CN109204746A - 自浮式抗淤积海床基 - Google Patents

Abstract

自浮式抗淤积海床基，设置有浮力定量调节系统和减阻系统，浮力定量调节系统包括环形气囊结构、气囊固定装置和水面充排气装置；减阻系统包括减小泥沙吸附力的正四边形抗淤积支架和降低底质吸附力的正六边形框架盘座体。本发明通过定量调节环形气囊体积来控制海床基所受浮力，实现海床基自浮式回收；通过设置正六边形框架盘坐体和正四边形抗淤积支架降低海床基回收时海底底质的吸附力，提高了海床基回收成功保障率，降低了海床基回收作业的操作难度。

Description

自浮式抗淤积海床基

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术领域，尤其涉及一种对海洋环境进行监测的海底平台。

背景技术

随着海洋环境保护、海洋灾害预防应急和海洋科学研究等领域的快速发展，对海洋环境监测技术的要求越来越高。相比于水面监测平台（如浮标和船舶），以及空中监测平台（如卫星和飞机），海底监测平台更便于掌握海洋环境系统的物理、化学和生物变化过程，具有原位、不受海况和天气影响、数据质量高的技术优势。然而由于海底监测平台技术仍不成熟，目前主流监测方式仍是水面和空中监测平台。

海床基是最常用的一种海底监测平台，主要搭载仪器探测海底附近的海洋环境参数，也可以采用声学仪器测量海洋环境的剖面参数。传统海床基平台的结构设计主要分为三种，第一种是浮体式，即仪器舱作为浮体，回收平台时打开释放装置，仪器舱上浮至水面，作业船将仪器舱回收，然后再通过连接绳索回收盘座体；第二种是分体式，仪器舱不作为浮体，仪器舱和盘坐体是两部分。回收平台时打开释放装置，示位浮球上浮至水面，作业船回收浮球、再回收仪器舱，最后再通过连接绳索回收盘座体；第三种是一体式，仪器舱不作为浮体，仪器舱和盘坐体是一部分。回收平台时打开释放装置，示位浮球上浮至水面，作业船回收浮球后，可直接一次性回收仪器舱和盘坐体。

这三种方式都是采用释放装置控制浮体或浮球上浮。一旦海床基被泥沙淤积，特别是在泥沙淤积严重的河口区域，释放装置更易被泥沙淤积导致堵塞，从而无法正常释放浮体或浮球，进而无法正常回收监测平台。

此外，这三种方式都只是依靠绳索拉力回收平台。平台在监测过程中，不可避免地要受到海底沉积物吸附作用影响，特别是粘性底质如粘土和淤泥。根据申请人多年的海床基应用与试验经验，盘坐体为无孔圆盘结构的海床基（自重300kg），无浸深情况下，其所受吸附力在淤泥条件下可达平台重力的15倍左右，粘土条件下可达平台重力的40余倍。而随着浸深增大，所受吸附力也明显增加，如浸深0.3m，淤泥条件下吸附力可达平台重力的20倍左右，粘土条件下更是可高达平台自身重力的近60倍。如此高的吸附力，对作业船只起重设备、平台回收绳索、现场回收人员技术水平和作业流程等都有很高的要求，稍有不慎就容易导致回收失败，造成监测平台的丢失，更有甚者，还有可能造成人员安全事故。

因此，如何减小泥沙淤积的影响和如何降低底质吸附力的作用是实现海床基安全顺利回收面临的关键问题。

发明内容

针对目前海床基面临的泥沙淤积和底质吸附这两个影响海床基顺利回收的关键问题，本发明提供了一种自浮式抗淤积海床基。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：自浮式抗淤积海床基，框架盘坐体上部通过整流罩和盘坐体固定装置安装半球型整流罩，框架盘坐体上安装仪器安装槽，仪器安装槽上安装释放器、浮球仓和绳仓，框架盘坐体的边框上安装投放透水柱；半球型整流罩外部通过气囊固定装置安装环形气囊，位于浮球仓和绳仓内的示位浮球一端连接框架盘坐体，示位浮球通过绳与释放器连接，示位浮球另一端连接安全保障绳和充排气管，环形气囊的气囊充排气孔连接充排气管。

