CN106895828A - 一种自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放及回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放及回收方法：(1)装配观测装置；(2)调查船到布放站位，将观测装置自由落体布放；(3)微钻头锥尖触底，启动微电机钻孔；(4)微电机预设工作2‑4分钟自停，变形测量缆完全垂直进入沉积物，海床基箱体卡在海床表面，完成现场布放；(5)调查船到布放站位，通过水声释放器甲板单元发送信号，打开本观测装置的水声释放器钩锁，释放挂在水声释放器钩锁上的弹簧扣；(6)弹簧扣被释放后，弹簧将支撑板向上顶开，同时将水密接插件分开，此时，本观测装置的回收部与留置部分离；(7)回收部上浮至海面回收。本发明提高了工作效率，降低了科研成本，减轻了现场观测工作的操作难度。

Description

一种自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放及回收方法

技术领域

本发明涉及一种自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放及回收方法，属于海洋观测技术领域。

背景技术

在海岸带地区，泥沙经过河流的远距离输运快速沉降并堆积，在海洋水动力(波浪、海流、潮汐等)、土体自重及生物扰动下发生一系列的动态变化过程，包括沉积物固结压密过程、液化流变过程、侵蚀再悬浮运移过程，在这些过程中伴随着沉积物的成分、结构、物理力学性质和工程地质性质发生动态变化，进而引发海岸带侵蚀、港口淤积、海底滑坡、浊流等海洋地质灾害，从而对海上平台、海底管线、海底电缆等海洋工程设施造成巨大破坏。上述海洋地质灾害中，海底滑坡监测难度较大且危害惊人。然而，目前并没有理想的监测手段来获取海底滑坡的发生演变过程，严重制约了学者对其灾害机制的研究。

海底滑坡是一种不同地层间的横向错动变形，通过布放垂向的变形测量管/缆/杆是最为直接、准确的观测方法。目前，此类设备主要可分为以三轴加速度传感器测量和光纤测量两类。其中，前者的典型代表为SAA阵列式位移计，是以一系列三轴加速度传感器串行连接，获取各个点的位移过程，进而获取整个横向变形观测过程。光纤测量可分为连续的分布式光纤测量以及FBG准分布式光纤测量，其功能与外部结构与SAA基本相同。

然而，目前业界并没有理想的布放装置或方法，能够完成此类设备的海底原位布放。沉积物中的观测装置原位布放，常用的方法包括重力贯入、打桩贯入、钻孔贯入以及静力贯入。

重力贯入是通过控制缆绳的下放速度，或精准计算贯入体的形态、浮重、重心位置，通过类似于自由落体的方法，控制贯入体进入沉积物的方法。其设备制造简单，但受到加工精度、计算误差、现场环境的影响，要如预期实现指定深度、姿态的贯入操作过程，难度极大。

打桩贯入往往是先利用重力贯入方法使贯入体初步进入土体，而后通过内置或外接的打桩设备，通过反复打桩的方式，使贯入体到达指定深度；静力贯入借鉴海底静力触探技术，采用坐底式贯入平台，通过电机或液压机等驱动，利用机械手将贯入体送至沉积物中的指定位置。但是，打桩贯入与静力贯入方法均针对于刚性的海底观测探杆，难以对柔性的变形测量缆进行有效的操作。

钻孔贯入借鉴以往的钻孔方法，在钻完孔之后将贯入体通过钻管顺入到海底沉积物中，而后通过回填，完成“贯入”过程。该方法稳定可靠，但成本高、时间长，且贯入体与沉积物的切合度非常差。对于变形测量缆一般采用的5m深度布放而言，传统的船载钻机打孔布放方式过程复杂、孔利用率极低，进而导致布放成本难以承受。

目前，针对于柔性的变形测量缆，缺乏有效的原位布放装置及方法技术。严重制约了学者对于海底滑坡等重大地质灾害过程机制的研究，也对无法实现预警监测的海洋工程建设、海上生产等过程构成严重的潜在危害。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放及回收方法，能够实现变形观测缆的海底沉积物原位布放，进而实现海底沉积物变形长期原位观测，获取海床液化、海底滑坡等地质灾害的动态变化原位观测数据，进而为为海上建设、工程安全、灾害预警以及科学研究提供服务。

