CN101838981A - 水下岩土触探设备及水下岩土勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下岩土静力触探设备，包括用于提供反力的反力支撑装置；设置在所述反力支撑装置上以产生负压的真空形成装置；设置在所述反力支撑装置内用于触探杆的静压装置；设置在所述反力支撑装置内、用于控制触探杆的触探的控制装置；以及静力触探数据测量和处理装置。根据本发明的水下岩土触探设备以静压方式勘查海底泥面以下土层，由于反力支撑装置能够为水下岩土触探设备的静力触探提供足够的反力，从而可以顺利地进行水下静力触探以获得触探杆的触探参数，并可得到土体物理力学特性参数及其沿深度的变化，并确定海洋岩土地基的承载能力和模量。本发明还公开一种采用上述水下岩土触探设备的水下岩土勘探方法。

Description

水下岩土触探设备及水下岩土勘探方法

技术领域

本发明涉及岩土触探，尤其是涉及一种用于水下、特别是海底的岩土勘测的水下岩土触探设备及其水下岩土勘探方法。

背景技术

二十一世纪是海洋资源开发的新世纪，世界各国把开发海洋、发展海洋经济和海洋产业作为国家发展的战略目标。随着海洋产业的发展，海洋不但会成为人类未来重要的资源、特别是能源基地，也会成为世界各国争夺扩展和发展空间的主要战场。在对未知与未来的探测方面，深海洋底与太空一样，具有很强的吸引力和挑战性。随着人类开发深水资源步伐的不断加快与深水资源开发相关的工程技术已经和正在成为世界工业史上科技创新的热点之一。

我国已将海洋资源开发作为国家的重大需求，开发和利用海洋作为国家的基本国策。海洋资源开发对我国具有重大战略意义，同时机遇和挑战并存。深海水下岩土工程勘察与探测设备及技术是海上采油平台等大型海工设施的设计与施工中不可或缺的关键支撑技术，也是制约我国深海开发的关键技术。开发海洋岩土工程勘探设备和测控技术对我国深海资源开发具有重要的工程价值和实用意义，并将填补国内海洋岩土工程勘探技术的空白，为进行海洋岩土工程特性研究、大型海洋工程结构物-岩土相互作用和安全评价提供有力的技术支持。

深海水下岩土工程勘察与探测设备及技术是海上采油平台等大型海工设施的设计与施工中的关键支撑技术，但我国目前拥有的海洋水下岩土工程勘探技术主要是由国外购进或者租借的、且仅适用于水深30米以浅的近海或近岸工程。对30米以深、特别是100米到1000米水深的海底岩土工程勘察工作，基本上是委托美国、日本和荷兰等海洋科技发达国家的公司来完成的，难以充分掌握第一手资料并造成有关信息情报流失。所以，在深海水下岩土工程勘察与探测技术方面，我国基本上没有拥有自己独立知识产权的设备和技术，这已成为严重制约我国深海采油平台等大型海洋工程设施建设中的重大瓶颈技术难题之一。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可在不同尺度的深水中进行岩土工程探测的水下岩土触探设备。

进一步地，本发明需要提供一种可在不同尺度的深水中进行岩土工程探测的水下岩土勘探方法。

根据本发明的水下岩土触探设备，可以包括：反力支撑装置，用于为水下岩土触探设备提供反力；真空形成装置，所述真空形成装置可以设置在所述反力支撑装置上，用于在反力支撑装置中产生负压；静压装置，所述静压装置可以设置在所述反力支撑装置内用于对水下岩土进行静力触探；控制装置，所述控制装置可以设置在所述反力支撑装置内，用于控制静压装置的静力触探；以及静力触探数据测量和处理装置，所述静力触探数据测量和处理装置可以用于测量并处理触探杆的静力触探参数。

根据本发明的水下岩土触探设备以静压方式勘查海底泥面以下土层，由于所述反力支撑装置为水下岩土触探设备的静力触探提供足够的反力，从而使得所述水下岩土触探设备可以在水下进行安全工作，并可获得触探杆的静力触探参数，从而可得到土体物理力学特性参数及其沿深度的变化，并确定海洋岩土地基的承载能力和模量。

另外，根据本发明的水下岩土触探设备还具有如下附加技术特征中的至少一个：

根据本发明的一个实施例，所述水下岩土触探设备还包括：触探杆续接装置，所述触探杆续接装置与静压装置相邻设置，用于续接所述触探杆。

根据本发明的一个实施例，所述触探杆续接装置包括：至少一个联结触探杆；联结触探杆放置装置，所述联结触探杆放置装置用于容纳所述联结触探杆；旋转电机，所述旋转电机用于将联结触探杆放置装置旋转至预定位置；以及推进直线电机，所述推进直线电机用于推进已安置的联结触探杆，以与所述触探杆进行续接。

