海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚

摘要

本发明属于海洋内波潜标观测技术领域，提供一种适用于海洋内波观测潜标的防腐防裂防电化重力锚。主要包括高强防腐防裂阻锈深海专用混凝土的配制，内波观测潜标重力锚重量的工程化、定量化设定，重力锚形体的力学、美学和实用性设计，以及潜标重力锚吊环功能分工的“五点阵列”式设计。不仅解决了深海潜标重力锚的材料、重量确定以及与标体连接蚀断等问题，而且形体美观、搬运方便、使用可靠。

权利要求

1.一种海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，包括钢筋骨架，以及用于浇筑锚体的组分，所述组分包括：胶材、砂石骨料、减水剂、阻锈剂、防腐剂、引气剂；

所述胶材包括分别占胶材总量的45％、25％、20％和10％的硫铝酸盐水泥、矿粉、微珠和硅灰；

所述砂石骨料的总量密度范围为2500～2700kg/m3，固定砂率38％，固定水胶比0.18。

2.根据权利要求1所述的海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，所述组分还包括为体积掺量的0.45％、长度为45-55mm的聚丙烯纤维。

3.根据权利要求1所述的海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，重力锚为圆柱体结构，其径高比满足黄金分割：其中，h为高度，d为直径。

4.根据权利要求3所述的海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，所述钢筋骨架为高是80％h、直径是80％d的圆柱形钢筋骨架网。

5.根据权利要求4所述的海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，所述重力锚上表面设有吊环；

以圆柱上表面圆心为中点、对角线长度为50％d形成正方形，所述正方形包括东顶点、西顶点、南顶点、北顶点四个顶点；

以每点为中心、内直径为10％h分别设有半圆形吊环，中点为标体连接钢筋环、东顶点为拉力锚连接钢筋环、西顶点为布放吊拉钢筋环、北顶点为标体连接Kevlar纤维环、南顶点为拉力锚连接Kevlar纤维环；

其中，所述拉力锚连接钢筋环、所述标体连接钢筋环、所述布放吊拉钢筋环的钢筋材质与所述圆柱形钢筋骨架网相同，且各吊环下部和所述圆柱形钢筋骨架网联成一体。

6.根据权利要求5所述的海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，还包括以所述正方形每个边的中点为中心、1％h为直径、贯通所述重力锚上下面的通孔。

7.根据权利要求3所述的海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，所述重力锚下底面开设高度为10％h、宽度为1/3h的沟槽；

所述重力锚上表面与下底面的边缘设有倒角结构。

8.根据权利要求1所述的海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚，其特征在于，重力锚重量由G＝s(F-N+mD)确定，其中，G为重力锚的重量，F为潜标浮体系统的总浮力，N为潜标除浮力系统和锚固系统外所有装备在水中的总净重，D为垂直流速对潜标特征体最大向上曳力，m为垂直流速对整个潜标体的相对于特征体的曳力系数，s为安全系数。

说明书

海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚

技术领域

[0001] 本发明属于海洋内波潜标观测技术领域，具体涉及一种海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚。

背景技术

[0002] 潜标定点内波观测是当前海洋内波观测的基本方式，其中起定位作用的重力锚是潜标的必要组成部分，是潜标在水下进行持续准确观测的“定海基石”，其作用不仅在于确保潜标的水平位置固定不变，也要确保标体不因内波等因素离开海底。

[0003] 海洋潜标常发生丢失和移位事故，其主要原因，一是重力锚重量不够，二是潜标体与重力锚脱开。采用铸铁式重力锚，不仅铸铁成分的一致性难以保证，其与潜标体的连接环无论是采用同种铸铁或其他惰性金属都不能有效防止海水中的电化学反应，连接环锈蚀断裂的概率很高；采用废旧火车轮组合式重力锚，虽然锚体本身的电化学反应有所缓解，串联火车轮的金属件和连接环的海水电化学反应仍得不到有效解决；采用普通的水泥预制件重力锚，一是连接环的海水电化学反应虽有减缓但仍有隐患，二是在布放中对海底的高速撞击易发生碎裂，三是受海水高压易发生碎裂，四是在海水中存放长久易受海水腐蚀而碎化。

[0004] 我国海洋调查的全球化格局已经展开，潜标观测是其中最为重要的方式，急需可靠、稳定、能长期持续工作的防腐防裂防电化重力锚；对于海洋内波观测潜标，更须针对内波的极值参数进行特殊设计。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于海洋内波观测潜标的防腐防裂防电化重力锚。本发明的主要内容包括：

