CN104006986A - 一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统，其中，所述系统包括水下采样设备，所述水下采样设备包括振动夯实机构、支撑框架、云台、钻进机构、水下通信电缆，所述支撑框架包含底座和4条支撑脚；所述钻进机构包含钻进电机、钻管和采样管，所述钻进机构安装在所述云台上，所述振动夯实机构安装在所述云台上，所述云台通过螺旋机构与所述支撑框架的底座连接，所述螺旋机构由伺服电机驱动。本发明采用振动夯实的方式将支撑框架的支撑脚扎入河底泥层，依靠采样设备自身重力和泥层对支撑脚的粘滞阻力保证钻进过程的整体稳定性，改变了目前采样器主要依靠自重保持稳定的工作方式，使得采样设备更加轻便，提升了采样作业的安全系数。

Description

一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统和方法

 技术领域

本发明属于河床探测采样技术领域，尤其是一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统和方法。

 背景技术

目前泥沙测验工作主要是对河床表层约5cm左右的沙样进行采取和试验，以获得泥沙颗粒级配组成情况。采样仪器多采用锚式采样器和丁字型采样器，个别情况也有直接用横式采样器在河床挖取沙样。这些采样仪器的主要问题在于，一是采样仪器为开放式的，采样过程对沙样扰动大，采样后仪器在提出水面前受水流冲刷，一部分泥沙被涮掉，采样结果不是完整的原状沙样；二是由于目前采样仅限于表层淤积泥沙，采样深度太浅，加之泥沙淤积的复杂性，所取采样样品的代表性值得商榷；三是缺乏采取深层淤积泥沙的仪器，使河床的淤积演变分析存在困难。在河床采样技术领域中，海底采样器研究应用起步较早，主要有抓斗式、箱式、冷冻式、重力式、振动式、钻取式等多种类型，海底采样仪器较为先进和成熟，设备及船只自动化程度高、工作性能好、配套实施全，在工作原理、设计方法、结构参数等方面能够为多泥沙河流河床采样有相似之处，但是价格昂贵，无法推广应用，目前缺乏针对多泥沙河流粗沙河床的深层取样设备。

 发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统和方法，可以准确获得多泥沙河流粗沙河床深层低扰动淤积泥沙样品，为准确分析粗沙河床淤积泥沙物化特性和更加深入分析研究水沙运移规律提供了一种新的技术手段。

本发明提供的一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统，其中，所述系统包括水下采样设备，所述水下采样设备包括振动夯实机构、支撑框架、云台、钻进机构、水下通信电缆，所述支撑框架包含底座和4条支撑脚；所述钻进机构包含钻进电机、钻管和采样管，所述钻进机构安装在所述云台上，所述振动夯实机构安装在所述云台上，所述云台通过螺旋机构与所述支撑框架的底座连接，所述螺旋机构由伺服电机驱动。

进一步，所述系统还包括加速度计，所述加速度计用于监测和判断所述水下采样设备在夯实过程中，支撑框架是否达到稳定。

进一步，所述系统还包括超声含沙量计，所述超声含沙量计用于测量所述水下采样设备周围水质的含沙量，当含沙量超过预设值时，所述钻进电机不启动或关闭。

进一步，所述伺服电机驱动螺旋机构，能够调整所述云台与所述支撑框架底座之间的夹角。

进一步，所述云台包含自锁功能，当所述云台与所述支撑框架底座之间的夹角达到设定范围时，所述云台能够启动自锁功能。

进一步，所述采样管内衬在所述钻管里，所述采样管的的内径不大于100mm。

本发明还提供了一种多泥沙河流粗沙河床深层采样方法，其中，所述方法包括如下步骤：

步骤一、当水下采样设备接触到河床后，启动振动夯实机构，采用振动夯实的方式将支撑脚扎入河底泥层，并利用加速度计监测水下采样设备的夯实过程，将4条支撑脚夯实在河底硬质泥层里并保持稳定姿态，根据加速度计的反馈信号判断支撑框架稳定后，关停振动夯实机构；

步骤二、启动钻进电机，钻管深入粗沙硬质河床进行钻进采样，根据底部触碰开关反馈信号，停止钻进电机工作；启动升降系统，将水下采样设备吊出水面并做好样品密封保存。

进一步，在所述步骤一之前，所述水下采样设备通过采样船只运行至测量区域，通过GPS接收机进行定位，确定采样点位置；通过水下测深仪确定采样点水深；利用升降设备将水下采样设备放入水中，通过水下通信电缆将所述水下采样设备的姿态、加速度、水中含沙量等信号传递回采样船只。