根据本发明的一个实施例，所述触探杆续接装置还包括：卡盘联结装置，用于在联结触探杆和所述触探杆进行续接过程中进行卡接。

根据本发明的一个实施例，当旋转电机将联结触探杆放置装置旋转至预定位置时，卡盘联结装置与预定容纳孔相卡接，使预定的联结触探杆通过卡盘连接装置由推进杆推动，进而与触探杆进行续接。

根据本发明的一个实施例，所述反力支撑装置包括：触探杆放置和控制舱，用于容纳触探杆和所述控制装置；触探杆连接和推进舱，所述触探杆连接和推进舱与所述触探杆放置和容纳舱相连接，用于容纳所述静压装置；真空静压舱，所述真空静压舱与所述触探杆连接和推进舱进行连接；以及贯入舱，所述贯入舱与所述真空静压舱连接，用于贯入到水下岩土内。

根据本发明的一个实施例，所述真空静压舱和所述贯入舱之间设置有分离板，用于防止水下岩土中的泥浆进入所述真空静压舱，以实现水和泥浆的隔离。

根据本发明的一个实施例，所述负压可以为-60kPa～80kPa。所述负压可为推进触探杆提供足够的反力，以对抗深海洋底形成的巨大水压力和气压差。

根据本发明的一个实施例，所述真空形成装置包括：排水排气管；水泵，所述水泵抽出所述贯入舱和真空静压舱内的水，并通过排水排气管排出；以及真空泵，所述真空泵经由所述排水排气管将真空静压舱和贯入舱的气体排出至预定的负压。

根据本发明的一个实施例，所述反力支撑装置的重量为15-30吨。

根据本发明的一个实施例，所述水下岩土触探设备还包括对所述反力支撑装置进行密封的密封装置，以在深海高压力下进行密封，使得反力支撑装置可以在密封干燥的环境下工作。

根据本发明的一个实施例，所述水下岩土触探设备还包括水土分离装置，所述水土分离装置与所述排水排气管连接，用于对流经所述排水排气管内的水执行水土分离。

根据本发明的一个实施例，所述静压装置包括：触探杆；静力触探位置传感器，用于检测触探杆静力触探到预定位置后，触发静力触探停止信号；以及用于驱动触探杆静力触探的电机，所述电机在接收到所述停止信号之后停止驱动。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置配置成用于自动执行下述中的至少之一：触探杆连接过程控制、触探杆自动推进控制以及静力触探数据测量和处理控制。

根据本发明的一个实施例，所述水下岩土触探设备还包括水下监控装置，用于在水下作业时进行过程监控。

根据本发明的一个实施例，所述水下岩土触探设备还包括岩土工程反馈分析与评价装置，用于对所述静力触探参数进行分析和评价。

根据本发明的一个实施例，所述水下岩土触探设备的水下勘探深度为30-1000m。

根据本发明的一个实施例，根据本发明的水下岩土触探设备，在深度为30-1000m的水下进行深海触探，获得静力触探速度，通过数值仿真和反馈分析，建立勘探数据与岩土特性的定量关系，对岩土工程特性进行合理评价。

根据本发明的另外一个实施例，提供了一种水下岩土勘探方法，该方法采用上述水下岩土触探设备进行勘探。其步骤为：

将所述水下岩土触探设备下沉至水下岩土区域；

利用所述真空形成装置将所述水下岩土触探设备吸力贯入所述水下岩土区域内；以及

利用触探装置执行水下岩土触探。

根据本发明的水下岩土勘探方法，可用于反演分析岩石和土层的物理力学性态参数，确定岩土材料的变形模量与强度指标，确定海洋岩土地基的承载能力。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的水下岩土触探设备的反力支撑装置的结构示意图；

图2是图1中所示的水下岩土触探设备的整体结构示意图；

图3是图1中所示的水下岩土触探设备的静压装置示意图；

图4是图1中所示的水下岩土触探设备的触探杆续接装置示意图；和

图5是图1中所示的水下岩土触探设备的工作状态图，其中，图5(a)显示了水下岩土触探设备的下沉安装状态，图5(b)显示了水下岩土触探设备的吸力贯入状态，图5(c)显示了水下岩土触探设备的静力触探勘测状态。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面将参考图1-图4详细描述根据本发明的水下岩土触探设备1，其中图1显示了根据本发明的一个实施例的水下岩土触探设备的反力支撑装置的结构示意图。