所述仪器安装槽上位于框架盘坐体中心处通过吊仓固定支架安装万向吊仓，仪器安装槽上安装牺牲阳极。

所述框架盘坐体为正六边形框架结构，框架盘坐体边缘每个拐角处通过整流罩和盘坐体固定装置安装半球型整流罩。

所述框架盘坐体在边框上间隔的安装三个投放透水柱。

所述框架盘坐体下部安装正四边形抗淤积支架。

所述仪器安装槽上安装仪器挂件架、电池仓和接驳仓。

所述框架盘坐体上位于浮球仓和绳仓底部安装吊耳，示位浮球一端通过到吊耳连接框架盘坐体。

所述环形气囊通过放排气管连接调控装置，环形气囊最大容积量时其顶部与半球型整流罩顶部水平高度一致，并且环形气囊外侧与半球型整流罩外侧紧密贴合。

本发明的自浮式抗淤积海床基，根据海底结构物回收受力原理，通过在整流罩外侧安装环形气囊，通过定量调节环形气囊体积来控制海床基所受浮力，实现海床基自浮式回收，通过设置正六边形框架盘坐体和正四边形抗淤积支架降低海床基回收时海底底质的吸附力，提高了海床基回收成功保障率，降低了海床基回收作业的操作难度。

附图说明

图1是本发明自浮式抗淤积海床基主视图。

图2是本发明自浮式抗淤积海床基俯视图。

图3是本发明自浮式抗淤积海床基作业示意图。

图4是本发明自浮式抗淤积海床基的投放作业流程图。

图5是本发明自浮式抗淤积海床基的回收作业流程图。

图中：1、半球形整流罩，2、环形气囊，3、框架盘座体，4、抗淤积支架，5、牺牲阳极，6、扣手孔，7、吊舱固定支架，8、万向吊舱，9、声学多普勒海流剖面仪，10、示位浮球，11、浮球仓和绳仓，12、气囊充排气孔，13、气囊固定装置，14、吊耳，15、投放透水柱，16、释放器，17、仪器安装槽，18、电池仓和接驳仓，19、电池仓和接驳仓固定装置，20、仪器挂件架，21、整流罩和盘座体连接固定装置，22、安全保障绳，23、充排气管，24.固定环、25、调控装置，26、充排气阀门，27、充气泵，28、作业船。

具体实施方式

本发明的自浮式抗淤积海床基结构如图1-图3所示，由浮力定量调节系统和减阻系统两部分组成。浮力定量调节系统包括自浮式浮体、调控装置25和充排气装置，其中，充排气装置用于为浮体充气或排气，调控装置用于定量调节浮体充气或排气量，进而调节浮体所受浮力，当浮体浮力达到一定量值时就可以带动海床基上浮；减阻系统包括抗淤积支架4和框架盘坐体3，通过架高海床基和减小海床基与海床的接触面积来减小底质吸附力，同时在结构设计上保证了海床基坐底的稳定性。

自浮式浮体为带气囊充排气孔12的环形气囊2结构，通过气囊固定装置13固定在框架盘座体3和半球型整流罩1上，气囊固定装置13为具有弹性的扎带，扎带两端通过螺丝固定在半球型整流罩1上；充排气装置包括充气泵7、充排气阀26和充排气管23，充排气管23下端连接在环形气囊2的充排气孔12上，上端连接调控装置25；充排气阀门26连接调控装置25，可控制充排气的启停；调控装置25下端连接充排气管23，上端连接充排气阀门26，可定量调节浮体充排气量的大小，充气泵27连接在充排气阀门上。

本发明所涉及的减阻系统，包括抗淤积支4和框架盘坐体3，其中抗淤积支架4为正四边形支架结构，框架盘坐体3为正六边形框架结构。抗淤积支架4安装在盘坐体的下端，可拆卸；框架盘坐体3一方面保证海床基坐底的稳定性，另一方面为监测仪器及配套装置的固定和安装提供空间，盘坐体与整流罩固定连接，形成主舱结构；框架盘坐体3上焊接凸起盘面，盘面上设有固定螺丝口，半球形整流罩1下边缘处通过螺丝安装于凸起盘面上。