一种自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放方法，具体为：

步骤一：装配完成自钻无缆式海底变形长期观测装置，所述观测装置包括自下向上依次连接的钻头部分、变形测量缆和布放回收部分，所述布放回收部分包括留置部和回收部；

所述钻头部分自下向上包括微钻头、支撑管和微控舱，所述支撑管和微控舱贯通连接，微控舱内设有微电机、微控电路及电池，微电机连接微控电路，电池为微电机及微控电路供电，微电机的旋转杆穿过支撑管并与微钻头连接从而带动微钻头的转动，所述支撑管的外周设有配重；

所述留置部包括海床基箱体、弹簧和弹簧扣，所述海床基箱体的底部和顶部分别设有容许变形测量缆穿过的通孔，所述变形测量缆的顶端穿过海床基箱体后卡位并连接水密接插件I，海床基箱体的顶部还固定弹簧的一端和弹簧扣的拉绳，拉绳位于弹簧中央；

所述回收部包括主控舱、浮体材料、水声定位器、信标机、水声释放器和支撑框架，所述主控舱内设有主控系统、数据采集系统、数据存储器、状态监测系统和电池，主控舱的外周套有浮体材料，主控舱的顶部设置水声定位器和信标机，水声定位器和信标机分别与主控系统连接，主控舱的底部设置水声释放器和水密接插件II，水声释放器和水密接插件II分别与主控系统和数据采集系统连接；主控舱的底部还设置支撑框架，所述支撑框架包括支撑板及连接支撑板和主控舱的支撑杆，水声释放器连接水声释放器钩锁，水声释放器钩锁正下方在支撑板上设有弹簧扣通孔；所述支撑板上还设有水密接插件通孔；

所述留置部与回收部通过以下方式连接：水密接插件II从下方穿过水密接插件通孔与水密接插件I连接，弹簧扣从下方穿过弹簧扣通孔与水声释放器钩锁连接；

步骤二：调查船到布放站位，将观测装置自由落体布放，在配重和浮体材料的共同作用下，观测装置自身充分调整整体姿态；

步骤三：微钻头锥尖触底，启动微电机，开始打通钻孔，此时配重落底，在浮体材料作用下，观测装置整体仍保持垂直状态；伴随微钻头工作，带动变形测量缆垂直进入沉积物中；

步骤四：微电机工作，预设工作2-4分钟自停，变形测量缆完全垂直进入沉积物，海床基箱体卡在海床表面，完成现场布放。微电机预设工作2-4分钟自停，理论上可以钻入6m以上，海床变形一般发生在3-5m内的浅表层沉积物，变形测量缆长度典型值为5m，足够完全进入沉积物。

当浅地层因为滑坡等原因发生地层错动等横向变形时，在沉积物中垂直布放的变形测量缆随之发生姿态形变和弹性形变，变形测量缆顶端被海床基箱体卡在海床表面，形成稳定的海底被动变形观测。变形测量缆的形变数据被主控舱内的数据采集系统采集并存储在数据存储器中，等待回收。

进一步地，所述步骤三中微钻头触底启动采用以下方法中的任一种：

①在微钻头内设置触底开关，借用落地向上的推力启动开关；

②在微钻头内设置压力传感器，设置微钻头的压力阈值，当微钻头触底时，压力值超过阈值，启动微钻头；

③在微钻头内设置高度计，测量距底高度，设定高度小于0.1cm时，即认为坐底完成，启动微钻头；

④在微钻头内设置水深测量仪，当水深数值稳定(变化小于0.1m)，即认为坐底成功，启动微钻头；

⑤在微钻头内设置速度测量仪，下降速度减小至接近于0(可设定速度小于0.1m/s)，即认为坐底成功，启动微钻头；

⑥在微钻头内设置加速度测量仪，加速度向上超过0.5m/s²，即可认为遭遇地面阻挡，坐底成功，启动微钻头。

进一步地，所述步骤一中微控舱和配重均为圆柱体形，且外周长一致，且小于等于微钻头的最大周长，如此能最大程度避免钻入过程的阻力，保障钻入的顺利进行。

进一步地，所述步骤一中弹簧扣通孔的下方设置弹簧保护罩，弹簧保护罩的一端固定于支撑板上，当弹簧扣从下方穿过弹簧扣通孔与水声释放器钩锁连接时，弹簧位于弹簧保护罩内。加上弹簧保护罩后，可以避免海水运动对弹簧造成直接冲击。

