CN108387713B - 一种海底沉积物测试装置、贯入系统与贯入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底沉积物测试装置、贯入系统及贯入方法，其属于海洋勘察设备技术领域，海底沉积物测试装置包括耐压舱、孔压测试组件、电阻率探头和锥尖探头，耐压舱的内部中空并设置有数据采集模块、加速度传感器及电池；孔压测试组件设置于耐压舱上，电阻率探头连接于耐压舱的一端，电阻率探头上沿周向均匀间隔开设有若干个容置孔，容置孔内设置有电极；锥尖探头与电阻率探头连接，加速度传感器、孔压测试组件、电阻率探头和锥尖探头均与数据采集模块电连接。贯入系统包括海底沉积物测试装置和布放回收装置，贯入方法借助布放回收装置依靠海底沉积物测试装置自身重力作用向下运动并插入海底沉积物中，能够准确地测量海底沉积物的力学性质。
Description
技术领域
本发明涉及海洋勘察设备技术领域，尤其涉及一种海底沉积物测试装置、贯入系统及贯入方法。
背景技术
静力触探方法是一种原位测试手段，也是一种勘探手段，它和常规的钻探-取样-室内试验等勘探程序相比，具有快速、精确、经济和节省人力等优点，可以满足广大沿海地区的工程勘察需求。
海底沉积物物理力学性质测试是海底电缆和输油管道设计、海底沉积物稳定性评价、海洋清於及海洋渔业资源评估必不可缺少的环节。如何可靠评价海底沉积物性质是海洋工程建设面临的重要课题。
表层沉积物粒径及强度是评价海底侵蚀的重要参数，相对来说，土颗粒粒径越大，侵蚀难度越大，土的强度越高则侵蚀越困难。现有沉积物粒径及强度研究基于箱式取样器将表层沉积物取至甲板然后通过甲板贯入试验或室内剪切试验获取沉积物强度，以及利用室内颗粒分析获得沉积物粒径分布。上述取样方式繁琐复杂，费时费力，将沉积物从海底取至岸上的过程，不仅改变了沉积物的应力环境，而且对试样造成不可避免的扰动，使得测试结果难以反映海底土层的真实物理力学性质。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种海底沉积物测试装置，用于测量海床表层水压力、贯入阻力、电阻率及加速度，进而评价海床表层沉积物强度及粒径分布。
本发明的另一目的在于提供一种贯入系统及贯入方法，用于测量海床表层水压力、贯入阻力、电阻率及加速度，进而评价海床表层沉积物强度及粒径分布。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种海底沉积物测试装置，包括：
耐压舱，其内部中空并设置有数据采集模块、加速度传感器和电池；
孔压测试组件，设置于所述耐压舱上；
电阻率探头，连接于所述耐压舱的一端，所述电阻率探头上沿周向均匀间隔开设有若干个容置孔，所述容置孔内设置有电极；
锥尖探头，与所述电阻率探头连接，所述加速度传感器、所述孔压测试组件、所述电阻率探头和所述锥尖探头均与所述数据采集模块电连接。
其中，所述电阻率探头包括探头本体和套设在所述探头本体一端的头部，所述头部沿周向均匀间隔开设有四个或六个所述容置孔。
其中，所述探头本体由不锈钢材料制成，所述头部由不导电的工程塑料制成。
其中，所述孔压测试组件包括孔压传感器、透水石和密封塞，所述耐压舱上设置有第一安装孔，所述孔压传感器位于所述第一安装孔内，所述密封塞密封于所述第一安装孔的开口处，所述密封塞上开设有透水孔，所述透水石位于所述透水孔的出口处并与所述孔压传感器抵接。
其中，所述耐压舱上开设有第二安装孔和第三安装孔，所述第二安装孔内设置有开关，所述第三安装孔内设置有用于显示所述数据采集模块工作状态的指示灯。
其中，所述耐压舱包括线路板舱和开关舱，所述数据采集模块位于所述线路板舱的内部，所述开关舱连接于所述线路板舱的一端，所述电阻率探头与所述开关舱连接。
其中，还包括导流结构，所述导流结构包括连接本体和导流叶片，所述连接本体连接于所述耐压舱远离所述电阻率探头的一端，若干个所述导流叶片沿所述连接本体的周向均匀间隔布置。
