湯清之，徐陽光

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引 言

長柱狀重力取樣器是一種專門用來獲取海底沉積物樣品的科考取樣設(shè)備，廣泛應(yīng)用于海底礦產(chǎn)資源勘探、海洋地質(zhì)學(xué)研究和全球氣候及環(huán)境研究等領(lǐng)域中。在實際作業(yè)過程中，常將長柱狀重力取樣器分為重力直通式取樣器和重力活塞式取樣器2種，其中：重力直通式取樣器在貫入海底時，隨著深度的增加，摩擦力會急劇增大，阻礙土樣繼續(xù)進入取樣管內(nèi)并使樣品被壓實，這種現(xiàn)象稱為“樁效應(yīng)”，會造成取樣長度小于取樣器的貫入深度，且當(dāng)取樣管上方的空氣未能及時排出時，會造成貫入阻力增大，樣品被壓縮，一般應(yīng)用于長度較短的長柱狀取樣中；重力活塞式取樣器的活塞處在沉積物與海水的分界面上，當(dāng)取樣器插入沉積物時，活塞會在取樣管襯筒內(nèi)產(chǎn)生一個吸力，使取樣的長度能接近取樣器的貫入深度，一般應(yīng)用于長度較長的長柱狀取樣中。

20世紀時，我國的長柱狀重力取樣器發(fā)展比較緩慢，取樣長度一般不超過10m。近年來，隨著中外海洋科考技術(shù)交流日益緊密，長柱狀重力取樣技術(shù)得到了快速發(fā)展，據(jù)報道，目前我國長柱狀重力取樣的最大樣品長度可達到23.6m，取樣水深可達到2500m，有效改善了我國高質(zhì)量長巖芯研究樣品匱乏的現(xiàn)狀。圖1為長柱狀重力活塞式取樣器布放作業(yè)場景；圖2為取樣得到的巖芯樣品。

圖1 長柱狀重力活塞式取樣器布放作業(yè)場景

圖2 取樣得到的巖芯樣品

在以往收放長度較短的長柱狀重力取樣器過程中，由于取樣器和樣品的質(zhì)量都較輕，且作業(yè)水深比較淺，纜繩張力并不是一個關(guān)鍵要素，一般的地質(zhì)鋼纜絞車都能滿足作業(yè)需求。但是，隨著長柱狀重力取樣器的長度越來越長，取樣器和樣品的質(zhì)量越來越重，水深越來越深，收放取樣器時需要的絞車拉力越來越大，這逐漸成為制約取樣器作業(yè)能力的重要因素。這是目前科考船設(shè)計初期就需要考慮和預(yù)判的重要因素，在選地質(zhì)絞車時，需緊密配合長柱狀重力取樣器的性能特點進行配置。

1 重力取樣載荷工況

重力取樣收放系統(tǒng)纜繩所受張力的最大值出現(xiàn)在收纜階段，收纜階段可根據(jù)作業(yè)流程細分為破土階段、起升階段和出水階段，對應(yīng)的纜繩張力分別為

F

、

F

和

F

。

1.1 破土階段

破土階段是指重力取樣管扎入底層沉積物中之后，通過纜繩向上拔出的階段。該階段的纜繩張力主要取決于沉積物與取樣器之間的摩擦力，以及纜繩、取樣管和管內(nèi)沉積物在水中的重力，即

式(1)中：

f

為沉積物與取樣器之間的摩擦力，N；

W

為纜繩在水中的重力，N；

W

為取樣器在水中的重力，N；

W

為沉積物在水中的重力，N。

1.2 起升階段

起升階段是指重力取樣管已離開海底，依靠纜繩從海底回收到海面的過程。該階段的纜繩張力主要取決于纜繩和取樣器在水中的水動力，以及纜繩、取樣管和管內(nèi)沉積物在水中的重力，即

式(2)中：

F

為纜繩在水中的水動力，N；

F

為取樣器在水中的水動力，N。

對于復(fù)雜海況下的纜繩作業(yè)，纜繩上實際還承受著海流拖曳力，若將地球視為旋轉(zhuǎn)系而非慣性系，則還需考慮科里奧利力。但是，這些力的方向相對于纜繩主要拉力的方向而言并不是沿豎直方向的，且其大小可忽略不計，因此本文不予考慮。

1.3 出水階段

出水階段是指取樣管從完全浸沒在水中到穿過水面完全暴露在空氣中的過程。該階段的纜繩張力主要取決于取樣管穿透水面時克服的水面張力，以及取樣管和管內(nèi)沉積物的自重。由于取樣管在出水前的受力已變?yōu)榈跫苌系妮o助絞車纜繩受力，而非活塞式的取樣器仍是主纜受力，因此需根據(jù)取樣管的類別區(qū)分受力的纜繩。為統(tǒng)一起見，本文仍對主絞車拉力進行計算，輔助絞車受力大小的計算方法與之相同，可參照該方法進行計算。