进一步地，所述步骤一中支撑框架内设置两端分别固定于主控舱和支撑板上的水密接插件保护罩，水密接插件保护罩正对支撑板上的水密接插件通孔，水密接插件II位于水密接插件保护罩内；当水密接插件I从下方穿过水密接插件通孔与水密接插件II连接时，水密接插件I和水密接插件II均位于水密接插件保护罩内。加上水密接插件保护罩后，可以避免海水运动对水密接插件造成直接冲击。

进一步地，所述步骤一中在变形测量缆的内部设置至少3个与变形测量缆连接的三轴加速度传感器，三轴加速度传感器之间依次串联连接。通过获取三轴的加速度数据，经积分可获得速度和位移数据。

进一步地，为顺利完成观测装置的布放及回收，所述步骤一中观测装置各部分需满足以下关系式：

令加工完成的本发明观测装置，以主控舱为主体的回收部其空气中质量为m₁，体积为V₁；钻头部分、变形测量缆和留置部整体其空气中质量为m₂，体积为V₂。根据文献分析及海上观测经验，观测装置布放过程在海水中的理想下降速度υ_d为1～3m/s，具体工作中可取稳定状态下的匀速下降速度υ_d＝1.5m/s(本发明中全部参数均设为标量)。

观测装置布放过程中，所受外力包括重力(G)、浮力(F_浮)以及海水阻力(F_阻)。其中，重力向下、浮力向上、海水阻力与运动方向相反。根据伯努利方程，海水阻力与下降速度、装置的应力作用横截面积S(垂向投影面积)有关。在观测装置入水的初级阶段，下降速度为0，此时海水阻力较小。随下降速度不断增大，海水阻力也随之增大，加速度不断减小。当加速度减小到0，达到稳定状态。令海水的阻力系数为C，此时有

G－F_浮－F_阻d＝0即

(m₁+m₂)×g－ρ_海×g×(V₁+V₂)－0.5×C×ρ_海×υ_d ²×S＝0 (式1)

观测装置锥尖到达海床面后，运动速度为υ(0≤υ＜υ_d)，并启动微钻头。此时，海床有支撑力F_地，与F_地成反作用力的钻入作用力F_孔，此时有

F_地＝－F_孔 (式2)

G－F_浮－F_地－F_阻＝0即

(m₁+m₂)×g－ρ_海×g×(V₁+V₂)－0.5×C×ρ_海×υ²×S－F_地＝0 (式3)

式1、3联立可得

F_地＝1/2*C×ρ_海×(υ_d ²－υ²)×S (式4)

显然，F_地＞0。微钻头启动后，能够保证微钻头负载运行，并向下运动。直至完成钻孔并被海床基箱体卡住，达到预设时间后，停止运行，完成布放。

回收过程，在水声释放器钩锁打开后，回收部自由上浮并达到匀速υ_u。具体工作中可令上浮速度为理想上浮速度υ_u＝3m/s，此时有

G’－F’_浮+F_阻u＝0即

m₁×g－ρ_海×g×V₁+0.5×C×ρ_海×υ_u ²×S＝0 (式5)

根据式1与式5，选取适当的m₁、V₁、m₂、V₂及S，满足限制条件即可。

进一步地，为顺利完成观测装置的布放及回收，所述步骤一中弹簧、弹簧扣拉绳及水密接插件需满足以下关系式：

令弹簧的弹性系数为k，自然长度为L₀。设备安装完成后，压缩状态下的弹簧长度为L_z，弹簧扣拉绳长度为L_s，水密接插件连接后位于主控舱和海床基箱体之间的线缆长度为L_a，此时线缆两端点之间的直线距离为L_b，显然有L_z＜L_s＜L_b＜L_a＜L₀。弹簧扣拉绳拉伸破坏力为F_s，水密接插件拉伸分离的极限破坏力为F_a。

为保证弹簧扣不被弹簧力破坏，于是有

F_s>k×(L₀－L_z) (式6)

为保险起见，实际工作中要求

F_s>1.2k×(L₀－L_z) (式7)

可根据上式，在已知弹簧的k、L₀，以及F_s的条件下，确定弹簧在压缩状态下的初始长度L_z。

当水声释放器启动，弹簧扣拉绳脱落，弹簧从压缩态释放。以主控舱为主体的回收部开始上浮，使得水密接插件两端点距离从L_b到L_a。此时，在弹簧弹力作用下，水密接插件两端超过极限拉伸，进而分离。即

k×(L_a－L_b)>F_a (式8)

