[发明专利]拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及拖曳锚在土体中嵌入运动轨迹的测量技术。

背景技术

在深海油气资源的开发中，随着大型和超大型海上顺应式结构物的逐渐增多，适用于深水和超深水的系泊系统日益受到重视。研发新型深水系泊系统和新型深水系泊技术，成为国际海洋油气资源开发和国际海洋工程技术界的一个重要研究领域。

20世纪80年代中期，人们发现深海蕴藏着丰富的油气资源，由此在全世界范围内掀起了一股深海油气资源开发技术研究的热潮。随着油气开采向深水化推进，新型绷紧式系泊系统的优势日益突现，它不仅能节约材料，降低投资，同时也能减小系泊半径，优化系泊方式。而与绷紧式系泊系统相配合的系泊基础——新型拖曳锚也日益受到青睐，它能同时承受水平和垂直荷载，具有较高的抗拔承载力，同时具备重量轻、材料省、易操作、易存储、可回收和重复使用等优点。

在国外，目前新型拖曳锚在设计、施工和应用等方面均存在很多问题有待深入认识和解决。在国内，更无自主应用新型拖曳锚的先例。针对拖曳锚关键技术的实验研究，主要有模型实验、现场实验和工程应用三种方法。由于拖曳锚嵌入在不可见的海洋土中，所以对锚板实施精确定位，并探测其嵌入运动轨迹成为实验研究的重点和难点。目前在国际范围内，关于拖曳锚在土体中运动轨迹的实验测量技术主要存在以下几种方法：

1、1994年，Neubecker和Randolph在西澳大学岩土离心机实验室开展传统拖曳锚的实验研究。实验选用金属探针作为轨迹测量设备固定在锚胫上，与锚胫成直角。探针随锚板嵌入一起前进，通过电子刻度系统对探针的感应并经过简单的几何换算测得锚板的三个自由度(水平位移、竖向位移和锚板方位角)，从而测得锚板的嵌入运动轨迹。

虽然这种测量方法在离心机实验中操作简单有效，但是在模型水槽实验中其适用性还存在疑问。一方面，探针固定在锚胫上将会影响锚板嵌入，另一方面，随着模型比尺增大，探针尺寸也相应增大，这将势必产生更大的土抗力致使探针发生变形，从而严重影响测量精度。

2、1999年，Dahlberg和Strom在其开展的新型拖曳锚海岸场地测试中，选用轨迹跟踪器固定在锚板上，测量了包括锚板方位角、锚板翻转角和拖曳力等在内的锚板多运动参数。同时结合锚板运动位移的测量，得到了完整的嵌入运动轨迹。实验结果表明，在拖曳前期(拖曳距离在4～5倍锚长之内)，测量轨迹与实际轨迹吻合较好，但在拖曳后期将会出现一定的偏差。

值得注意的是这种跟踪器测量法，由于其体积较大，只适用于大比尺的现场实验，而在实验室小比尺的模型实验中并不适用。

3、2000年，Goncalves等实施拖曳锚模型水槽实验。实验采用模型锚板定位系统测量锚板的嵌入运动轨迹。系统采用滑轮组和导轨将三根碳纤维绳与锚板相连，通过三个拉线位移传感器测得各纤维绳伸长量的变化曲线，应用相应软件计算出任意瞬时锚板重心的坐标和锚板倾角，从而获得锚板的嵌入运动轨迹。

从以上测量方法来看，由纤维绳伸长量换算出锚板的瞬时位置，其计算过程尚存疑问，除此以外，定位系统还存在一个更为关键的问题，即随着锚板嵌入，纤维绳由于其回复力较小，将因土抗力的存在呈现出复杂的曲线形状，由此根据几何关系不能真实可靠地得到锚板的瞬时位移。

4、2000年，Heyerdahl和Eklund针对定位安装平板锚(PositionInstalled PlateAnchors)开展靠海陆地测试。测试选用三个倾角传感器，分别用于测量锚板的倾斜、翻转角度及拖缆与锚板连接处的角度，此外将压力传感器埋置于锚板内部测量锚板的埋置深度。

因为此类锚板不是拖曳嵌入平板锚，所以并没有测量锚板的嵌入运动轨迹，测试采用压力传感器测量锚板的埋置深度在实验操作中相对简单。但主要问题在于压力传感器能否精确而灵敏地反映锚板的嵌入深度，这要求实验土体必须具有足够的稳定性和可重复性，考虑到测量精度的问题，该测量方法并不适用于实验室模型水槽实验。

5、2000年，Nunes Dias等采用一种监控装置探测法向承力锚在海洋土中的运动轨迹，此装置主要由光学编码器及磁感线发射器组成。将装置连接于锚板，能够获得与锚板嵌入运动轨迹相关的各项参数，包括锚板的倾斜与翻转角度和锚板的位移等。通过数学方程的迭代运算，结合相应的校正系数，可以得到锚板的嵌入运动轨迹。

很显然，这种测量方法在靠海陆地测试和近海场地测试中有其极大的优越性，但由于其尺寸较大，因此并不适合实验室模型水槽实验。