式(3)中：

F

為離開水面時克服的水面張力，N。

1.4 絞車拉力取值確定

對比

F

、

F

和

F

，選擇三者中的最大值作為絞車所需拉力的取值，即

通過比較可知，

F

、

F

和

F

中都含有

W

和

W

，由于

W

和

W

都能簡單計算出來，且在比較不同工況下的絞車拉力時作為同類項可不予考慮，因此本文不再贅述，下面重點討論其他受力因素。

由于纜繩在整個走纜路徑上經(jīng)過滑輪組時受到的摩擦力和船舶在波浪中運動產(chǎn)生的加速度等因素能很方便地在其他文獻中找到計算方法，并不影響本文的研究，故本文不再贅述。

2 重力取樣受力因素分析

2.1 沉積物與取樣管之間的摩擦力

如前文所述，沉積物在破土階段所受摩擦力是影響纜繩張力的一個重要因素，因為重力取樣一般都是在海底軟泥地質(zhì)上進行的，其工作介質(zhì)一般為軟泥黏土和砂質(zhì)軟泥黏土等，這類地質(zhì)一般彈性比較差，可直接簡化為塑性模型，這樣取樣器在拔出過程中主要受到沉積物與取樣管管壁之間的摩擦阻力

f

的作用。根據(jù)文獻[4]，該摩擦力的計算式為

式(5)中：

τ

為沉積物極限應(yīng)力摩擦因數(shù)，kg/m；

g

為重力加速度，m/s；

l

為取樣管圓周長，m；

u

為貫入深度，m。通過試驗可測得常見地質(zhì)中軟泥黏土的極限應(yīng)力摩擦因數(shù)1

τ

＝500～800kg/m，砂質(zhì)軟泥黏土的極限應(yīng)力摩擦因數(shù)2

τ

＝800～1500kg/m，黏土砂質(zhì)3

τ

＝1500～2000kg/m，砂質(zhì)4

τ

＝2000kg/m，這是常見的鋼質(zhì)表面與沉積物之間的極限應(yīng)力摩擦因數(shù)。

2.2 纜繩和取樣器的水動力

一切在水中以一定速度運動的物體都會受到水的作用力，該作用力一般統(tǒng)稱為水動力。一般而言，纜繩的長度長、直徑小，取樣器的長度相比纜繩的長度較小，其在水中的摩擦阻力可忽略不計；纜繩的直徑相比取樣器配重頭的直徑較小，其拖曳力可忽略不計。因此，僅考慮纜繩與水體之間的摩擦力 c

F

和取樣器的拖曳力，忽略纜繩的拖曳力和取樣器與水之間的摩擦力，即

式(7)中：

ρ

為海水密度，取1.025×10kg/m；

C

為纜長方向上的摩擦因數(shù)，一般取0.03；

D

為纜繩直徑，m；

S

為水中纜長，m；

v

為收纜速度，m/s。

需說明的是，式(7)為纜繩與水體之間的摩擦力的經(jīng)驗計算公式，若要精確計算纜繩與水體之間的摩擦力，需采用專業(yè)的流體計算軟件進行求解，而這會花費大量時間，且求解精度遠超過實際工程使用的需要，故推薦采用式(7)快速計算摩擦力。

取樣器（被投放物）的拖曳力

F

的表達式為

式(8)中：

C

為拖曳力系數(shù)，取樣器迎著運動方為一平面，平面對應(yīng)的拖曳力系數(shù)一般取1.0；

A

為被投放物在纜繩法平面上的投影面積，m。

2.3 纜繩在水中的重力

長期以來，鋼纜因具有堅固耐用的特點而廣泛應(yīng)用于海洋科考中，特別是廣泛應(yīng)用于海底地質(zhì)取樣中。但是，隨著國內(nèi)外海洋科考的作業(yè)水深越來越深（基本上都已達到10000m以上），考慮到纜繩在水中的偏移等因素，實際科考船上為馬里亞納海溝作業(yè)準備的纜繩的長度都會達到12000～13000m。但是，當(dāng)鋼纜長度達到一定數(shù)值之后，會形成自重與拉力之間的矛盾。以直徑為19mm的鋼纜為例，其破斷力普遍達到300kN左右，但其在海水中的平均自重約為1.75kg/m，若釋放10000m鋼纜，其自重就接近17.5t，已超過破斷力的1/2，此時已很難支撐纜繩自重，更無法提供足夠的繩端負荷。若將鋼纜直徑增加到25mm，其破斷力能增加到550kN左右，但其在海水中的平均自重增加到了2.72kg/m，若同樣釋放10000m鋼纜，其自重為27.2t，也接近鋼纜破斷力的1/2，仍無法提供足夠的繩端載荷。由此可見，單純地增加鋼纜直徑很難滿足極限深海作業(yè)環(huán)境下的繩端負載要求，這就是鋼纜自重與拉力之間的矛盾；同時，鋼纜直徑過大會導(dǎo)致整個絞車系統(tǒng)的輪轂、滑輪和排纜等機構(gòu)體積巨大、重量激增，不利于船舶的總體設(shè)計。