进一步，当所述水下采样设备呈倾斜状态时，采用伺服电机驱动螺旋机构调整云台与底座之间的夹角，使得所述水下采样设备达到水平状态。

进一步，所述水下采样设备在下落、稳定和采样过程中，采用超声含沙量计实时测量所述水下采样设备周围水质的含沙量，当超过预设值时，禁止钻进电机启动或关闭钻进电机。

与现有技术相比，本发明的积极效果包括：

（1）本发明采用振动夯实的方式将支撑框架的支撑脚扎入河底泥层，依靠采样设备自身重力和泥层对支撑脚的粘滞阻力保证钻进过程的整体稳定性，改变了目前采样器主要依靠自重保持稳定的工作方式，使得采样设备更加轻便，提升了采样作业的安全系数。

（2）云台是基于关节仿生原理设计，通过自锁功能锁死云台与支撑架构底座的连接，保证钻管垂直钻进，巧妙避免了不平河底对采样设备调平引起的困难，调整角度大，调整响应快，调整精度高。

（3）采用加速度计监测水下采样设备的夯实过程，判断支撑框架是否达到稳定，保证钻进过程的整体稳定性；采用超声含沙量计在线测量含沙量，当超过预设值时，禁止钻进电机启动避免电机毁坏，实现取样的安全作业。

（4）采用钻进机构，相对于锚式采样器、丁字型采样器、横式采样器等表层采样器，加大了取样深度，减轻了取样工作对样品的扰动影响，可以准确获得多泥沙河流粗沙河床深层低扰动淤积泥沙样品，为准确获得粗沙河床物化特性参数提供技术支持。

（5）监控设备实时监测整个采样过程工作状态，保证采样过程低扰动；遇到紧急情况可自动切断电源，保证采样设备作业安全。

 附图说明

图1为本发明整体组成结构示意图；

图2为水下采样设备结构示意图；

图3为水下采样设备工作流程示意图。

 具体实施方式

多泥沙河流粗沙河床采样，虽然有水深较浅、船只易于固定等便于作业的有利条件，但是也有其特殊性和复杂性。一是尽量避免在河槽陡峭边壁作业，防止设备下放过程中倾倒发生事故；二是多泥沙河流河床质上层有较厚的淤积浮泥，设备在浮泥层中，由于该层浮泥具有一定的暂时支撑力，使采样器在作业前可能保持平稳，但在作业时产生的振动导致浮泥层丧失承载力，使设备倾斜甚至倾倒；三是电机如果被表层浮土淹没，就会烧毁损坏；四是对于硬质粗沙河床，需要依靠机械动力采样，应尽量减少采样过程的扰动，以获取原状沙样；五是需要尽量减小采样器的重量和尺寸，以减小船只的运行成本。基于上述考虑，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明的目的是为准确获取多泥沙河流水库及河道淤积粗沙提供了一种新的采样系统和采样方法，为准确分析粗沙河床淤积泥沙物化特性和更加深入分析研究水沙运移规律提供了一种新的技术手段，能够补充并完善目前的泥沙测验资料，达到提高采样质量和提升样品代表性的目的，是河流泥沙研究、规划和治理的基础性工作。

如图1所示，本发明提供的多泥沙河流粗沙河床深层采样系统，包括监控设备、升降设备和水下采样设备等。监控设备包括船只上的工控机、GPS接收机，以及水下测深仪、加速度计、超声含沙量计等。升降设备包括电动绞车、钢缆等。

水下采样设备如图2所示，包括振动夯实机构、支撑框架、云台、钻进机构、水下通信电缆等。钻进机构包含了钻进电机、钻管和采样管等，采样管的直径不大于100mm。支撑框架包含底座和4条支撑脚。钻进机构安装在云台上，振动夯实机构安装在云台上，云台通过螺旋机构与支撑框架的底座连接，螺旋机构由伺服电机驱动。

图2中，水下采样设备的主要组成包括，1、云台；2、支撑框架；3、振动夯实机构；4、钻进电机；5、伺服电机；6、采样管。

如图3所示，本发明所述采样系统的工作流程为：

步骤一、采样船只运行至测量区域，通过GPS接收机进行定位，确定采样点位置；通过水下测深仪确定采样点水深；利用升降设备将水下采样设备放入水中，通过水下通信电缆将姿态、加速度、水中含沙量等信号传递回采样船只。

步骤二、当水下采样设备接触到河床后，启动振动夯实机构，采用振动夯实的方式将支撑脚扎入河底泥层，并利用加速度计监测水下采样设备的夯实过程，将4条支撑脚夯实在河底硬质泥层里并保持稳定姿态，根据加速度计的反馈信号判断支撑框架稳定，稳定以后，关停振动夯实机构，依靠水下采样设备自身重力和泥层对支撑脚的粘滞阻力保证钻进过程的整体稳定性，极大减轻了水下采样设备的重量。