为保险起见，实际工作中要求

k×(L_a－L_b)>1.2F_a (式9)

可通过多次破坏实验，确定F_a。根据弹簧扣相关计算，确定L₀以及L_z，作为L_a与L_b的限制条件。而后根据上式，在已知弹簧的k条件下，可根据水密接插件的型号确定L_a与L_b的取值。

本发明的第二个目的是提供上述自钻无缆式海底变形长期观测装置的回收方法，具体为：

步骤一：调查船到布放站位，通过水声定位获得观测装置在水下的具体位置，而后，通过水声释放器甲板单元发送信号，打开本观测装置的水声释放器钩锁，释放挂在水声释放器钩锁上的弹簧扣；

步骤二：弹簧扣被释放后，弹簧从压缩态转为释放态，在海床基箱体的支撑下，将支撑板向上顶开，同时将水密接插件I与水密接插件II分开，此时，本观测装置的回收部与留置部分离；

步骤三：在弹簧释放给予的作用力以及浮体材料的作用下，回收部上浮至海面，信标机发出定位信号，指导调查船完成打捞回收。

本发明的第三个目的是提供上述自钻无缆式海底变形长期观测装置布放及回收的控制系统，包括甲板控制单元和观测装置单元，所述观测装置单元包括回收单元和留置单元；所述回收单元包括主控系统、状态监测系统、水深传感器、姿态传感器、数据存储器、数据采集系统、水声定位器、信标机、水声释放器，所述主控系统分别与状态监测系统、数据存储器、数据采集系统、水声定位器、信标机连接，所述状态监测系统分别与水深传感器和姿态传感器连接，所述水声释放器、水声定位器、信标机分别与甲板控制单元无线连接，水声释放器还与水声释放器钩锁连接；所述留置单元包括微控电路、微电机、变形测量缆和弹簧扣，所述微控电路与微电机连接，变形测量缆与数据采集系统连接，弹簧扣与水声释放器钩锁连接。

本发明基于一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，有效完成柔性的变形测量缆的原位布放，从而实现海底变形过程的长期原位观测。本发明能够仅通过一系列船载设备的甲板操作，就能顺利的完成设备的原位布放及回收，提高了工作效率，降低了科研成本，减轻了现场观测工作的操作难度，能够更好的为研究和工程活动服务。

附图说明

图1自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放方法示意图；

图2自钻无缆式海底变形长期观测装置的回收方法示意图；

图3自钻无缆式海底变形长期观测装置的控制系统；

图4自钻无缆式海底变形长期观测装置结构示意图；

图5钻头部分结构示意图；

图6留置部结构示意图；

图7回收部结构示意图；

图4-7中：1-水声定位器；2-浮体材料；3-水声释放器；4-支撑杆I；5-水声释放器钩锁；6-弹簧扣；7-弹簧保护罩；8-弹簧；9-变形测量缆；10-配重；11-信标机；12-主控舱；13-水密接插件II；14-水密接插件保护罩；15-支撑杆II；16-水密接插件I；17-支撑板；18-海床基箱体；19-微控舱；20-微钻头；21-弹簧扣通孔；22-水密接插件通孔；23-支撑管；24-拉绳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示的自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放方法，包括如下步骤：

步骤一：装配完成如图4所示的自钻无缆式海底变形长期观测装置，包括自下向上依次连接的钻头部分、变形测量缆9和布放回收部分，布放回收部分包括留置部和回收部。

如图5所示的钻头部分，自下向上包括微钻头20、支撑管23和微控舱19，支撑管23和微控舱19贯通连接，微控舱19内设有微电机、微控电路及电池，微电机连接微控电路，电池为微电机及微控电路供电，微电机的旋转杆穿过支撑管23并与微钻头20连接从而带动微钻头20的转动，支撑管23的外周设有配重10。微控舱19和配重10均为圆柱体形，且外周长一致，且等于微钻头的最大周长。

如图6所示的留置部，包括海床基箱体18、弹簧8和弹簧扣6，海床基箱体18的底部和顶部分别设有容许变形测量缆9穿过的通孔，变形测量缆9的顶端穿过海床基箱体18后卡位并连接水密接插件I 16。海床基箱体18的顶部还固定弹簧8的一端和弹簧扣6的拉绳24，拉绳24位于弹簧8中央。

