一种基于海洋观测探杆的海底静力贯入装置及贯入方法

摘要

本发明涉及海洋工程地质、海底原位长期观测技术领域，特别公开了一种基于海洋观测探杆的海底静力贯入装置及贯入方法。该基于海洋观测探杆的海底静力贯入装置，包括探杆立架、外卡环以及底座，其特征在于：所述外卡环上安装有探杆定位装置和压帽式结构，底座包括上底板、下底板以及位于两者之间的分离板，上底板上安装有相互连接的电池仓、驱动器仓和电机，电机通过驱动绳连接压帽式结构，外卡环和底座之间对应夹紧固定有探杆。本发明结构设计合理，性能稳定，工作效率高，设备体积小，不仅实现了海底观测探杆的稳定、垂直、匀速贯入，而且贯入效率高，贯入深度大，保证了海底观测参数的质量。

说明书

（一）技术领域

本发明涉及海洋工程地质、海底原位长期观测技术领域，特别涉及一种基于海洋观测探杆的海底静力贯入装置及贯入方法。

（二）背景技术

随着社会经济的发展，国家对矿物资源、能源的需求量不断增加，开始大规模的向海洋索取财富，越来越多地海上工程结构物投入使用，海洋开发进入到新的发展阶段。获取海底沉积物的各项物理力学性能参数，分析海底沉积物稳定性的影响因素，确定不稳定区域以及潜在地质构造作用，对于海洋工程的建设安全具有重要意义，成为现阶段的研究热点。其中，集成了各种传感探头的海底观测探杆作为最直接、准确的沉积物性质参数的获取手段，一直是海洋观测地质、海洋探测技术领域的研究重点。目前的观测探杆根据功能的不同，可以分为静力触探探杆、海床孔隙水压力监测探杆、海底沉积物声学特性测量探杆、海底沉积物电阻率特性测量探杆等。这些探杆在使用时，均需要按照预定要求，将细长杆体垂直插入海底沉积物内部以达到观测目的，并且尽可能的减少对土体的干扰，因此海底观测探杆的贯入方法和技术成为关系到观测成功与否的主要瓶颈，也成为该领域的技术难点。

目前，海底观测探杆的贯入方式主要可以分为重力式贯入和静力式贯入两种。其中，重力式贯入是采用缆绳吊装，靠自身重力或增加配重将探杆以自由落体的方式贯达海床内部。这种贯入方式比较简单，但是存在着插入深度无法控制和对土体扰动大等问题。此外，其贯入过程中的贯入姿态也无法控制，往往造成探杆无法垂直插入土体的情况发生。并且在底质稍硬或底质不明区域存在较高的布放风险，严重的可能导致探杆在贯入海床土体的过程中发生弯曲，甚至损坏，影响使用效果。海底观测探杆的静力式贯入多采用液压传动装置实现，用缆绳吊装将贯入设备布放在海底实施贯入过程，贯入装置与探杆固定连接，通过水下液压系统为探杆提供贯入力。这种水下液压传动方式由于存在流体流动产生的阻力的原因，导致贯入效率较低，而且液压油容易发生泄漏，污染场地，其工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。此外，液压式贯入设备往往体积和重量较大，对土体造成极大的扰动，影响观测结果的质量。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构稳定、探测效率高、贯入深度大的基于海洋观测探杆的海底静力贯入装置及贯入方法。

本发明是通过如下技术方案实现的:

一种基于海洋观测探杆的海底静力贯入装置，包括探杆立架、与探杆立架滑动连接的外卡环以及位于探杆立架底部的底座，其特征在于：所述外卡环上安装有设置插销和电磁铁的探杆定位装置和滑动连接在探杆立架内部的压帽式结构，底座包括分别安装一个触底开关的上底板和下底板以及位于两者之间安装电磁铁的分离板，上底板上安装有相互连接的电池仓、驱动器仓和电机，电机通过驱动绳连接压帽式结构，压帽式结构包括帽子、安装有磁石的接触杆和连接外卡环的控制仓，外卡环和底座之间对应夹紧固定有探杆。

