們研發了海底土超孔隙水壓力動態變化監測系統，該監測系統可以實現原位高精度測量海底土超孔隙水壓力。
本系統采用的超孔隙水壓力傳感器為壓差式光纖光柵孔壓傳感器，其特點是采用“壓差式開放結構”，利用靜水壓力平衡沉積物實際孔隙壓力，通過測量海底面附近海水的靜水壓力與沉積物實際孔壓的差值來獲得高精度的超孔隙水壓力數據。
系統組成：海底土超孔隙水壓力動態變化長期監測系統主要包括壓差式光纖光柵孔壓傳感器、超孔隙水壓力探桿和超孔隙水壓力主控采集艙三部分。
超孔隙水壓力傳感器：超孔隙水壓力傳感器采用“壓差式開放結構”，即采用彈簧管對測得的壓力差值進行轉換，將海底土體的超孔隙水壓力轉化為彈簧管的變形，彈簧管的變形又作用在涂覆的光纖光柵上，從而使光的波長發生偏移，通過計算該偏移量可以獲得海底沉積物的超孔隙水壓力[24] 。由于采用了壓差式開放結構，超孔隙水壓力傳感器可以對參考壓力變化進行自我補償，從而剔除潮汐和氣壓等的影響。此外，該壓力傳感器內部自帶有溫度傳感器，測量的壓力值為修正溫度后的壓力值，排除了溫度對超孔隙水壓力傳感器的影響。
超孔隙水壓力探桿主要包括不銹鋼探桿、傳感器法蘭、透水石和貫入錐尖。超孔隙水壓力探桿長 5 m，直徑 70 mm，內部連接有 4 個間距 1 m 的光纖光柵壓差式傳感器;傳感器與探桿通過傳感器法蘭螺紋連接，從而保護傳感器;傳感器外有透水石，起到透水、透壓和保護傳感器的作用;探桿底部為不銹鋼錐尖，便于減少超孔隙水壓力探桿貫入土體時所受的阻力。
超孔隙水壓力主控采集艙：由密封副艙、光纖水密連接器、密封艙、光纖光柵解調儀組成。光纖光柵解調儀用于產生激光光源，激光光源通過光纖水密連接器進入光纖光柵壓差式傳感器中，此外光纖光柵解調儀還用于光纖數據的采集與解譯。
1.2.4 海洋水動力長期監測系統
海洋水動力作為海洋工程地質環境的重要組成部分，對海底沉積物的形成和改造具有重要影響，也對海洋工程建設和海洋油氣資源開采具有重要影響[25]。海水動力長期監測系統主要依靠聲學、光學等設備進行海水動力的長期監測[26]。該監測可以實現海底邊界層溫度、鹽度、深度、壓力、水體流速流向、海水濁度及甲烷濃度等環境要素觀測，為海洋工程地質環境的評價提供了參考依據。
系統組成：包括 ADCP、溫鹽深濁度計(RBR)、甲烷傳感器、三維聲學流速儀等儀器。
1.3 通訊控制系統
1.3.1 通訊系統
針對深海沉積物測量難度大、數據采集成本高的問題，我們建立了一套海底長期監測數據的�？�-地實時數據傳輸系統。
海-空-地通訊系統主要通過中繼浮標上的水聲通訊和衛星通訊相結合的辦法工作。水聲通信模塊可以使海床基監測平臺具有實時命令交互，設備狀態信息、監測數據傳輸等功能，能夠將所監測的電阻率、孔隙水壓力、姿態、聲波信息、海流、海水濁度、海底距離等實時傳輸到海面通信中繼平臺上。衛星通訊模塊可將海面通信中繼平臺的數據傳輸到實驗室中，并能在陸基端實現雙向控制采集。水聲通訊機的通訊速率為 13.9 kbps，通訊距離為 3 500 m。海面中繼浮標通過錨定的方式布放在觀測海域，可以保證水聲通訊距離的有效性和通訊速率的穩定性;北斗衛星通訊系統的通訊速率為 72 byte/min。該設備還內置有多重數據自容備份功能以防數據丟失。
1.3.2 控制系統
控制系統可實現對所有傳感器的控制，包括采集、通電、數據存儲與通訊等，主要有總控艙完成相應工作。主要包括遠程服務器、海面通訊中繼平臺、海床基監測平臺三部分。遠程服務器主要以軟件為主，通過串口控制陸基衛星通訊機;海面通訊中繼平臺以單片機為主，通過串口控制中繼平臺上的衛星通訊機和水聲通訊機;海床基監測平臺控制系統主要負責系統的電源管理、任務調度、數據存儲和數據傳輸�？刂葡到y可通過獨立的通信接口和電源接口控制電阻率、聲波、超孔隙水壓力、海流、濁度、高度計、壓力計、方位姿態、水聲通信機的數據采集和設備通斷電，并通過控制坐底貫入控制系統控制機械手的貫入、拔出等動作。所有平臺的控制系統整體均封裝在承壓艙中，提供與觀測儀器的水密接口和線纜，承壓水深大于 1 500 m。中央控制系統可實現對所有傳感器的控制，包括采集和通電，主要有總控艙完成相應工作。
1.4 供電系統