如图7所示的回收部，包括主控舱12、浮体材料2、水声定位器1、信标机11、水声释放器3和支撑框架。主控舱12内设有主控系统、数据采集系统、数据存储器、状态监测系统和电池，主控舱12的外周套有浮体材料2，主控舱12的顶部设置水声定位器1和信标机11，水声定位器1和信标机11分别与主控系统连接。主控舱12的底部设置水声释放器3和水密接插件II 13，水声释放器3和水密接插件II 13分别与主控系统和数据采集系统连接。主控舱12的底部还设置支撑框架，支撑框架包括支撑板17及连接支撑板17和主控舱12的支撑杆I 4、支撑杆II 15。水声释放器3连接水声释放器钩锁5，水声释放器钩锁5正下方在支撑板17上设有弹簧扣通孔21，支撑板17上还设有水密接插件通孔22。

留置部与回收部通过以下方式连接：水密接插件II 13从下方穿过水密接插件通孔22与水密接插件I 16连接，弹簧扣6从下方穿过弹簧扣通孔21与水声释放器钩锁5连接。

步骤二：调查船到布放站位，将观测装置自由落体布放，在配重10和浮体材料2的共同作用下，观测装置自身充分调整整体姿态；

步骤三：微钻头20锥尖触底，启动微电机(本实施例中采用在微钻头内设置触底开关启动，也可根据实际情况选择其它触底启动方式)，开始打通钻孔，此时配重10落底，在浮体材料2作用下，观测装置整体仍保持垂直状态；伴随微钻头20工作，带动变形测量缆9垂直进入沉积物中；

步骤四：微电机工作，变形测量缆9完全垂直进入沉积物，海床基箱体18卡在海床表面，完成现场布放。微电机预设工作3分钟自停，理论上可以钻入10m以上，海床变形一般发生在3-5m内的浅表层沉积物，本实施例采用的变形测量缆9长度为5m，足够完全进入沉积物。

步骤五：当浅地层因为滑坡等原因发生地层错动等横向变形时，在沉积物中垂直布放的变形测量缆9随之发生姿态形变和弹性形变，变形测量缆9顶端被海床基箱体18卡在海床表面，形成稳定的海底被动变形观测。变形测量缆9的形变数据被主控舱12内的数据采集系统采集并存储在数据存储器中，等待回收。

观测完成后，按照如图2所示的方法对上述自钻无缆式海底变形长期观测装置进行回收，具体为：

步骤一：调查船到布放站位，通过水声定位获得观测装置在水下的具体位置，而后，通过水声释放器甲板单元发送信号，打开本观测装置的水声释放器钩锁5，释放挂在水声释放器钩锁5上的弹簧扣6；

步骤二：弹簧扣6被释放后，弹簧8从压缩态转为释放态，在海床基箱体18的支撑下，将支撑板18向上顶开，同时将水密接插件I 16与水密接插件II 13分开，此时，本观测装置的回收部与留置部分离；

步骤三：在弹簧8释放给予的作用力以及浮体材料2的作用下，回收部上浮至海面，信标机11发出定位信号，指导调查船完成打捞回收。

上述自钻无缆式海底变形长期观测装置布放和回收的控制系统如图3所示，包括甲板控制单元和观测装置单元，所述观测装置单元包括回收单元和留置单元；所述回收单元包括主控系统、状态监测系统、水深传感器、姿态传感器、数据存储器、数据采集系统、水声定位器、信标机、水声释放器，所述主控系统分别与状态监测系统、数据存储器、数据采集系统、水声定位器、信标机连接，所述状态监测系统分别与水深传感器和姿态传感器连接，所述水声释放器、水声定位器、信标机分别与甲板控制单元无线连接，水声释放器还与水声释放器钩锁连接；所述留置单元包括微控电路、微电机、变形测量缆和弹簧扣，所述微控电路与微电机连接，变形测量缆与数据采集系统连接，弹簧扣与水声释放器钩锁连接。

为实现上述自动布放、回收，观测装置的各部件需满足以下关系式：

(m₁+m₂)×g－ρ_海×g×(V₁+V₂)－0.5×C×ρ_海×υ_d ²×S＝0 (式1)

m₁×g－ρ_海×g×V₁+0.5×C×ρ_海×υ_u ²×S＝0 (式5)