本发明采用深水电机定速控制提供动力，保证水下的释放速度；同时采用“压帽式”结构，将向下的压力直接作用在探杆顶部的“帽子”，便于实现释放装置与探杆的分离；因探杆整体长度较长，导向装置在采用导杆导向的同时，使用底座分离板进一步保证导向；释放装置与孔压探杆之间依靠插销和电磁铁吸附，无刚性连接，便于探杆与释放装置之间的分离；在整体释放结束之后，只需将释放装置整体提起，探杆自动留在水下工作，可完成水下孔压探杆的释放、释放装置的回收、探杆的重新装载等多项功能。

本发明的更优技术方案为：

所述探杆立架的立杆与底座通过螺栓连接，探杆立架外围上下均匀焊接有防变形圈，底座周围设置有钢索安放装置，保证探杆立架不变形。

所述外卡环通过螺栓固定在探杆立架上，且外卡环由通过螺栓连接的左右两部分组成，方便实现外卡环与探杆立架的固定连接。

所述底座包括通过底座支撑杆连接的下底板，下底板中间位置上安装有O圈板，底座支撑杆上设置有对应探杆的通孔，便于探杆和底座的拆卸配合；O圈板用于水下导向，保证探杆工作姿态。

所述压帽式结构的帽子下设置有连接探杆立架的三个导向滑轮，帽子底部安装有接触杆，接触杆上安装有对应上底板上触底开关的电磁铁，上底板上的触底开关会检测接触杆信号，当触底开关检测到信号的时候，电机停止运转，帽子中间设有穿过绳子的过绳轮，帽子上部安装有位于过绳轮上方的保障螺栓，绳子从保障螺栓的下部穿过，主要用于限制在下方过程中，绳子不会脱离帽子的范围。

所述电机包括位于水下电机密封舱内的48V无刷直流电机和减速器，电机驱动器安装于水下驱动器密封舱内。水下电机密封舱和水下驱动器密封舱内均充油密封，且两者之间通过水密接插件连接。电机用于提供水下动力，采用水下直流供电，以速度闭环控制，电机速度不受外部负载变化的影响。

所述O圈板为三层结构，且O圈板上安装有调节螺栓，通过调节螺栓来适应不同的控制仓高度。

采用上述贯入装置进行海底静力贯入的方法，包括如下步骤：

（1）探杆贯入前，将安装于探杆定位装置上的电磁铁通电，打开插销，此时探杆定位装置靠电磁铁进行吸附；利用海上作业船上的船载地质绞车，采用缆绳吊装的方式，将贯入装置整体于指定站点释放至海底；

（2）贯入装置触底后，触发触底开关，此时吸附探杆定位装置的电磁铁断电，探杆定位装置打开，电机开始运转，带动驱动绳，将动力施加给压帽式结构，探杆开始执行贯入动作；

（3）当探杆贯入到特定深度后，分离板的电磁铁断电，分离板与底座不再固定，重力作用下分离板与贯入装置脱离；

（4）随着探杆的不断深入，帽子随之下移，当帽子下移至碰触到上底板上的触底开关时，触底开关触发，电机停止运行，贯入动作结束；

（5）使用缆绳进行贯入装置的整体回收，此时探杆与贯入装置处于分离状态，贯入装置回收完成，探杆留在海底执行观测任务。

其中，步骤（1）中，贯入装置释放过程中，缆绳释放速度调至最大，下放至距海底100m时降低缆绳释放速度，缓慢下放。

本发明中，探杆的贯入深度不受升降平台行程的限制，能够对海底深层进行测量；当需要贯入多根探杆时，根据海底沉积物条件确定贯入方式，若沉积物松软可同时贯入多根探杆，若沉积物致密可依次贯入多根探杆，不仅实现了多根探杆对海底多个参数的同时测量，探测效率高，而且贯入深度大，测量参数具有更大的研究价值。