如图1-图4所示，水下岩土触探设备1包括反力支撑装置11、真空形成装置12、静压装置13、控制装置(未示出)和静力触探数据测量和处理装置(未示出)。

反力支撑装置11用于为水下岩土触探设备1提供反力。反力支撑装置11包括：触探杆放置和控制舱111、触探杆连接和推进舱112、真空静压舱113和贯入舱114。可选地，触探杆放置和控制舱111、触探杆连接和推进舱112和贯入舱114均为横截面为圆形的圆桶状舱，且真空静压舱113可为上端直径小于下端直径的锥筒状舱。

其中，触探杆放置和控制舱111用于容纳触探杆131和控制装置。触探杆连接和推进舱112与触探杆放置和容纳舱相连接，用于容纳静压装置13。真空静压舱113与触探杆连接和推进舱112进行连接。贯入舱114与真空静压舱113连接，用于贯入到水下岩土内。在本发明的一个示例中，反力支撑装置11还包括水土分离装置16。可选地，水土分离装置16可以为分离板，该分离板16设置在真空静压舱113和贯入舱114之间，且在分离板16上形成有很多孔，用于对贯入舱114中的水实现水和泥浆的隔离，可以防止水下岩土中的泥浆进入真空静压舱113中。

根据本发明的水下岩土触探设备1中，反力支撑装置11采用吸力桶基础的原理，即通过放置在桶顶的真空泵对系统抽真空，即可以对海底泥面形成主动吸力，如图2所示。在该吸力的作用下，桶型的反力支撑装置11贯入海底泥面一定深度，形成一个密封系统。由于桶内外巨大的压力差，使得反力支撑装置11对海底泥面的吸力构成静力触探所需要的反力的主要部分，另外还有水下岩土触探设备1本身的重量，也额外地添加了所述反力的大小，并进一步地增加水下勘探的稳定性。根据计算，例如，根据本发明的桶径为2m且桶高为3.0-4.0m的反力支撑装置11可以提供大约15-50吨的反力。

由于水下岩土触探设备1需要在密封的环境下工作，因此，在本发明的一个示例中，水下岩土触探设备1还包括对反力支撑装置11进行密封的密封装置15，以在深海高压力下对反力支撑装置11进行密封。

如图2所示，真空形成装置12设置在反力支撑装置11上，以便于在反力支撑装置11中产生负压。真空形成装置12包括排水排气管121、与排水排气管121上端相连的水泵122以及真空泵123。其中，排水排气管121的下端伸入真空静压舱113中。水泵122抽出贯入舱114和真空静压舱113内的水后，水通过排水排气管121排出，真空泵123经由排水排气管121将真空静压舱113和贯入舱114的气体排出至预定的负压。具体地，该负压为-60kPa～80kPa。需要说明的是，普通技术人员在阅读了上述技术方案之后，可以根据水下勘探的需要来调节所述负压的大小，由此上述范围只是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的保护范围。

工作时，首先通过水泵122抽出贯入舱114和真空静压舱113内的水，然后停止水泵122工作，并启动真空泵123工作，通过真空泵123对真空静压舱113进行抽气、使真空静压舱113内的压力达到-60kPa～-80kPa的负压。当真空度满足上述要求后，停止真空泵123工作，从而为推进触探杆131提供了足够的反力，以对抗深海洋底形成的巨大水压力和气压差。

由于在真空静压舱113和贯入舱114之间形成分离板使水和泥浆隔离，从而防止水下岩土中的泥浆进入真空静压舱113中而堵塞排水排气管121，从而实现了对流经排水排气管121内的水进行过滤，由此保证了水泵122和真空泵123在勘测过程和勘测结束后能正常运转。

如图3所示，静压装置13设置在反力支撑装置11内，用于对水下岩土进行静力触探。具体地，静压装置13设置在触探杆连接和推进舱112内。静压装置13包括触探杆131、用于测定静力触探位移的静力触探位置传感器132、锥齿轮传动装置134和电机133。

工作时，电机133通过锥齿轮传动装置134驱动触探杆131静力触探海底泥面，并可随时测定转速。当电机静力触探位置传感器132检测触探杆131贯入到预定位置后，触发静力触探停止信号，电机在接收到停止信号之后停止驱动触探杆131。

由于将在深海水下环境工作，不能进行人工干预，各个工作过程需要在预设程序下完成全过程自动操作。控制装置以及静力触探数据测量和处理装置均设置在反力支撑装置11的静力触探放置和控制舱111内。控制装置用于控制触探杆131的静力触探，且控制装置配置成用于自动执行下述中的至少之一：触探杆法兰旋转控制、触探杆连接过程控制以及触探杆自动推进控制。而静力触探数据测量和处理装置用于测量并处理触探杆131的静力触探参数。