F_s>1.2k×(L₀－L_z) (式7)

k×(L_a－L_b)>1.2F_a (式9)

式1、5中，

m₁—以主控舱为主体的回收部其空气中质量，单位kg；

V₁—以主控舱为主体的回收部体积，单位m³；

m₂—钻头部分、变形测量缆和留置部整体其空气中质量，单位kg；

V₂—钻头部分、变形测量缆和留置部整体体积，单位m³；

g—重力加速度，单位m/s²；

ρ_海—海水密度，单位kg/m³；

C—海水的阻力系数；

υ_d—观测装置稳定状态下的匀速下降速度，单位m/s；

S—观测装置的应力作用横截面积(垂向投影面积)，单位m²；

υ_u—回收过程中回收部匀速上浮速度，单位m/s。

式7、9中，

F_s—弹簧扣拉绳拉伸破坏力，单位N；

k—弹簧的弹性系数；

L₀—弹簧的自然长度，单位m；

L_z—压缩状态下的弹簧长度，单位m；

L_a—水密接插件连接后位于主控舱和海床基箱体之间的线缆长度，单位m；

L_b—水密接插件连接后位于主控舱和海床基箱体之间的线缆两端点之间的直线距离，单位m；

F_a—水密接插件拉伸分离的极限破坏力，单位N。

实施例2

与实施例1不同的是：

弹簧扣通孔21的下方设置弹簧保护罩7，弹簧保护罩7的一端固定于支撑板17上。支撑框架内设置两端分别固定于主控舱12和支撑板17上的水密接插件保护罩14，水密接插件保护罩14正对支撑板17上的水密接插件通孔22。

留置部与回收部通过以下方式连接：水密接插件II 13从下方穿过水密接插件通孔22与水密接插件I 16连接，水密接插件II 13和水密接插件I 16均位于水密接插件保护罩14内，弹簧扣6从下方穿过弹簧扣通孔21与水声释放器钩锁5连接，弹簧8位于弹簧保护罩7内。

在变形测量缆9的内部设置3个与变形测量缆9连接的三轴加速度传感器，三轴加速度传感器之间依次串联连接。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放方法，其特征在于，具体为：

步骤一：装配完成自钻无缆式海底变形长期观测装置，所述观测装置包括自下向上依次连接的钻头部分、变形测量缆(9)和布放回收部分，所述布放回收部分包括留置部和回收部；

所述钻头部分自下向上包括微钻头(20)、支撑管(23)和微控舱(19)，所述支撑管(23)和微控舱(19)贯通连接，微控舱(19)内设有微电机、微控电路及电池，微电机连接微控电路，电池为微电机及微控电路供电，微电机的旋转杆穿过支撑管(23)并与微钻头(20)连接从而带动微钻头(20)的转动，所述支撑管(23)的外周设有配重(10)；

所述留置部包括海床基箱体(18)、弹簧(8)和弹簧扣(6)，所述海床基箱体(18)的底部和顶部分别设有容许变形测量缆(9)穿过的通孔，所述变形测量缆(9)的顶端穿过海床基箱体(18)后卡位并连接水密接插件I(16)，海床基箱体(18)的顶部还固定弹簧(8)的一端和弹簧扣(6)的拉绳(24)的一端，拉绳(24)位于弹簧(8)中央；

所述回收部包括主控舱(12)、浮体材料(2)、水声定位器(1)、信标机(11)、水声释放器(3)和支撑框架，所述主控舱(12)内设有主控系统、数据采集系统、数据存储器、状态监测系统和电池，主控舱(12)的外周套有浮体材料(2)，主控舱(12)的顶部设置水声定位器(1)和信标机(11)，水声定位器(1)和信标机(11)分别与主控系统连接，主控舱(12)的底部设置水声释放器(3)和水密接插件II(13)，水声释放器(3)和水密接插件II(13)分别与主控系统和数据采集系统连接；主控舱(12)的底部还设置支撑框架，所述支撑框架包括支撑板(17)及连接支撑板(17)和主控舱(12)的支撑杆，水声释放器(3)连接水声释放器钩锁(5)，水声释放器钩锁(5)正下方在支撑板(17)上设有弹簧扣通孔(21)；所述支撑板(17)上还设有水密接插件通孔(22)；