本发明结构设计合理，性能稳定，工作效率高，设备体积小，不仅实现了海洋观测探杆的稳定、垂直、匀速贯入，而且贯入效率高，贯入深度大，保证了海底观测探杆获取的观察数据的质量。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的上部结构示意图；

图4为本发明的底部结构示意图；

图5为本发明探杆立架的主视结构示意图；

图6为本发明探杆立架的俯视结构示意图；

图7为本发明外卡环的结构示意图；

图8为本发明底座的结构示意图；

图9为本发明O圈板的结构示意图；

图10为本发明压帽式结构的立体结构示意图；

图11为本发明压帽式结构的俯视结构示意图；

图12为本发明压帽式结构的左视结构示意图；

图13为本发明电机的机构示意图。

图中，1探杆立架，2外卡环，3底座，4电磁铁，5探杆定位装置，6压帽式结构，7电池仓，8驱动器仓，9电机，10帽子，11接触杆，12控制仓，13探杆，14 O圈板，15保障螺栓。

（五）具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是,此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

参见附图，本实施方案提供一种基于海洋观测探杆的海底静力贯入装置，包括探杆立架1、与探杆立架1滑动连接的外卡环2以及位于探杆立架1底部的底座3，所述外卡环2上安装有设置插销和电磁铁4的探杆定位装置5和滑动连接在探杆立架1内部的压帽式结构6，底座3包括分别安装一个触底开关的上底板和下底板以及位于两者之间安装电磁铁的分离板，上底板上安装有相互连接的电池仓7、驱动器仓8和电机9，电机9通过驱动绳连接压帽式结构6，压帽式结构6包括帽子10、安装有磁石的接触杆11和连接外卡环2的控制仓12，外卡环2和底座3之间对应夹紧固定有探杆13；通过深水电机定速控制提供动力，同时采用驱动绳将动力传递给压帽式结构，将向下的压力直接作用在探杆顶部的“帽子”，完成探杆的贯入动作。以下对贯入装置的各个部件进行详细介绍。

（1）探杆立架1

探杆立架1结构如图5-6所示。探杆立架1主要起支撑与导向的作用，为保证探杆13的竖直下降，采用探杆立架1的三根竖直管作为帽子10下滑的轨道。探杆立架1长约6米，为保证立架不变形，在探杆立架1外围焊有防变形圈，每隔一米安放一个，共4个，同时在底座3留有钢索安装位置，在最后进行钢索安装，进一步保证探杆立架1不会倾斜变形。在立杆和底座3通过螺栓连接，立杆底部有与底座3配合安装的孔，便于底座3和探杆立架1的拆装，实现整体运输的便捷。

（2）外卡环2

外卡环2结构如图7所示。外卡环2装置的主要用于探杆13的安装定位，为满足探杆13与释放装置之间的自动分离，二者之间不设置刚性连接机构，所以对于初始位置就需要专门的机构进行定位。