本发明的自浮式抗淤积海床基的浮力定量调节系统，是基于海床基受力原理，通过定量控制浮体容积量来调节浮体浮力，当浮体浮力达到一定量值时，海床基所受合力向上，就可以带动海床基上浮，实现海床基的自浮式回收。

海床基在海底主要受到重力、支持力、浮力和吸附力的作用，受力平衡公式为：

式（1）

式（1）中，为浮力，（根据阿基米德原理，为海水的密度，为重力加速度，为浮体容积量）；为海床对海床基的支持力；为海床基所受的重力；为吸附力。

根据斯肯普顿（Skempton）吸附力计算模型，得海床基底座所受吸附力为：

式（2）

式中：为底质土的粘聚力，为底质土的重度，为浸深，为底面面积。

式（3）

在海床基回收的过程中，给气囊充气，随着充气越来越多，浮力增加，支持力越来越小，当浮力和支持力完全克服重力和吸附力的时候，海床基开始上浮，此时支持力为0。此时，气囊容积量为：

式（4）

气囊容积量时，海床基就会自动上浮至海面，实现自浮式回收。

本发明所涉及的自浮式抗淤积海床基浮力定量调节系统的气囊，可根据海床基底部框架结构、盘坐体设计参数、以及平台投放预计不同投放时间的淤积深度，设置气囊临界容积量、气囊回收容积量和气囊最大容积量。

气囊临界容积量，当海床基浸深为0m，浮力完全克服重力和吸附力的时候，即海床基瞬间离底支持力为0时气囊的容积量。

为气囊回收容积量，根据海床基平台不同浸深如0.1m、0.2m、0.3m…..，海床基瞬间离底支持力为0时气囊的容积量。

为气囊最大容积量，根据海床基平台在投放海域最长布放时间条件下的浸没深度，海床基瞬间离底支持力为0时气囊的容积量。

本发明所涉及的浮力定量调节系统的气囊，其位置根据气囊受力分析原理，结合海床基在泥沙淤积情况下的回收离底进行设计。

利用公式

其中，，为气囊体积，为弹性材料的伸长率，为气囊充气前圆形切面内径，为环形浮体的内径。由于气囊体积变化率与气囊伸长率的变化率成正比，并且海床基长期坐底监测整流罩外侧易受泥沙淤积影响，盘坐体底部易板结硬化。若气囊设计在盘坐体底部或盘坐体侧下方，一方面泥沙易阻碍初始气囊伸长率的变化，导致初始瞬间无法充气；另一方面平台回收时易受波浪影响，如一般作业条件下3级海况波高1m左右，回收过程中平台稳性较差易倾覆。因此本发明气囊位置设计为整流罩外侧，通过六个气囊调控装置使气囊最大容积量时其顶部与整流罩顶部水平高度一致、并且气囊外侧与整流罩外侧紧密贴合。

本发明所涉及的浮力定量调节系统的气囊，其形状设计为环形，一方面由于半球形整流罩对流场环境影响较小，内部空间大；另一方面相比较条形气囊，环形气囊浮心在中心点，易与海床基重心在一条垂线上。

本发明所涉及的浮力定量调节系统的气囊，其材质采用气密性和水密性较好、防海水腐蚀的丁基橡胶。

本发明所涉及的自浮式抗淤积海床基的减阻系统，包括抗淤积支架和框架盘坐体，基于泥沙淤积和吸附力原理分析，通过架高海床基和减小海床基与海床的接触面积来减小底质吸附力。

根据公式2，在特定底质情况下，影响吸附力大小的可调参数为海床基同海床的接触面积A和海床基浸深d，其中A为主要影响因素，减小海床基与海床接触面积和浸深可减小吸附力。

因此，自浮式抗淤积海床基设计了抗淤积支架和框架形盘坐体。抗淤积支架一方面架高了海床基，防止仪器设备被淤泥淤积；另一方面，抗淤积支架减小了海床基与海床接触面积，降低了吸附力影响。框架形盘坐体也是通过减小盘坐体与海床接触面积来降低底质吸附力，有效解决了抗淤积支架完全被淤积情况下的回收难题。

