杜 星，孙永福，胡光海，宋玉鹏

(国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

重力活塞取样器贯入深度研究

杜 星，孙永福，胡光海，宋玉鹏

(国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

重力活塞取样器是一种重要的海底连续沉积物采集仪器，贯入深度和样品质量对海洋地质研究有着重要影响。通过对重力活塞取样器贯入过程建立能量守恒方程，得出贯入深度控制方程。已知取样器参数和土质类型条件，可计算取样管贯入深度，深度受取样器重量、体积、形状、取样管直径和沉积物类型等因素共同影响。已知取样器参数和贯入深度，可推测海底沉积物类型。

重力活塞取样器；能量守恒；贯入深度；摩擦系数

Abstract:Gravity piston corer is an important equipment for seabed sediment collection.Penetration depth and sediment quality have important effects on marine geology study.A penetration depth control equation is obtained by building up an equation of energy conservation based on the process of gravity piston corer penetration.This equation can calculate penetration depth when corer parameters and sediment type are available.Penetration depth is affected by the dead weight,volume,shape,diameter of the corer and sediment type.It can also be uesd to speculate about the sediment type when corer parameters and penetration depth are available.

Keywords:gravity piston corer; energy conservation; penetration depth; coefficient of friction

海底沉积物是海洋科学研究的基础，作为一种重要的海洋环境变化记录载体，无论在海洋科学研究还是海洋工程地质勘察中都具有重要的作用。因此，如何获得深海沉积物，尤其是超长、连续、无扰动的沉积物柱状样品，是深入开展科学研究必不可少的重要环节[1]。

重力取样器主要用于海底沉积物的连续取样，是一种普遍采用的非可控式取样器[2]。由于重力取样器具有结构简单、操作方便以及取样成本较低等优点[3]，在海底取样过程中起到了重要的作用，获得深海超长连续沉积物样品一度成为海洋研究的热点[4]。但是取样器贯入时，由于取样管长度和实际贯入能力不符，过长容易导致取样管折断，过短导致不能取得最大长度的连续样品。如何能提前对贯入深度作出准确计算和预测，提高取样器的效率，是重力取样亟需解决的问题。

结合取样器受力分析，建立能量守恒方程，得出了取样器贯入深度控制方程。并且使用实际海上资料进行验证。

1 重力活塞取样器结构和工作原理

1.1重力取样器结构

图1 重力活塞取样器结构Fig.1 Structure of gravity piston corer

重力取样器是一种依靠自重取样的仪器，大多结构简单，样式多变。根据不同的取样需求可以加工成特殊需求的取样器，但其基本原理都是相同的。目前一种广泛应用的高效率取样器为Kellenberg型重力活塞取样器(图1)，主要由配重、取样管、刀头、活塞、释放器等组成。

配重仓一般由钢材制作，内含配重铅块。取样管外壁为不锈钢管，内衬管一般为PVC管，内衬管可在取样结束后取出。刀头具有切割沉积物的作用。同时还有单向的闭合“花瓣”装置：取样时闭合装置打开；取样结束后向上拉起取样器时，闭合装置关闭，保护沉积物不流失。活塞为可相对取样管向上移动、产生负压的装置。传统释放器由配重锤、杠杆、缆绳组成。当配重锤触底时，杠杆失去平衡释放缆绳，取样器自由下落。

1.2取样器工作原理

整个取样过程如图2所示[5]，首先取样器由缆绳连接，自船体释放下落(图2(a))。下落至距离海底一定高度时，负重锤触底，触发器释放，取样器自由下落直至接触海底(图2(b))。取样器接触海底时，连接活塞的缆绳应达到最大长度。当取样器贯入沉积物时，活塞相对取样管向上运动，使管内产生负压(图2(c))。取样结束后，收起缆绳，回收取样器(图2(d))。

图2 重力活塞取样器取样过程Fig.2 Coring process of gravity piston corer

2 取样器贯入深度计算

2.1贯入原理

重力式取样器即重力取样器主要用于海底沉积物的取样，其基本原理是取样器靠自身的重力作用贯入海底，取得近似于贯入深度的海底沉积物样品，贯入深度取决于海底的硬度和取样器的结构形状与配重[5]。取样器整个运动过程可看做不同能量间的转换，遵循能量守恒原理。李民刚等[6]建立了从取样器触底到完全静止过程的能量守恒方程，考虑到取样器动能、重力势能和外壁摩擦做功的能量守恒，一定程度上反映了取样器贯入过程的能量变化。为了更准确地计算取样器贯入深度，可以在此基础上详细地分析取样器受力及做功，建立更完整的能量守恒方程。