外卡环2装有插销和电磁铁两种固定方式，在未下水之前，采用插销进行固定，有利于节省能源，且有利于整体的安装。下水工作之前，连通电磁铁4，打开插销。

外卡环2上装有电磁铁4，当底部触底开关触发后，信号控制电磁铁断电，开关打开，探杆允许下降。同时，电机9开始工作，开始贯入的工作。

外卡环2的工作原理是初步人工将探杆13牵引到上部，关闭挡板，使用插销将其固定。

外卡环2由左右两部分组成，两部分通过螺栓连接，安装时需要用螺栓固定在探杆立架1上即可。

（3）底座3

底座3结构如图8所示。底座3采用框架式结构，在保证强度的同时，尽量小的体积，同时周围设有钢索安放装置，保证整体装置的稳固牢靠。

上底板留有电机等器件的安装位置。上下底板各有一个触底开关。

下底板的触底开关用以检测触底信号，触底之后，电磁铁断电，电机9启动。

上底板的触底开关用于监测探杆位置，探杆13到达指定位置后，电机9停止运行。

底座支撑杆留有通孔，和探杆13进行配合协调，便于探杆13和底座3的拆卸安装。

底座3上装有O圈板14，O圈板14用于水下导向，保证探杆13工作姿态。

探杆13下放到底部时，下压O圈板14，板材和释放装置脱落，O圈板14和探杆13都留在水下。

O圈板14有三层组成，每一层都有各自的功能，三层一体。上面安装有调节螺栓，可通过调节螺栓来适应不同的控制舱高度。

（4）压帽式结构6

压帽式结构6如图10-12所示。压帽式结构6主要用于压住探杆13及控制仓12进行向下移动，帽子10有三个导向滑轮保证了下滑过程的稳定性，同时在帽子10主体去掉无用的材料，这样可减小整体重量。

帽子10底部装有接触杆11，杆上装有磁石，底座3上的触底开关会检测磁信号，当触底开关检测到信号的时候，电机停止运转。同时接触杆11以螺栓连接，可随时人工调整位置，保证功能实现的稳定性。

在帽子10中间设有过绳轮，采用四个过绳滑轮来确保绳子通过时，整体的受力均匀，在帽子10的上部设有一个单独的保障螺栓15，绳子从保障螺栓15的下部穿过，主要用于限制在下放过程中，绳子不会脱离帽子10的范围。

（5）水下电机驱动系统

水下电机驱动系统结构如图13所示。电机9用于驱动水下设备。

电机9由48V无刷直流电机、减速器，水下电机密封舱等组成。

水下电机密封舱内部充油密封，保证在深水工作时内外压的平衡。

水下电机密封舱和水下驱动器密封舱之间通过水密接插件进行连接，拆接方便，也便于运输和安装。

水下电机密封舱可以安装在底座3上，便于定位安装。

（6）水下控制系统

水下控制系统里包含供电系统、帽子释放系统、

此部分包括，电池的密封舱，和电磁铁的密封舱等等。

密封舱保证里元器件能够在水中使用，舱体留有水密接插件，安装过程中只需要将舱体固定到合适位置，之后将水密接插件进行安装即可。

本发明实施例提供一种基于海洋观测探杆的海底静力贯入方法,具体包括以下步骤：

探杆13贯入前,将安装于探杆定位装置5上的电磁铁4通电，打开插销，此时探杆定位装置5靠电磁铁4进行吸附。利用海上作业船上的船载地质绞车，采用缆绳吊装的方式，将贯入装置整体于指定站点释放至海底,释放过程中缆绳释放速度可调至最大,下放至距海底100m时降低缆绳释放速度,缓慢下放。

贯入装置触底之后，将触发触底开关，此时吸附探杆定位装置5的电磁铁4断电，探杆定位装置5打开，水下电机9开始运转，带动驱动绳，将动力施加给压帽式结构6，探杆13开始执行贯入动作，此时探杆13以0.02m/s的速度匀速贯入。当探杆13贯入到一定深度后，下部分离板的电磁铁断电，分离板与底座3不再固定，在重力作用下，分离板与贯入装置脱离。随着探杆13的不断贯入，帽子10随之下移，当帽子10下移到一定位置时，碰触第二个触底开关，第二个触底开关触发，此时深水电机9停止运行，贯入装置的贯入动作结束，探杆13贯入海底。

当探杆13贯入动作完成后，使用缆绳进行贯入装置的整体回收，此时探杆13与贯入装置是分离状态。贯入装置回收完成，探杆13留在海底执行观测任务。

上述贯入装置可将探杆13匀速垂直贯入海床土体,这样的贯入方式保证了探杆13的贯入质量,而且贯入深度大，测量参数可靠，具有更大的科学研究和工程应用价值。而且该贯入装置能够满足多种尺寸的探杆13的贯入需求，海底观测设备布放效率高。此外，还能根据不同的实际要求，调节探杆13的贯入速度和贯入深度，对于海洋观测工作具有极大的便利。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性,本发明不受上述实施方式限制,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还有各种变化和改变,这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。