在本发明的一个实施例中，还包括触探杆续接装置14，触探杆续接装置14设置在静力触探放置和控制舱111内，与静压装置13的上部相邻设置，当触探杆131的长度不够时可以续接触探杆131。

如图4所示，触探杆续接装置14包括至少一个联结触探杆141、联结触探杆放置装置142、旋转电机143、推进直线电机144、推进杆146、转角传感器(未示出)和位移传感器(未示出)。

联结触探杆放置装置142用于容纳上述联结触探杆141，也就是说，联结触探杆放置装置142至少形成有一个用于放置联结触探杆141的容纳孔。所述联结触探杆放置装置142可以根据水下勘探的需要进行设定，例如，所述联结触探杆放置装置142可以容纳多个联结触探杆141，并在需要时将多个联结触探杆141连接到所述触探杆131上。旋转电机143用于将联结触探杆放置装置142旋转至预定位置。推进直线电机144通过驱动推进杆146来推进已安置的联结触探杆141，以便与触探杆131进行续接。

在本发明的一个示例中，如图2-图4所示，触探杆续接装置14还包括卡盘联结装置145，该卡盘联结装置145设置在静力触探放置和控制舱111内，可与联结触探杆放置装置142中的其中一个容纳孔相配合，即，当旋转电机142将联结触探杆放置装置142旋转至预定位置时，卡盘联结装置145与预定容纳孔相卡接，使预定的联结触探杆141通过卡盘连接装置由推进杆146推动，进而与触探杆131进行续接。

触探杆续接装置14的工作过程为：首先通过旋转电机143带动联结放置触探杆装置142到指定位置，当转角传感器检测到联结放置触探杆装置142到指定位置时，旋转电机143停止工作。然后，通过推进直线电机144来推动已放置好的联结触探杆141到指定位置，以便完成触探杆连接，完成触探杆延长的目标，当位移传感器检测到联结触探杆141到达指定位置时，推进直线电机144停止工作。

启动卡盘联结装置145，当卡盘联结装置145上的传感器检测到联结触探杆141和触探杆131完成连接后，卡盘松开，连接动作完成。此时，启动推进直线电机144返回到其初始位置，并使推进直线电机144停止工作。然后再启动旋转电机143，联结放置触探杆装置142转到一定角度后，旋转电机143停止工作。由此完成了联结触探杆141和触探杆131的联结，此时，联结触探杆141和原触探杆131合成为新的触探杆。如果新的触探杆长度仍不够，则可根据上述工作过程再续接新的联结触探杆141。

在本发明的一个实施例中，水下岩土触探设备1还进一步包括水下监控装置，即用于在水下作业时采用监控录像设备进行过程监控。在本发明的另一个示例中，水下岩土触探设备1进一步包括岩土工程反馈分析与评价装置，用于对静力触探参数进行分析和评价。

在本发明的再一个实施例中，水下岩土触探设备1进一步包括数据采集存储发送及处理系统(未示出)。在深海水下环境工作的水下岩土触探设备1通过数据采集存储发送及处理系统自动完成勘测过程中的数据采集、存储、发送及处理。在岩石层的勘测过程中需要记录触探杆位移、单位时间进尺；而在海底泥面勘测中需要记录触探杆位移、进尺以及压力，并进行数据数据采集存储发送及处理。

根据本发明的水下岩土触探设备1，其水下勘探深度可达到30-1000m。需要说明的是，普通技术人员在阅读了上述技术方案之后，可以根据水下勘探的需要来适应所述勘探的深度，由此上述范围只是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的保护范围。

根据本发明的水下岩土触探设备以静压方式勘查海底泥面及岩石层，并通过反力支撑装置为水下岩土触探设备的静力触探提供反力，而且可获得触探杆的触探参数，从而可得到岩石和土体物理力学特性参数及其沿深度的变化，并确定海洋岩土地基的承载能力。