其中，A为外壁摩擦力做功；Ep为重力势能；Ek为动能。

2.2贯入深度计算

取样器在从接触海底沉积物直到完全停止，所受力为ΔF=G-(Fi+Fo+Fc+FB+FD)[7]。其中，G为取样器自重；Fi为内壁摩擦力；Fo为外壁摩擦力；Fc为刀头切割沉积物阻力；FB取样器在水中的浮力；FD海水对取样器的拖拽力。取样器受力关系如下(图3)：

考虑重力势能、动能、内壁摩擦做功、外壁摩擦做功和刀头切割做功，暂不考虑拖拽力做功。根据能量守恒，从取样器初始接触沉积物至取样器贯入最大深度并静止列出方程：

其中，Ep为重力势能；Ek为动能；Wi为取样管内壁摩擦做功；Wo为取样管外壁摩擦做功；Wc为刀头切割做功。

2.2.1 重力势能

取样器在重力和海水浮力的共同作用下向下贯入，不考虑取样管体积则重力势能为：

式中：m为取样器质量；ρ为海水密度；v1为取样器体积；l为贯入深度。

2.2.2 动 能

由前人研究得知，释放取样器使其自由落体，下沉约6、7米后即可达最大速度，并不会随海水深度增加而增大速度[8]，当取样器达到最大下落速度时，速度v有如下关系：

式中：ρc为取样器密度；ρw为海水密度；CD为海水对取样器阻力系数，取1；S为取样器最大水平截面积。

取样器动能为：

2.2.3 内、外壁摩擦做功

取样器内壁与沉积物摩擦，摩擦力[7]为：

则内壁摩擦做功：

同理，外壁摩擦做功：

其中，Js为侧壁黏滞阻尼因子；v为贯入速度；Di为内壁直径；αi为内壁摩擦系数(0.3～0.6)；Do为外壁直径；αo为外壁摩擦系数(0.3～0.6)。

2.2.4 刀头切割做功

刀头受力[7]为：

做功为：

式中：Dc为刀头外径；αc为刀头摩擦系数；θ为刀头角度；k为系数，τc=k(1+1.3l)。

2.2.5 能量守恒方程

将式(3)、(5)、(7)、(8)、(10)代入(2)，整理得：

结合式(4)和(11)，可求出取样器贯入深度l。

3 实验验证

3.1实验方法

1) 将实际取样器参数代入式(4)与(11)，根据方程计算出理论贯入深度；

2) 当取样器参数(质量、体积、取样管直径)确定时，分别作出贯入深度随沉积物参数(摩擦系数与k)变化的趋势线；

3) 将实际海上取样数据代入计算趋势图中检验；

4) 定量分析实际数据与计算值的偏差率。

3.2实验数据

数据分别来源于2006至2011年广州的几个海洋地质调查项目[7]，以及国家海洋局第一海洋研究所某调查航次[6]。表1和表2分别为两个取样器在不同航次的取样数据。海水密度ρ取1.025×103kg/m3，取样器密度为11.3×103kg/m3，黏滞阻尼因子Js为1.516×10-6kPa·s，刀头交角θ取30°，根据经验[9]，令αo取0.3～0.6(表3)，αi=αo-0.1，k=30αo-8。则当取样器参数确定时，取样深度随着沉积物参数改变。

表1 重力活塞取样器实际贯入深度(取样一)Tab.1 Practical penetration depth of gravity piston corer

表2 重力活塞取样器实际贯入深度(取样二)Tab.2 Practical penetration depth of gravity piston corer

表3 外壁摩擦系数Tab.3 Coefficient of friction between sediment and outer surface

3.3实验结果

按照取样器参数不同，将数据整理为3类，每一类均为相同配重的同一取样器，只有沉积物参数不同。对三组数据按照式(4)和(11)对取样器贯入深度进行计算，拟合出贯入深度趋势线。将实际数据按坐标投影到相对应的图中(图4所示)。表4给出了具体的计算数据及数据与实际贯入深度的偏差量。

图4 不同配重取样器实际贯入深度与计算深度比较Fig.4 Comparison between actual and calculated penetration depth at m=1 300 kg,1 500 kg,1 800 kg

