深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

海底沉积物孔隙压力原位长期观测技术回顾和展望

海底沉积物孔隙压力对海底地质灾害过程反应敏感,是表征海床稳定性的一个重要指标,通过海底沉积物的孔隙压力观测可以判断海床的稳定状态,对于海底地质灾害预测预警具有重要意义。海底沉积物孔隙压力观测存在(1)超高背景压力下的高精度测量;(2)贯入过程传感器超量程破坏;(3)系统长期供电及传感器漂移;(4)深海海底布放和回收等技术难点。国际上海底孔隙压力观测技术从20世纪60年代开始发展,逐渐形成了系列核心监测技术和成熟的商业化设备产品。挪威岩土工程研究所NGI与美国伊利诺伊大学共同研发的NGI-Illinois压差式孔隙压力观测系统,是已知最早的海底沉积物孔隙压力观测设备。此后,美国地质调查局USGS、美国桑迪亚国家实验室、英国牛津大学等相继研发了不同结构的观测设备,覆盖浅海到深海。其中,英国海洋科学研究所研发成功的深海孔隙压力原位长期观测设备PUPPI是一个重要的历史节点,该设备能够在6 000 m水深的环境中连续运行一年,成为当时最成功的海底孔隙压力观测设备,其现代化的设备结构和设计理念被后续的观测设备广为借鉴。21世纪以来,得益于海洋科学技术的整体进步,国际孔隙压力观测技术发展呈现加速趋势。法国海洋开发研究院IFREMER研发的Piezometer系列孔隙压力观测探杆,代表了当今世界的先进水平,可能是目前应用次数最多的海底孔隙压力观测设备。我国在深海探测、观测技术领域起步较晚,在深海沉积物孔隙压力原位长期观测技术方面几乎空白,发展很不成熟。其中,中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所等单位进行了较多的探索性研发工作。近年来,以港珠澳大桥建设、南海天然气水合物试采等为标志的大批国家级海洋建设项目如火如荼,深海油气矿产资源开发、深海天然气水合物开采利用等海洋新兴产业快速起步,深海孔隙压力原位长期监测关键核心技术等“卡脖子”问题仍然突出,严重制约了我国海洋工程产业发展的步伐。因此,迫切需要发展具有自主知识产权和关键核心技术的国产深海沉积物孔隙压力原位长期监测技术。本文回顾了国际、国内海底孔隙压力观测技术的相关研究进展,旨在分析总结孔隙压力观测技术及其应用中涉及的一些核心技术和亟待解决的关键问题,以期为我国该项技术的发展和应用提供借鉴。     

基于原位观测的台风作用下海床孔压响应特征研究——以“利奇马”期间舟山朱家尖海域为例

台风作用下泥质海床孔隙水压力响应特征不清。选取舟山朱家尖典型泥质海床为研究对象,利用自主研发的海床孔隙水压力原位观测探杆结合水动力观测平台,研究台风\     

EH4电导率成像系统在水电隧洞工程地质灾害预报中的应用

EH4电导率成像系统在复杂地质条件下对构造、岩溶等不良地质现象的工程勘测，具有勘探深度大与分辨率高的特点，从而为水电隧洞工程勘察和评价提供了有效手段及依据。通过在吉沙水电站引水隧洞工程勘测中对地质灾害准确预报的实例说明，该系统是在特殊景观条件下先进的工程地质勘探手段。     

EH4电导率成像系统在水电隧洞工程地质灾害预报中的应用

EH4电导率成像系统在复杂地质条件下对构造、岩溶等不良地质现象的工程勘测,具有勘探深铑度大与分辨率高的特点,从而为水电隧洞工程勘察和评价提供了有效手段及依据.通过在吉沙水电站引水隧洞工程勘测中对地质灾害准确预报的实例说明,该系统是在特殊景观条件下先进的工程地质勘探手段.     

深海无缆海底基盘井口夹持系统的研制与应用

在深海勘察取样作业时,由于海流作用会引起钻杆摆动或上下运动,这是导致取得样品失真的原因之一。海底基盘可在勘察作业过程中,对钻杆进行夹持稳定,以保障作业的质量,是提高勘察作业水平的核心装备之一。根据海洋石油708船的结构尺寸与勘察作业需求,研制了一套无缆海底基盘。目前该无缆基盘在我国南海及东海海域从事勘察作业服务,累计服务时间超过30个月,有力支撑了我国海洋地质调查工作。本文对该无缆基盘的工作参数及原理、水下液压系统以及通信与控制系统进行了介绍,重点对大容量深水电池的研制进行了分析。该电池能够保证无缆基盘的作业时间达到70 h,提高了勘察作业效率,可为今后相关海洋装备的研发提供基础。     

粘土的压密状态及其力学性质

本文首先较详细一讨论了一般粘土(“结构强度”的影响可以忽路)和有“结构强度”粘土的压密状态.区分先期固结压力和结构屈服压力不同的物理实质,澄清二者之间的差别并指出混淆这种差别可能引起对土的压密状态的分析和力学性质的估计的错误.其次,讨论了土的结构强度,压密状态和压密性质之间的关系.最后,讨论了土的结构强度、压密状态和抗剪强度的关系.揭示了孔隙水压力变化的规律.     