其中，还包括水密插头，所述水密插头设置于所述耐压舱靠近所述导流结构的一端内。
一种贯入系统，包括如上所述的海底沉积物测试装置，还包括布放回收装置，用于控制所述海底沉积物测试装置的布放与回收，所述布放回收装置包括：
绞车；
滑轮组件，设置于所述绞车上；
缆绳，其一端与所述海底沉积物测试装置连接，另一端与滑轮组件连接。
一种贯入方法，采用如上所述的贯入系统，具体步骤如下：
打开海底沉积物测试装置上的开关，使数据采集模块处于工作状态；
通过滑轮组件控制缆绳，将海底沉积物测试装置提升至空中设定高度处；
松开安装于绞车上的刹车，海底沉积物测试装置在自身重力的作用下向下运动并插入到海底沉积物中。
本发明的有益效果：
本发明提出的海底沉积物测试装置，以耐压舱为载体，将加速度传感器、孔压测试组件、电阻率探头、锥尖探头均与数据采集模块电连接，采集海水压力、锥尖阻力、电阻率、加速度等数据并存储，能够准确地测量海底沉积物的物理力学性质，不受外界环境干扰；其中，电阻率探头上的若干个电极沿周向均匀间隔布置，获取同一深度的土壤的电阻率值，根据探头进入沉积物的深度，可以获得任意深度的土壤的电阻率值，且测量结果准确，利于后期分析研究。
附图说明
图1是本发明提供的海底沉积物测试装置的剖视图；
图2是本发明提供的海底沉积物测试装置的局部剖视图；
图3是本发明提供的海底沉积物测试装置的导流结构的结构示意图；
图4是本发明提供的海底沉积物测试装置的结构示意图。
图中：
1、耐压舱；2、孔压测试组件；3、电阻率探头；4、锥尖探头；5、开关；6、指示灯；7、导流结构；8、水密插头；9、堵头；
11、线路板舱；12、开关舱；
21、孔压传感器；22、透水石；23、密封塞；
31、容置孔；32、探头本体；33、头部；
71、连接本体；72、导流叶片。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来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例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。
参见图1至图4，本发明实施例提供一种海底沉积物测试装置，包括耐压舱1、孔压测试组件2、电阻率探头3和锥尖探头4，耐压舱1的内部中空并设置有数据采集模块、加速度传感器和电池，孔压测试组件2设置于耐压舱1上；电阻率探头3连接于耐压舱1的一端，电阻率探头3上沿周向均匀间隔开设有若干个容置孔31，容置孔31内设置有电极；锥尖探头4与电阻率探头3连接，加速度传感器、孔压测试组件2、电阻率探头3和锥尖探头4均与数据采集模块电连接；电池为海底沉积物测试装置提供电能。
耐压舱1作为载体，将加速度传感器、孔压测试组件2、电阻率探头3、锥尖探头4均与数据采集模块电连接，采集海水压力、锥尖阻力、电阻率、加速度等数据并存储，能够准确地测量海底沉积物的真实物理力学性质，不受外界环境干扰；其中，电阻率探头3上的若干个电极沿周向均匀间隔布置，获取同一深度的土壤的电阻率值，根据探头进入沉积物的深度，可以获得任意深度的土壤的电阻率值，且测量结果准确，利于后期分析研究。
电阻率探头3用于测量表层沉积物的电阻率。电阻率探头3包括探头本体32和套设在探头本体32一端的头部33，头部33沿周向均匀间隔开设有四个或六个容置孔31，电极位于容置孔31内。探头本体32由不锈钢材料制成，头部33由不导电的工程塑料制成，采用高强度的工程塑料，保证使用寿命。在本实施例中，电阻率探头3的外径为50mm，容置孔31的直径为3mm。为了便于电阻率探头3与锥尖探头4的连接，电阻率探头3的端部可以设计成凸台状，凸台的两个端面圆的直径分别为50mm和43.7mm。当然，在此对尺寸不作限制。
