2.1 我国矿区水文特性和海泥土力学特性

1999年3月5日，在完成开辟区50%区域放弃义务后，中国大洋协会为我国在夏威夷群岛以东约1 800千米的太平洋底获得了7.5万平方千米具有专属勘探权和优先商业开采权的金属结核矿区。该矿区分为东、西两区。其详细地理位置如图2-1所示。图中左上角为目前探明的联合国管理的太平洋公海锰结核富矿区，标记区域为我国矿区的形状和地理位置。自1983年以来，我国对大洋锰结核矿区进行了多次勘测，已初步调查清楚我国矿区的深海水文特性和海泥土力学性质。

2.1.1 我国矿区底层海流动力学特性

由文献可知，在我国矿区内，近底海流以低的平均速度和在速度及方向上的高变化性为特征。研究表明，深海底流的主要变化和气象尺度的变化一样与惯性和潮汐振荡相关，在矿区存在着3种明显的水动力学状况：

(1)平静期：以最小的水流速度(0～3cm/s)，中等到低的变化性和低潮汐活动为特征；

(2)中等尺度的惯性潮汐期：以水流速度的改变(0至5～6cm/s)和相应增加的速率为特征；

(3)活跃期：最初与水流速度的急剧增加相联系。这种水流速度的增加可维持一个相对稳定的时期，形成的水流流速24h平均值可达8cm/s(或更高值），且某一小时的平均值可达13～15cm/s。这些事件被称为“海底风暴”。这种变化通常具有规律性，而非间歇性的，其持续时间在1～2周或5～6周，与海面典型的气象变化的时间尺度相一致。与深海海底风暴相伴随的另一个特点是海流方向也发生显著的变化。

从矿区1998—1999年锚系海底海流计的分析结果来看，近底海流的平均值在3～9cm/s之间，且越近底流速越大，流向以东北向为主。锚系记录的谱分析结果也表明，在东小区离底5米的海流计(E05)观测到的海流结构有一个两月和一月的显著周期，尤其是两月周期更为明显，高频部分是半日、全日和2.5日周期。显然半日和全日周期是潮汐周期,2.5日周期是惯性振动周期(图2-2)。

总而言之，我国矿区整个海域处在南极底层水向东北稳定延伸的区域内，水动力条件总体上较为缓慢，但也存在着周期性的水流速度大于15cm/s的海底风暴。由于海底存在周期性洋流，对采矿机器车行走建模必须考虑水阻力的问题。

2.1.2 我国矿区海泥土力学性质

由文献可知，我国矿区表层沉积物为淡黄色或浅棕色粉土质土，下部沉积物主要是褐色粉土质土和棕黑色粉土质土。各区域土的含水量在208%～271%之间，含水量自上而下减少。土的压缩性指标在6.5～8.0MPa之间，压缩模量在0.96～1.12MPa之间，固结系数为0.8×10- ³ ～2.5×10-3 cm ² /s,表明矿区各段土具有高压缩性、低强度和固结速度快的特点。土的贯入阻力在4.8～44.7kPa之间，土的十字板剪切强度在4.0～15.5kPa之间。直剪试验结果土的内聚力C=4.0～12.0kPa,内摩擦角φ=5.9°～12.0°。在直剪试验过程中，在垂向上原状沉积物不能承受400kPa的压力进行快剪试验，有的试样甚至不能承受200kPa压力。下表为我国矿区地层物理力学性质指标统计。

由以上调查结果可知，我国矿区深海泥的土力学特性与普通陆地土壤有很大不同，具有大孔隙比、高含水性、高可塑性、高压缩性、低强度和土质较弱的特点。因此，有必要从地面力学的角度，重新计算采矿机器车—深海底海泥的力学作用，从而建立深海底采矿机器车的动力学模型。 7naG/sLDh1uwh0maYgQ1aKY+ACaNZR1hkkCxkKsAE0tSnr/2GN+42EraYdEQw/6q