地质灾害监测无线自动化采集传输系统的研究与应用

地质灾害监测数据自动化采集传输相对其他行业有其特殊性,但各种自动化的测量仪器及通讯手段的迅猛发展,又为地质灾害监测的自动化提供了有利条件。介绍了基于GPRS/GSM网络的远程数据采集传输系统的研究和在地质灾害实时监测示范站中的应用。结果表明,基于GPRS/GSM网络方式构建网络化灾害监测系统是可行的、经济的和方便的,也是地质灾害监测技术发展的必然趋势。     

TSP203超前地质预报系统与应用实例

TSP(Tunnel seismic Prediction)203仪器从数据采集、处理和成果解释及评估高度智能化等方面,是隧道施工安全和保证质量的理想仪器.这里介绍了TSP203系统应用原理及现场的施工布置,并结合实例分析证明,TSP203系统可以对隧道工程前方围岩地质的性质位置和规模进行比较准确的探测各预报,能确保隧道施工的安全,有效地控制了地质灾害的发生,对现场施工和监管具有重要的指导意义.     

岩土工程监测信息管理与数据分析网络系统开发及应用

针对目前水电边坡工程海量的监测信息和监测数据,为减轻监测信息管理与数据分析的劳动强度,提高劳动生产率,采用Microsoft Visual C++网络编程技术和SQL Server网络数据库开发出具有先进性、可靠性、通用性和可扩充性的岩土工程安全监测信息管理与数据分析远程可视化网络系统。将该系统应用于龙滩水电站大坝左、右岸边坡及导流洞监测资料的分析处理,实现了监测信息和数据的远程实时共享及网络化的管理和分析,使监测分析成果能够及时、准确地反馈给设计人员,对规避设计和施工风险、保证边坡施工和运行安全起到了重要的作用。     

地下工程施工监控地质地理信息系统研究

主要设计与实现了地下工程施工监控地质地理信息系统（MGGIS）。首先分析了系统特点、结构、具有的功能以及采用的平台和相关技术,定义了数据的获取和存储格式。然后在此基础上进行了3个功能独立的子系统的详细设计与实现,分别为工程计划显示子系统、平面时空效应子系统和断面图显示子系统。首次提出在RIA技术支持下,实现B/S架构下的工程地质地理信息系统;提出了反映随施工进度变化地下工程及环境空间信息的显示平台技术方案,充分反应了地下工程施工中空间信息具有时空效应的特点,适合地下工程安全风险管理的需要。该系统与同类型地理信息系统平台相比具有使用简单、交互性强、速度快等优点,研究成果已经在北京轨道交通工程安全风险监控系统和南京地铁工程安全风险监控系统等相关项目中得以应用。     

岩土工程施工监测信息系统初探

岩土工程施工监测信息系统（GeoMIS）主要以隧道、基坑和边歧工程施工监测为应用现象，运用工程可视化技术与地理信息系统GIS的全新思想，将数据库管理、分析预测与测点图形功能三者无缝集成，实现了以测点地图为中心的查询和数据输入输出的双向可视化，并提供监测概瞀和图形报表等完整的实用工具。系统功能齐全，交互灵活，无需其它应用软件系统支撑，对工程施工设计与科学研究具有实用价值。     

羌塘盆地岩石物理力学特性分析及其孔壁稳定技术

羌塘盆地是青藏高原年平均地温最低、冻土层相对较厚的地区,所处的水文地质及工程地质环境极其复杂。由于勘探程度低,深孔钻探的实钻资料较少,缺乏对该区深部岩层的岩石物理力学特性研究。因此,结合地球物理测井技术、取心和实验测试结果对QK-7孔钻遇地层岩石物理力学参数进行分析,并对冻土带异常孔隙水压力极复杂地层孔壁稳定泥浆工艺技术进行总结和探索,以期为羌塘盆地油气资源战略开发深孔钻探的顺利实施提供基础理论支持。     

地下厂房监测信息管理、预测系统的设计与应用

介绍了水电站地下厂房监测信息管理、预测系统软件的设计思想和功能。该软件能够全面存储、分析处理、检索与监测有关的测试数据、地质、地物和施工设计信息等资料,并且具有图形可视化、报表制作、监测数据建模及预测等功能;系统功能齐全,具有自主版权,其总体设计、数据库设计以及系统架构设计合理,有助于实现地下厂房的信息化施工和反馈。     