電能供應是海底長期觀測設備的難題之一，特別是深遠海地區不具備遠距離電纜供電的條件。若采用常規鋰電池長期供電，則耐壓艙體體積將會巨大，不易裝配且存在巨大的安全隱患[27]。針對該問題，我們研制了一種安全、經濟、高效、環保的具有再生能源特點的海水溶解氧電池，為海底長期觀測提供電能。
工作原理：海水電池的負極為鎂合金，正極為碳纖維刷，電解質為海水。供電時，鎂棒作為負極失電子，碳纖維毛刷作為正極得電子，在海水中形成海水電池進行發電。海水電池發電后經升壓處理后將電能儲存在蓄電池儲能模塊，供系統其他設備進行使用。海水電池采用分布式設計，在海床基監測系統四周分別安裝有四個海水電池，可最大化利用系統周圍的海水資源進行發電。
海水電池的額定輸出功率為 6 W，體積功率比為 15 W/m3，能量密度為 700 Wh/kg，可在溶解氧濃度≥3 mg/L，海水流速≥2 cm/s，海水鹽度≥20‰的環境持續發電工作，能適應多數情況下海洋環境條件。同國外海水電池相比，比功率密度提高 5 倍以上，電池體積減少 80%。
2 海試應用
2.1 系統海試概況
2.1.1 近海海試
2017 年—2020 年期間，我們在青島即墨國家深�；毓芾碇行倪M行了大量長期原位測試，分別對機械手貫入拔出情況，總控命令執行返回情況，海水電池發電穩定性，電阻率、聲學、超孔隙水壓力等各傳感器工作情況、海-空-地數據傳輸穩定性、設備整體穩定性進行了測試，并進行了最長連續一個月的原位長期監測。
2.1.2 南海海試
2019 年 5 月，觀測設備搭載“海洋地質六號”，于南海北部陸坡(水深 1 450 米)進行了深海海試，獲取了設備位于水深 500 m、1 000 m、1 400 m 時各傳感器數據及工作狀態;2019 年 6 月，觀測設備搭載“東方紅三號”，于南海北部陸坡(水深 1 560 米)進行了深海海試，設備坐底貫入并獲取了海底沉積物的聲學、電阻率、超孔隙水壓力;海底的沉降變形;海底邊界層的溫、鹽、深、流、濁度、溶解氧、甲烷濃度等環境要素;2019 年 12 月，觀測設備搭載“張謇號”，分別獲取了設備在 50m、100 m、500 m、800 m、1 000 m 的測試數據;2019 年 11 月，設備搭載“張謇號”在南海北部陸坡進行了深海長距離聲學通訊傳輸測試，對采集數據進行了處理分析，據此提出了控制命令簡化、預設自動貫入、自動采集等優化方案。
2.2 海試數據
2.2.1 原始數據與處理方法
為滿足監測采集單元快速高頻的數據采集需求，我們將采集的未解碼原始數據進行二進制存儲，原始數據的存儲格式為二進制 bin 文件。電阻率、聲學、超孔隙水壓力的原始數據格式各不相同。在讀取原始數據時，需將原始數據進行解譯處理，包括去除總控包頭、各系統包頭、校驗位等，然后解譯為十進制后進行數據處理校正得到最終數據。
2.2.2 電阻率典型海試數據結果
電阻率作為表征沉積物導電特性的基本物性指標之一，其特性與沉積物物理力學性質關系密切，因此電阻率測量在海洋地質調查、油氣水合物資源探勘中得到了廣泛的應用。目前，海底沉積物電阻率的研究多集中于海底沉積物的單次測量，缺少對海底沉積物性質變化的連續測量[28-34]。本團隊利用研發的具有自主知識產權的復雜深海工程地質原位長期監測系統中的海底沉積物電阻率監測模塊，實現了對海底沉積物的電阻率進行了連續、長期監測。
本團隊對海底沉積物電阻率進行了長期連續自動采集，電阻率測量精度高、測量數據穩定。在電阻率測量曲線和測量云圖中的兩個高電阻區為兩個機械手區。第一個機械手的位置為 Num=13、15 處，電阻率測量范圍為 1.210~1.814 Ω·m，平均值為 1.499 Ω·m;第二個機械手的位置為 Num=35、37 處，電阻率測量范圍為 0.085~ 1.178 Ω·m，平均值為 0.999 Ω·m，以上兩個機械手皆位于水中。此外，在 Num=44 處還可看到一個次高電阻率區，距離錐尖 96.5 cm，阻值范圍為 0.085~ 0.237 Ω·m，平均值為 0.207 Ω·m，為水土界面位置。——論文作者：孫志文 1, 2 , 賈永剛 1, 2, , 郭秀軍 1, 2 , 孫中強 1, 2 , 李 凱 1, 2 , 范智涵 1, 2 , 陳天 1, 2 , 唐浩儒 1, 2
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