下面将参照图5来描述利用上述水下岩土触探设备1进行水下岩土勘探的方法，该方法包括以下步骤：

1.将水下岩土触探设备1下沉至海底泥面或岩石层；

2.利用真空形成装置12将水下岩土触探设备1吸力贯入海底泥面或岩石层内；以及

3.利用触探装置执行水下岩土触探。

下面将参考图1-图5详细描述根据本发明的水下岩土触探设备1在深海水下的工作原理。

如图5所示，船载水下岩土触探设备1通过锚链2和安装线3放置到到预定位置后，水下岩土触探设备1在其自重作用下自动下沉，并接触安装在海底泥面或岩石层上(参考图5(a))，然后通过水下岩土触探设备1顶部的水泵122和真空泵123抽水和抽气，对海底泥面或岩石层施加主动吸力，使得贯入舱114贯入海底泥面或岩石层(图5(b))，然后进行自动控制静力触探勘测(图5(c))，同时记录采集并发送处理数据。将水下岩土触探设备1回收到海上轮船4后，进行数据分析和反演，并研究触探进尺速率与岩土性质的关系，通过数值仿真和反馈分析，建立勘探数据与岩土特性的定量关系，对岩土工程特性进行合理评价。

任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。

尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (17)

1.一种水下岩土触探设备，包括：

反力支撑装置，用于为水下岩土触探设备提供反力；

真空形成装置，所述真空形成装置设置在所述反力支撑装置上，用于在反力支撑装置中产生负压；

静压装置，所述静压装置设置在所述反力支撑装置内用于对水下岩土进行静力触探；

控制装置，所述控制装置设置在所述反力支撑装置内，用于控制静压装置的静力触探；以及

静力触探数据测量和处理装置，所述静力触探数据测量和处理装置用于测量并处理触探杆的触探参数。

2.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，还包括：触探杆续接装置，所述触探杆续接装置与静压装置相邻设置，用于续接所述触探杆。

3.根据权利要求2所述的水下岩土触探设备，其中，所述触探杆续接装置包括：

至少一个联结触探杆；

联结触探杆放置装置，所述联结触探杆放置装置用于容纳所述联结触探杆；

旋转电机，所述旋转电机用于将联结触探杆放置装置旋转至预定位置；以及

推进直线电机，所述推进直线电机用于推进已安置的联结触探杆，以与所述触探杆进行续接。

4.根据权利要求3所述的水下岩土触探设备，其中，所述触探杆续接装置还包括：

卡盘联结装置，用于在联结触探杆和所述触探杆进行续接过程中进行卡接。

5.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，其中，所述反力支撑装置包括：

触探杆放置和控制舱，用于容纳触探杆和所述控制装置；

触探杆连接和推进舱，所述触探杆连接和推进舱与所述触探杆放置和容纳舱相连接，用于容纳所述静压装置；

真空静压舱，所述真空静压舱与所述触探杆连接和推进舱进行连接；以及

贯入舱，所述贯入舱与所述真空静压舱连接，用于贯入到水下岩土内。

6.根据权利要求5所述的水下岩土触探设备，其中，所述真空静压舱和所述贯入舱之间设置有分离板，用于防止水下岩土中的泥浆进入所述真空静压舱。

7.根据权利要求5所述的水下岩土触探设备，其中，所述负压为-60kPa～-80kPa。

8.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，其中，所述真空形成装置包括：

排水排气管；

水泵，所述水泵抽出所述贯入舱和真空静压舱内的水，并通过排水排气管排出；以及

真空泵，所述真空泵经由所述排水排气管将真空静压舱和贯入舱的气体排出至预定的负压。

9.根据权利要求2所述的水下岩土触探设备，其中，所述反力支撑装置的重量为15-30吨。

10.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，还包括对所述反力支撑装置进行密封的密封装置。

11.根据权利要求10所述的水下岩土触探设备，还包括：

水土分离装置，所述水土分离装置与所述排水排气管连接，用于对流经所述排水排气管内的水执行水土分离。

12.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，其中，所述静压装置包括：

触探杆；

静力触探位置传感器，用于检测触探杆静力触探到预定位置后，触发静力触探停止信号；以及

用于驱动触探杆静力触探的电机，所述电机在接收到所述停止信号之后停止驱动。

13.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，其中，所述控制装置配置成用于自动执行下述中的至少之一：触探杆连接过程控制、触探杆自动推进控制以及静力触探数据测量和处理控制。

14.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，还包括：水下监控装置，用于在水下作业时进行过程监控。

15.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，还包括：岩土工程反馈分析与评价装置，用于对所述静力触探参数进行分析和评价。

16.根据权利要求1所述的水下岩土触探设备，其中，所述水下岩土触探设备的水下勘探深度为30-1000m。

17.一种水下岩土勘探方法，该方法利用权利要求1-16中任一所述的水下岩土触探设备进行水下岩土勘探，所述方法包括下述步骤：

将所述水下岩土触探设备下沉至水下岩土区域；

利用所述真空形成装置将所述水下岩土触探设备吸力贯入所述水下岩土区域内；以及

利用触探装置执行水下岩土触探。

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