[0006] (1)高强防腐防裂阻锈深海专用混凝土的配制：胶材总量中硫铝酸盐水泥、矿粉、微珠和硅灰分别占胶凝材料总量的45％、25％、20％和10％，砂石骨料选材的总量密度范围2500～2700kg/m3，固定砂率38％，固定水胶比0.18；加入减水剂、阻锈剂、防腐剂、引气剂等外加剂；按体积掺量的0.45％，将聚丙烯纤维切短至45-55mm，然后与混凝土混合。

[0007] (2)重力锚重量的确定：

[0008] 1)强内波区最大垂直流速的设定：内孤立波多发生在坡折或海槛区，内孤立波垂直流速为O(10)cm，目前观测到的最大垂直流速为50cm/s；坡折区垂直流速为O(0.5)cm；强中尺度涡垂直流速为O(0.5)cm；表面波辐散辐合引起的垂直流为O(0.1)cm。考虑到这些因素会在特定的时空条件下发生正相迭加，特别是不同的强内孤立波正相迭加，设定强内波区最大垂直流速为1m/s.

[0009] 2)垂直流速对潜标特征体最大向上曳力的计算：根据牛顿阻力平方定律，通过进行向上曳力D的计算，基于海洋内波潜标特征体形状和内孤立波运动学结构特征进行典型特征值的设定，其中，绕流阻力系数Cd＝1，海水密度ρ＝1025kg/m3，最大垂直流速u0＝1m/s，迎流投影面积A＝1.2m2，求得D＝614.9N.

[0010] 3)重力锚重量的确定：重力锚重量由G＝s(F-N+mD)确定，其中，G为重力锚的重量，F为潜标浮体系统的总浮力，N为潜标除浮力系统和锚固系统外所有装备在水中的总净重，D为垂直流速对潜标特征体最大向上曳力，m为垂直流速对整个潜标体的相对于特征体的曳力系数，s为安全系数；取F＝2N、s＝2.5、m＝2.

[0011] (3)重力锚黄金圆柱体设计：高为h，直径为d，二者关系满足黄金分割，标准体积设定为1.1m3，则d＝1320mm、h＝816mm.

[0012] (4)重力锚黄金圆柱体钢筋骨架设计：采用二八定律，以高为80％h、直径为80％d构造圆柱形钢筋骨架网，从而保证10％长度的钢筋护缘。

[0013] (5)重力锚功能性吊环的“五点阵列”式设计：以圆柱上底面圆心为中点、对角线长度为50％d形成正方形，其中点和东、西、南、北四个顶点构成“五点阵列”；以每点为中心、内直径为10％h分别设计半圆形吊环，中点为标体连接钢筋环、东点为拉力锚连接钢筋环、西点为布放吊拉钢筋环、北点为标体连接Kevlar纤维环、南点为拉力锚连接Kevlar纤维环，其中，北、中、南三环为东西向，东、西两环为南北向，东、中、西三环的钢筋材质与圆柱形钢筋骨架网相同，且各吊环下部必须和圆柱形钢筋骨架网联成一体；标体或拉力锚与钢筋环连接的长度要小于与Kevlar纤维环连接的长度。

[0014] (6)重力锚减压通孔设计：分别以“五点阵列”的正方形每个边的中点为中心、1％h为直径，开设贯通圆柱形重力锚上下底面的通孔。

[0015] (7)重力锚底部沟槽设计：在重力锚下底面，以与上底面北、中、南三点连线相对应的直径为中线，向东1/3h作平行线，向西1/3h作平行线；分别以东、西线为中心，开设高度为10％h、宽度为1/3h的沟槽；圆柱形钢筋骨架网在相应位置上抬10％h.