表4 实际和计算贯入深度数据对比Tab.4 Data of actual & calculated penetration depths

(续表)

4 讨 论

对重力活塞取样器取样的过程受力分析，将每个力均转化成能量的形式，并根据能量守恒原理建立了贯入深度控制方程。通过代入参数计算可得到贯入深度计算值。计算贯入深度与实际深度相比总体趋势一致。文中提出的公式能较为准确地计算重力活塞取样器的取样深度。取样器参数确定时，贯入深度随着海底沉积物的摩擦系数增大而减小，计算值与实际贯入深度具有良好的一致性。根据经验，砂土与取样管外壁摩擦系数为0.5～0.6；粉土为0.4～0.5；黏性土为0.3～0.4。确定取样器的各参数，根据研究区的底质类型可进行贯入深度预测。在不确定底质类型的条件下，取样器的贯入深度也可以一定程度上反映底质类型。不同的贯入深度体现了不同的摩擦系数，反映了不同的底质类型。

理论值与实际值差值受到取样器设计本身、取样操作过程、天气条件[10]、海底地质特征等影响。其中，取样器本身结构参数对取样深度有着最重要的影响。相同质量时，取样器体积、最大横截面积越小、取样管壁薄、形状越能减小水中阻力，越易获得更大的取样深度。受材料密度影响，体积变化范围有限，可考虑将配重仓纵向拉长以减小横截面积。考虑取样管强度影响，管壁强度需大于其受力。在保证强度足够的基础上应尽量减小管壁厚度。取样器形状应尽量具有减小水阻力的作用，可考虑将传统的圆柱体配重仓做成流线型。取样过程中操作的规范程度、熟练程度都会影响最后的贯入深度。恶劣的气候条件会对取样造成很大的影响。作业船在深海取样时无法抛锚，若有大风浪则会致使取样器受缆绳的拖拽严重。海底沉积物复杂多样，而公式将其当作均一沉积物进行计算，会产生一定误差。

造成其数值偏大的可能原因有：1) 实际末速度达不到理论最大速度；2) 取样器还受到海水拖拽力的影响，速度越大阻力越大；3) 取样器与沉积物碰撞有能量损耗；4) 样品在取样管内受到一定压缩，实际贯入深度大于样品长度。实际海上取样时，释放器预留缆绳长度为经验值，不同海况条件时较难达到理论最大速度值，末速度偏小则导致实际贯入深度偏小。取样器在贯入时，仍受到海水拖拽力。拖拽力做功消耗贯入能量，导致贯入深度变小。取样器刚接触海底沉积物时，碰撞会损耗部分能量，导致贯入深度变小。实际资料的贯入深度值均为通过样品的长度推导得到。重力取样器的样品在取样管内会受到不同程度的变形，有的受到压缩致使其长度小于实际贯入深度[5]，有的受到拉伸致使样品长度略大于贯入深度。实际贯入数据的偏差导致与计算值有一定的差异。

实际出海所得贯入深度数据较少，且部分参数缺失，缺失的参数文中按照经验赋值，对结果的精确性造成了一定影响。为进一步研究取样器贯入深度公式，应制作取样器模型，做大量有针对性的实验数据。进一步探究贯入深度与末速度、取样器质量、沉积物类别等因素的关系。

5 结 语

1)提出的重力活塞取样器贯入深度控制方程经检验与实测数据一致性良好，可以预测取样器贯入深度。

2)重力活塞取样器贯入深度主要由配重、体积、取样管直径、刀头角度、沉积物类型决定，同时受操作、天气等条件影响。

3)取样器参数确定时，根据摩擦系数可以计算贯入深度。黏性土、粉土、砂土的摩擦系数范围分别为0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6。

4)海底沉积物类型未知时，通过沉积物贯入深度可以反向推测海底沉积物参数，从而初步确定海底沉积物类型。

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Study on penetration depth of gravity piston corer

DU Xing,SUN Yongfu,HU Guanghai,SONG Yupeng

(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China )

P736.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.015

1005-9865(2016)03-0133-07

2015-08-19

国家海洋公益性行业科研专项——近海海底地质灾害预测评价及防控关键技术研究(201005005)

杜 星(1991-)，男，辽宁大连人，硕士研究生，主要从事海洋工程地质方面研究。E-mail：duxing@fio.org.cn