耐压舱1包括线路板舱11和开关舱12，数据采集模块位于线路板舱11的内部，开关舱12连接于线路板舱11的一端，电阻率探头3与开关舱12连接。在本实施例中，电阻率探头3与开关舱12螺纹连接。
孔压测试组件2包括孔压传感器21、透水石22和密封塞23，耐压舱1上设置有第一安装孔，孔压传感器21位于第一安装孔内，密封塞23密封于第一安装孔的开口处，密封塞23上开设有透水孔，透水石22位于透水孔的出口处并与孔压传感器21抵接。孔压测试组件2用于测量海水压力，并将测量结果传递到数据采集模块。
耐压舱1上还开设有第二安装孔和第三安装孔，第二安装孔内设置有开关5，第三安装孔内设置有用于显示数据采集模块工作状态的指示灯6。开关5用于启停该海底沉积物测试装置，当开关5打开时，指示灯6亮。指示灯6包括发光二极管和有机玻璃，发光二极管位于第三安装孔内，有机玻璃密封第三安装孔的入口以防止海水进入并起透光作用。
海底沉积物测试装置还包括导流结构7，导流结构7包括连接本体71和导流叶片72，连接本体71连接于耐压舱1远离电阻率探头3的一端，若干个导流叶片72沿连接本体71的周向均匀间隔布置。在本实施例中，三个导流叶片72沿连接本体71的周向均匀间隔布置，用于保持海底沉积物测试装置下降过程中的稳定性。
导流结构7与耐压舱1螺纹连接。在螺纹连接处，沿耐压舱1的周向均匀间隔设置有三个安装孔，通过螺丝对导流结构7径向锁紧，螺纹连接与螺丝锁紧配合，防止导流结构7脱落。
海底沉积物测试装置还包括水密插头8，水密插头8设置于耐压舱1内，水密插头8并位于耐压舱1靠近导流结构7的一端。在耐压舱1内设置有堵头9，水密插头8螺纹安装于堵头9上。水密插头8连接电阻率探头3、锥尖探头4和数据采集模块，用于信号传输。在密封舱的侧壁上设置一个螺纹孔用于安装具有防水功能的通讯天线，以实现海底沉积物测试装置与外界通讯。导流结构7的内部中空用于容纳通讯天线。
耐压舱1内部还设置有锂电池组件，锂电池组件为整个装置提供电源。
锥尖探头4用于测量装置下降时的贯入阻力，锥尖探头4可以采用常规静力触探探头，也可以采用压力补偿式触探探头。在本实施例中，锥尖探头4的直径为43.7mm，锥尖平面夹角为60°，在此对尺寸不作限制。
在海底沉积物测试装置的下部，即靠近锥尖探头4的位置设置配重块，通过设置配重块使其重心位于装置下部，整个测试装置空气中重量约为12kg，水下重量约为10kg。
本发明实施例还提供一种贯入系统，包括上述的海底沉积物测试装置，还包括布放回收装置，用于控制海底沉积物测试装置的布放与回收，布放回收装置包括绞车、滑轮组件和缆绳，滑轮组件设置于绞车上，缆绳的一端与海底沉积物测试装置连接，另一端绕过滑轮组件与绞车连接。
贯入系统还包括导向杆、摇杆、绞盘，导向杆用于保持线缆出线与回线的方向，也用于固定绞车，导向杆上每间隔一定距离设置一个导向环。摇杆能够驱动绞盘转动，缆绳缠绕在绞盘上。缆绳绕设在滑轮组件上，滑轮组件的滑轮用于对缆绳导向。
上述贯入系统在使用时，方法如下：
在岸上或甲板上，将缆绳一端固定于海底沉积物测试装置，另一端穿过导向环绕设于滑轮组件上，并将多余缆绳收到滑轮上，将海底沉积物测试装置提升至空中设定高度处。
打开海底沉积物测试装置上的开关5，使数据采集模块处于工作状态。此时可通过指示灯6查看装置是否开启。
松开安装与绞车上的刹车，海底沉积物测试装置在自身重力的作用下向下运动并插入到海底沉积物中。此时，由于配重块的作用，使得锥尖探头4向下插入沉积物中；由于导流结构7的导流叶片72的作用，使得海底沉积物测试装置一直保持锥尖向下的状态，缆绳随海底沉积物测试装置下移。在装置下降过程中，数据采集模块一直处于采集、存储的工作状态。
为得到可靠数据，可以在贯入装置触底后，提升缆绳，将缆绳提升5-10m，然后再松开缆绳，使其在重力作用下自由下落插入到沉积物中。
海底沉积物测试装置插入到沉积物一定时间后，转动绞盘，将海底沉积物测试装置回收至水面。