[0016] (8)重力锚边缘倒角设计：重力锚边缘采用C40倒角。

[0017] (9)根据以上设计，制作模具，安放钢筋骨架及配套构件，通过浇筑砼等过程，完成海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚的制作。

[0018] 本发明具有的有益效果：

[0019] (1)配制的高强防腐防裂阻锈混凝土，解决了对环境零污染的深海潜标重力锚材料问题：通过胶材总量的配比控制、砂石骨料的选材控制、固定砂率控制和固定水胶比控制等，使混凝土强度达到70MPa以上，适用最大水深7000m；通过硫铝酸盐水泥的采用和防腐剂的添加等可以有效防止海水腐蚀，达到至少20年有效期；通过聚丙烯纤维的加入和4点通孔的设计，使重力锚在布放着底过程中抗冲击性增加3倍，以及在极限水深中抗碎裂散化能力提高3倍；重力锚钢筋骨架的材质与金属吊环相同、且保持与边缘10％长度的距离、以及阻锈剂的加入等，有效阻止了锚体内部的电化学反应和金属锈蚀。

[0020] (2)首次对内波观测潜标的重力锚重量进行了量化工程设定，给出了计算方法和公式。

[0021] (3)重力锚形体采用黄金圆柱体设计、底部沟槽设计和边缘倒角设计等，不仅做到了重心的稳定性控制和搬运、布放的安全与便利，也具备了特定的美学视感，改变了传统潜标重力锚形体杂乱、搬运困难等状况，同时具有适应水动力环境、抗受损能力强、水流绕行模式稳定的优点。

[0022] (4)首次实现了潜标重力锚吊环功能的明确分工和系统性设计，“五点阵列”式设计不仅功能全面、位置代表性好，也是最简洁、最系统的设计；将易损坏的布放吊拉钢筋环单独出来，布放完成后就不再使用，避免了对其他功能性连接的误伤；标体采用钢筋和Kevlar纤维并联的方式与重力锚相连、且前者连接的长度小于后者连接的长度，确保在可预测意外条件下连接的可靠性，解决了标体连接防电化的不确定性。

附图说明

[0023] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

[0024] 图1为海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚成型外观图，整体结构是一个黄金圆柱体，上底面设有“五点阵列”式功能性吊环以及四个减压通孔，下底面设有便于搬运和布放的两个沟槽；图2为内部钢筋网结构图，钢筋骨架也是黄金圆柱体，五个功能性吊环与钢筋骨架连为一体，保证了重力锚整体受力良好，与混凝土的结合牢固。

[0025] 1.标体连接Kevlar纤维环 2.布放吊拉钢筋环 3.标体连接钢筋环 4.标体连接Kevlar纤维环 5.拉力锚连接钢筋环 6.减压通孔 7.黄金圆柱体 8.底部沟槽

具体实施方式

[0026] 根据发明内容，制作海洋内波观测潜标防腐防裂防电化重力锚的具体施工操作如下：

[0027] (1)清理模具：必须将模板上的杂质完全清理干净。

[0028] (2)涂刷隔离剂：模板清理干净后，均匀的涂刷隔离剂，涂刷隔离剂必须均匀，不能沾污模板表面。

[0029] (3)安放钢筋骨架及配套构件：钢筋加工车间按计划提前将构件所用各种构造件下料并弯折好，运至构件加工现场绑扎，绑扎时严格按照图纸要求，钢筋的数量，规格，位置必须要准确。

[0030] (4)支模板：钢筋和构件绑扎完毕，开始支设模板，模板支设要拼缝严密，不漏浆，几何尺寸符合图纸和规范要求，不能在浇筑砼时出现鼓模，变形，漏浆等情况。

[0031] (5)浇筑砼：砼搅拌前应根据实验室出具的配合比，调整沙、石子含水率，并计算出每一罐砼，实际水泥、沙、石子、水的实际用量。然后设定配料机的投料程序，计量准确后，进行砼搅拌。搅拌过程中应根据天气和实际情况，严格控制水灰比，浇筑砼要求连续浇筑，不间断，不能形成接茬现象，振捣时间以砼表面泛桨和表面不再冒气泡为宜，严禁漏振，振动棒插点要求间距不超过30cm。砼振捣必须密实，要求底部，侧面密实、光洁。

[0032] (6)覆盖、养护、脱模：构件砼振捣完毕，对构件进行覆盖，覆盖用薄膜密封，顶部覆盖毡毯，防止水分蒸发，养护时间以与构件同条件养护的试块强度确定，当试块强度达到设计强度的80％后，方可脱模。

[0033] (7)构件存放与检查：现场要平整、坚实、排水性能好，有足够的刚度、不下沉。构件存放到现场后，对构件的外观、几何尺寸等进行检查，有因起模过程构件碰撞造成的缺陷，要及时修补，构件检查完毕，标注生产日期、规格型号。