所述留置部与回收部通过以下方式连接：水密接插件II(13)从下方穿过水密接插件通孔(22)与水密接插件I(16)连接，弹簧扣(6)从下方穿过弹簧扣通孔(21)与水声释放器钩锁(5)连接；

步骤二：调查船到布放站位，将观测装置自由落体布放，在配重(10)和浮体材料(2)的共同作用下，观测装置自身充分调整整体姿态；

步骤三：微钻头(20)锥尖触底，启动微电机，开始打通钻孔，此时配重(10)落底，在浮体材料(2)作用下，观测装置整体仍保持垂直状态；伴随微钻头(20)工作，带动变形测量缆(9)垂直进入沉积物中；

步骤四：微电机工作，预设工作2-4分钟自停，变形测量缆完全垂直进入沉积物，海床基箱体卡在海床表面，完成现场布放。

2.根据权利要求1所述的自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放方法，其特征在于，所述步骤三中微钻头(20)触底启动采用以下方法中的任一种：

①在微钻头(20)内设置触底开关，借用落地向上的推力启动开关；

②在微钻头(20)内设置压力传感器，设置微钻头(20)的压力阈值，当微钻头(20)触底时，压力值超过阈值，启动微钻头(20)；

③在微钻头(20)内设置高度计，测量距底高度，设定高度小于0.1cm时，即认为坐底完成，启动微钻头(20)；

④在微钻头(20)内设置水深测量仪，当水深数值稳定，即认为坐底成功，启动微钻头(20)；

⑤在微钻头(20)内设置速度测量仪，下降速度减小至接近于0，即认为坐底成功，启动微钻头(20)；

⑥在微钻头(20)内设置加速度测量仪，加速度向上超过0.5m/s²，即认为遭遇地面阻挡，坐底成功，启动微钻头(20)。

3.根据权利要求1或2所述的自钻无缆式海底变形长期观测装置的布放方法，其特征在于，

所述步骤一中观测装置各部分需满足以下关系式：

(m₁+m₂)×g－ρ_海×g×(V₁+V₂)－0.5×C×ρ_海×υ_d ²×S＝0 (式1)

m₁×g－ρ_海×g×V₁+0.5×C×ρ_海×υ_u ²×S＝0 (式5)

F_s>1.2k×(L₀－L_z) (式7)

k×(L_a－L_b)>1.2F_a (式9)

式1、5中，

m₁—以主控舱为主体的回收部其空气中质量，单位kg；

V₁—以主控舱为主体的回收部体积，单位m³；

m₂—钻头部分、变形测量缆和留置部整体其空气中质量，单位kg；

V₂—钻头部分、变形测量缆和留置部整体体积，单位m³；

g—重力加速度，单位m/s²；

ρ_海—海水密度，单位kg/m³；

C—海水的阻力系数；

υ_d—观测装置稳定状态下的匀速下降速度，单位m/s；

S—观测装置的应力作用横截面积(垂向投影面积)，单位m²；

υ_u—回收过程中回收部匀速上浮速度，单位m/s；

式7、9中，

F_s—弹簧扣拉绳拉伸破坏力，单位N；

k—弹簧的弹性系数；

L₀—弹簧的自然长度，单位m；

L_z—压缩状态下的弹簧长度，单位m；

L_a—水密接插件连接后位于主控舱和海床基箱体之间的线缆长度，单位m；

L_b—水密接插件连接后位于主控舱和海床基箱体之间的线缆两端点之间的直线距离，单位m；

F_a—水密接插件拉伸分离的极限破坏力，单位N。

4.根据权利要求1-3任一所述自钻无缆式海底变形长期观测装置布放后的回收方法，其特征在于，具体为：

步骤一：调查船到布放站位，通过水声定位获得观测装置在水下的具体位置，而后，通过水声释放器甲板单元发送信号，打开本观测装置的水声释放器钩锁(5)，释放挂在水声释放器钩锁(5)上的弹簧扣(6)；

步骤二：弹簧扣(6)被释放后，弹簧(8)从压缩态转为释放态，在海床基箱体(18)的支撑下，将支撑板(17)向上顶开，同时将水密接插件I(16)与水密接插件II(13)分开，此时，本观测装置的回收部与留置部分离；

步骤三：在弹簧(8)释放给予的作用力以及浮体材料(2)的作用下，回收部上浮至海面，信标机(11)发出定位信号，指导调查船完成打捞回收。