受河床地貌及淤积泥沙的影响，水下采样设备整体可能呈倾斜状态，云台基于关节仿生原理设计，当云台相对于支撑框架底座倾斜时，采用伺服电机驱动螺旋机构来调整云台与支撑框架底座之间的相对夹角，云台相对与支撑框架底座二维旋转，可以调整钻管逐步竖直，启动自锁功能锁死云台，使其保持竖直状态；这种控制方式更加简单、调整范围更大、精度更高。

在水下采样设备下落和稳定的过程中，采用超声含沙量计在线测量含沙量，当超过预设值时，禁止钻进电机启动避免电机毁坏，保证取样器的作业安全。

步骤三、启动钻进电机，采样管深入粗沙硬质河床进行钻进采样，根据底部触碰开关反馈信号，停止钻进电机工作；启动升降系统，将水下采样设备吊出水面并做好样品密封保存，完成采样工作。在满足支撑框架稳定的前提下，优化钻机动力头扭矩和转速，采取减振措施，钻进取样。

本发明的积极效果是：

（1）本发明采用振动夯实的方式将支撑框架的支撑脚扎入河底泥层，依靠采样设备自身重力和泥层对支撑脚的粘滞阻力保证钻进过程的整体稳定性，改变了目前采样器主要依靠自重保持稳定的工作方式，采样设备更加轻便，提升了采样作业的安全系数。

（2）云台是基于关节仿生原理设计，通过自锁功能锁死云台，保证钻管垂直钻进，巧妙避免了不平河底对采样设备调平引起的困难，调整角度大，调整响应快，调整精度高。

（3）采用加速度计监测水下采样设备的夯实过程，判断支撑框架是否达到稳定，保证钻进过程的整体稳定性；采用超声含沙量计在线测量含沙量，当超过预设值时，禁止钻进电机启动避免电机毁坏，实现取样的安全作业。

（4）采用钻进机构，相对于锚式采样器、丁字型采样器、横式采样器等表层采样器，加大了取样深度，减轻了取样工作对样品的扰动影响，可以准确获得多泥沙河流粗沙河床深层低扰动淤积泥沙样品，为准确获得粗沙河床物化特性参数提供技术支持。

（5）监控设备实时监测整个采样过程工作状态，保证采样过程低扰动；遇到紧急情况可自动切断电源，保证采样设备作业安全。

Claims (10)

1.一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统，其特征在于，所述系统包括水下采样设备，所述水下采样设备包括振动夯实机构、支撑框架、云台、钻进机构、水下通信电缆，所述支撑框架包含底座和4条支撑脚；所述钻进机构包含钻进电机、钻管和采样管，所述钻进机构安装在所述云台上，所述振动夯实机构安装在所述云台上，所述云台通过螺旋机构与所述支撑框架的底座连接，所述螺旋机构由伺服电机驱动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括加速度计，所述加速度计用于监测和判断所述水下采样设备在夯实过程中，支撑框架是否达到稳定。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括超声含沙量计，所述超声含沙量计用于测量所述水下采样设备周围水质的含沙量，当含沙量超过预设值时，所述钻进电机不启动或关闭。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述伺服电机驱动螺旋机构，能够调整所述云台与所述支撑框架底座之间的夹角。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述云台包含自锁功能，当所述云台与所述支撑框架底座之间的夹角达到设定范围时，所述云台能够启动自锁功能。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述采样管内衬在所述钻管里，所述采样管的的内径不大于100mm。

7.一种多泥沙河流粗沙河床深层采样方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、当水下采样设备接触到河床后，启动振动夯实机构，采用振动夯实的方式将支撑脚扎入河底泥层，并利用加速度计监测水下采样设备的夯实过程，将4条支撑脚夯实在河底硬质泥层里并保持稳定姿态，根据加速度计的反馈信号判断支撑框架稳定后，关停振动夯实机构；

步骤二、启动钻进电机，钻管深入粗沙硬质河床进行钻进采样，根据底部触碰开关反馈信号，停止钻进电机工作；启动升降系统，将水下采样设备吊出水面并做好样品密封保存。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述步骤一之前，所述水下采样设备通过采样船只运行至测量区域，通过GPS接收机进行定位，确定采样点位置；通过水下测深仪确定采样点水深；利用升降设备将水下采样设备放入水中，通过水下通信电缆将所述水下采样设备的姿态、加速度、水中含沙量等信号传递回采样船只。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：当所述水下采样设备呈倾斜状态时，采用伺服电机驱动螺旋机构调整云台与底座之间的夹角，使得所述水下采样设备达到水平状态。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述水下采样设备在下落、稳定和采样过程中，采用超声含沙量计实时测量所述水下采样设备周围水质的含沙量，当超过预设值时，禁止钻进电机启动或关闭钻进电机。