在此情況下，一些高分子量聚乙烯材質(zhì)應(yīng)用到了深海地質(zhì)纜繩中，這種材質(zhì)的纜繩可在水中做到零重力或微重力，且其破斷力接近同直徑的鋼纜。比如科考船上常用的25mm纖維纜，雖然外包有防磨層，其破斷力不如同直徑的鋼纜，但也能達到300kN以上，其密度僅為0.97×10kg/m，水中重力為零，破斷力除以安全系數(shù)之后幾乎全部作為繩端載荷。一般對于科考船普遍裝備的纖維纜而言，其進入水中作業(yè)之后的重力可忽略不計。

2.4 水面張力

水面張力很難計算，一般需依靠專業(yè)的仿真軟件或試驗方法才能精確計算出來，且其中重要的海水表面張力系數(shù)受海水溫度和鹽度的影響很大，若要進行復(fù)雜的分析計算，顯然不符合工程實際。中國船級社給出了該問題的解決方案，考慮穿過空氣/水界面時受到的影響，被起升的水下物體（例如重力取樣器、潛器等）可考慮1.7倍的起升系數(shù)，在扣除起升的物體的自重之后，即可認為水面張力為物體自重的0.7倍，即

3 算 例

某船在某平靜的海域下進行地質(zhì)取樣作業(yè)，采用長度為30m的取樣器，預(yù)計插入沉積物深度為30m，取樣管直徑為127mm，配重頭直徑為600mm，預(yù)估取樣之后的沉積物加取樣器在水中的質(zhì)量為6t（重力加速度取9.81m/s）。經(jīng)淺剖探測，目標地質(zhì)為軟泥黏土，水深6000m，擬采用直徑為25mm、破斷力為300kN的纖維纜（水中重力為0）以1m/s的回收速度取樣，配合的地質(zhì)絞車拉力為200kN，校核絞車拉力和纜繩的安全系數(shù)。

1) 計算破土階段拉力

F

：根據(jù)式(1)和式(6)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可得

F

＝ 176.3kN 。2) 計算起升階段拉力

F

：根據(jù)式(2)和式(7)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可得

F

＝ 66.3kN 。3) 計算出水階段拉力

F

：根據(jù)式(3)和式(9)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可得

F

＝ 100.1kN 。4) 校核絞車拉力：

T

＝max(

F

,

F

,

F

) ＝

F

＝ 176.3kN ＜ 196.2kN 。因此，絞車拉力是安全的。

4 結(jié) 語

本文重點闡述了長柱狀重力取樣地質(zhì)絞車拉力取值確定的基本方法，通過算例找到了一定的規(guī)律，即：一般而言，最大拉力出現(xiàn)在破土階段，雖然出水階段的拉力也比較大，但更多的是因為包含了工程余量。此外，行業(yè)內(nèi)對科考絞車使用的纜繩的安全系數(shù)沒有明確的規(guī)定，根據(jù)海上作業(yè)的實際情況，在長期使用過程中纜繩的安全系數(shù)不要小于2.0，在極限工況下纜繩的安全系數(shù)不小于1.5都是能接受的，且纜繩的安全系數(shù)越大，意味著纜繩的負載越輕，達到其材料極限的可能性越小，纜繩的使用壽命越長。基于工作中積累的經(jīng)驗，為同類型科考船的重力取樣系統(tǒng)設(shè)計提出以下建議：

1) 如果確需進行深海取樣，建議配置纖維纜絞車，但纜繩成本略高；

2) 在取樣管表面進行特殊涂裝以減小破土力，是控制絞車拉力的有效手段；

3) 地質(zhì)纜繩的投放點盡可能靠近船中，以降低船舶運動產(chǎn)生的加速度的影響；

4) 結(jié)合當(dāng)前的前沿技術(shù)，可在取樣作業(yè)期間開啟動力定位和零航速下的減搖設(shè)備；

5) 從絞車至纜繩投放點的路徑盡可能短，減少滑輪的數(shù)量，以減小系統(tǒng)的總摩擦力。

長柱狀重力活塞取樣是海洋綜合科考船最復(fù)雜的水下取樣作業(yè)之一，所需絞車拉力較大，合理地確定此項作業(yè)需使用的絞車的拉力值可有效控制項目建設(shè)成本、空船重量和電力負荷等，有利于海洋綜合科考船的精細化設(shè)計。