旋转开关5，将海底沉积物测试装置关闭，完成一个完整测试过程。
在本实施例中，当海底沉积物测试装置打开时，可以通过移动设备与海底沉积物测试装置建立无线通讯连接，将采集数据回收至电脑或手机。
为避免缆绳对贯入影响过大，需根据实际情况设定工作水深。在本实施例中，海底沉积物测试装置的工作水深最好不超过于100m。
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。
Claims (5)
1.一种海底沉积物测试装置，其特征在于，包括：
耐压舱(1)，其内部中空并设置有数据采集模块、加速度传感器和电池；
孔压测试组件(2)，设置于所述耐压舱(1)上；
电阻率探头(3)，连接于所述耐压舱(1)的一端，所述电阻率探头(3)上沿周向均匀间隔开设有若干个容置孔(31)，所述容置孔(31)内设置有电极；
锥尖探头(4)，与所述电阻率探头(3)连接，所述加速度传感器、所述孔压测试组件(2)、所述电阻率探头(3)和所述锥尖探头(4)均与所述数据采集模块电连接；在所述锥尖探头(4)上设置有配重块，整个装置的重心位于下部；
所述电阻率探头(3)包括探头本体(32)和套设在所述探头本体(32)一端的头部(33)，所述头部(33)沿周向均匀间隔开设有四个或六个所述容置孔(31)；
所述探头本体(32)由不锈钢材料制成，所述头部(33)由不导电的工程塑料制成；
所述头部(33)与所述耐压舱(1)连接，所述探头本体(32)与所述锥尖探头(4)连接；
所述耐压舱(1)、所述电阻率探头(3)和所述锥尖探头(4)上端的直径相同；
所述孔压测试组件(2)包括孔压传感器(21)、透水石(22)和密封塞(23)，所述耐压舱(1)上设置有第一安装孔，所述孔压传感器(21)位于所述第一安装孔内，所述密封塞(23)密封于所述第一安装孔的开口处，所述密封塞(23)上开设有透水孔，所述透水石(22)位于所述透水孔的出口处并与所述孔压传感器(21)抵接；
导流结构(7)，所述导流结构(7)包括连接本体(71)和导流叶片(72)，所述连接本体(71)连接于所述耐压舱(1)远离所述电阻率探头(3)的一端，若干个所述导流叶片(72)沿所述连接本体(71)的周向均匀间隔布置；
水密插头(8)，所述水密插头(8)设置于所述耐压舱(1)靠近所述导流结构(7)的一端内。
2.根据权利要求1所述的海底沉积物测试装置，其特征在于，所述耐压舱(1)上开设有第二安装孔和第三安装孔，所述第二安装孔内设置有开关(5)，所述第三安装孔内设置有用于显示所述数据采集模块工作状态的指示灯(6)。
3.根据权利要求1所述的海底沉积物测试装置，其特征在于，所述耐压舱(1)包括线路板舱(11)和开关舱(12)，所述数据采集模块位于所述线路板舱(11)的内部，所述开关舱(12)连接于所述线路板舱(11)的一端，所述电阻率探头(3)与所述开关舱(12)连接。
4.一种贯入系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的海底沉积物测试装置，还包括布放回收装置，用于控制所述海底沉积物测试装置的布放与回收，所述布放回收装置包括：
绞车；
滑轮组件，设置于所述绞车上；
缆绳，其一端与所述海底沉积物测试装置连接，另一端与滑轮组件连接。
5.一种贯入方法，其特征在于，采用如权利要求4所述的贯入系统，具体步骤如下：
打开海底沉积物测试装置上的开关，使数据采集模块处于工作状态；
通过滑轮组件控制缆绳，将海底沉积物测试装置提升至空中设定高度处；
松开安装于绞车上的刹车，海底沉积物测试装置在自身重力的作用下向下运动并插入到海底沉积物中；
在海底沉积物测试装置触底之后，提升缆绳设定距离，再松开缆绳，使其在重力作用下自由下落插入到海底沉积物中。
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