山区公路路基边坡地质灾害远程监测预报系统开发及应用

针对山区公路路基边坡点状分布、数量较多、规模相对较小且易受人类活动和环境变化影响的特点,确立了以位移和降雨量为主的监测原则,基于GPRS技术,集成触发式位移计、容栅式雨量计、数据采集传输模块和太阳能供电装置,形成了经济、节能、高效的单体边坡远程监测硬件系统。采用Visual C++网络编程技术,以SQL Server2005为数据库平台,开发了地质灾害远程监测预报软件系统,实现了数据的远程实时接收和可视化分析管理。由于公路边坡变形破坏模式多样,系统还集成了多种时间预测模型,建立了边坡变形预报模型库。通过在常吉高速公路的安装运行,系统成功地进行远程实时监控,保障了极端天气下公路的安全运营。     

基于恒阻大变形锚索的滑坡监测预警系统研发及应用

随着人类建设活动的日益频繁,天然边坡人工扰动诱发的滑坡灾害逐渐增多,已经严重威胁到人员和工程构筑物的安全与稳定,滑坡监测变得越来越重要。介绍了一种经过改进后的滑坡监测预警系统,该装置基于北斗卫星和通用分组无线服务技术（GPRS）双路通讯平台,采用zigbee技术构建多跳自组织无线传感器网络,利用具有能量吸收特性的恒阻大变形锚索替换原来的常规锚索作为传力装置,保证边坡岩体变形2 m锚索不被拉断,实现了对大变形滑坡灾害的全过程监测预警目标。另外,按照红、橙、黄、蓝4个颜色等级,建立了临滑、近滑、次稳定和稳定4级预警准则,并开发出3D自动搜索和处理软件系统,嵌入监测区地形地貌遥感图、地质断面图、监测点分布图等矢量地图,具有自动搜索、监测数据智能处理、监测曲线自动显示和监测信息快速查询等功能。该系统已在南芬露天铁矿推广应用,根据预警准则成功对2011年10月5日发生的滑坡灾害提前5 d发出预警信息,并结合降雨量和累计采矿量监测数据,耦合对比分析滑坡前、后各参数的演变特征,证明滑动力监测参数是滑坡超前预警的惟一有效参数。该系统的成功应用为其他类似边坡的超前监测预警提供了理论和实践依据。     

基于GIS的斜坡监测预测系统的设计与应用

介绍了基于GIS斜坡监测信息管理、预测系统软件的设计思想和功能。该系统能够全面存储、分析处理、检索与监测有关的测试数据、地质、地物和施工设计信息等资料,并且具有图形可视化、报表制作、监测数据建模及预测等功能;系统采用客户/服务器结构,满足不同层次用户的需求,功能齐全,其总体设计、数据库设计以及系统架构设计合理,有助于实现斜坡工程的监测信息管理和预测评价。     

黄河口饱和粉土的电性特征及其工程地质应用

通过对形成于1964年～1976年位于黄河口潮坪区粉土层样品电阻率、井中电阻率和电阻率剖面的测试,分析了土的含水率、孔隙比、饱和度、孔隙水的电阻率、颗粒成分等因素对其导电性的影响。分析结果表明：影响该地区饱和粉土导电性的主要因素为土的孔隙率。随着孔隙率的增大,其含水率升高,电阻率降低,土的电阻率和相应孔隙率的关系可用拟合公式表达。基于此,利用电阻率法成功实现了不同深度粉土沉积层微结构的变化、波浪作用导致密实度不同的粉土层空间分布状况的原位测试。     

金沙江乌东德水电站坝区高陡边坡地质灾害监测预警研究

文章以金沙江下游乌东德水电站坝区右岸水垫塘高陡边坡为例,系统探索了高度超过500 m的高陡边坡地质灾害调查识别与监测预警技术。针对常规方法难以准确捕捉高陡边坡危岩体变形破坏特征这一问题,创新采用了"登山攀岩速降技术与地质调查、工程地质测绘相结合"的方法,在乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡共调查识别了178个危岩体。在此基础上,通过构建分布式光纤应变实时监测系统和具有明显裂缝的危岩体布设拉绳位移传感器,实现了高陡边坡危岩体形变的实时监测,监测结果与实际危岩体变形一致。此外,在高程580~1600 m的坡体上还布设了6个地震动监测台站,捕捉到了包括2016年12月8日乌东德地震和2017年3月12日的鲁甸地震在内的大量地震加速度数据,并以此分析了乌东德地震波作用下的岩体动力响应特征,结果显示该边坡处于基本稳定状态。上述研究思路和方法对西南水电站高陡边坡稳定性监测预警和风险评估具有借鉴意义。