本发明所涉及的自浮式抗淤积海床基减阻系统的抗淤积支架，其高度是根据泥沙淤积原理，结合我国近海泥沙淤积特性和底边界层监测盲区最小原则设计。

利用泥沙淤积公式：

式中，为泥沙沉降速度，、分别为泥沙、水的容重，为重力加速度，为泥沙的粒径（见下表），为水的运动粘滞系数。

常见土颗粒粒径

土颗粒类型	颗粒粒径/mm
		卵石	>60
砾石	2—60
		砂粒	0.05—2
粉粒	0.005—0.05
		粘粒	0.002—0.005
胶粒	<0.002

计算海床基投放1年时间的泥沙最大可能淤积深度约为0.28m，因此，本发明设计的抗淤积支架高度为0.3m，可满足我国大部分海域海床基长时间投放的抗泥沙淤积需求。

本发明所涉及的自浮式抗淤积海床基减阻系统的抗淤积支架，基于海床基结构的强度和稳定性、回收的便利性、以及避免下陷和倾斜各方面综合考虑，设计为正四边形支架结构，水平拉筋钢管直径为0.06m、边长为1m。与盘座体直接接触海床相比，安装抗淤积支架后海床基所受泥沙的吸附力降低了近90%，便于海床基自浮式回收。

本发明所涉及的自浮式抗淤积海床基减阻系统的框架盘坐体，为正六边形框架结构，相比于目前三角形和正方形的海床基盘坐体，在相同材料用量的情况下，六边形盘坐体具有最大的安装空间，从而可保证海床基内部空间的情况下降低海床基的重量，便于回收。

安装过程如下：

①抗淤积支架4安装在盘座体3上；

②万向吊舱8安装在吊舱固定支架7上；

③声学多普勒海流剖面仪（ADCP）9安装在万向吊舱8上，其他海洋监测仪器（如浊度仪、温盐传感器等）安装在挂件架20上，电池仓、接驳仓安装在固定装置19上；

④将释放器16固定在仪器安装槽17上，示位浮球10一端连接安全保障绳22和充排气管23，另一端连接在盘座体3上的吊耳14上，并用细绳将示位浮球10与释放器16连接；

⑤整流罩1安装在盘座体3上；

⑥用气囊固定装置13将环形气囊2固定在整流罩1上；

如图4所示，浮式抗淤积海床基投放过程如下：

①用作业船28将海床基运至布放位置；

②将三跟DYNEEMA绳穿过三个透水投放回收柱15，双头连接在一个投放释放器上；

③将投放释放器固定在投放绳一端，投放绳缠绕在卷扬机上；

④用一根牵引绳穿过两个透水投放回收柱15，一端固定，另一端半固定；

⑤用船上的起吊装置将海床基吊离甲板，缓慢投放至海底；

⑥海床基到海底后，由甲板单元发送释放指令，投放释放器脱钩，投放绳与海床基脱离，通过投放绳回收投放释放器；

⑦海床基投放作业完毕，作业船只返航。

如图5所示，自浮式抗淤积海床基回收过程如下：

①作业船28航行至投放位置；

②在船上由甲板单元发送释放指令，释放器16脱钩，示位浮球10牵引安全保障绳22和充排气管23上浮至海面；

③将调控装置25和充排气阀门26连接在充排气管23上，打开充气阀门26，用充气泵27对气囊2进行充气，通过调控装置25查看气囊充其量，当气囊2容积量接近海床基回收所需的理论容积量后减缓充气速度，同时通过拉拽安全保障绳22确认海床基是否已开始上浮，待海床基开始上浮就停止充气，关闭充气阀门26，等待海床基浮出水面；

③用作业船28上的起吊装置将海床基吊放至作业船上；

④海床基回收作业完毕。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.自浮式抗淤积海床基，其特征在于：框架盘坐体（3）上部通过整流罩和盘坐体固定装置（21）安装半球型整流罩（1），框架盘坐体（3）上安装仪器安装槽（17），仪器安装槽（17）上安装释放器（16）、浮球仓和绳仓（11），框架盘坐体（3）的边框上安装投放透水柱（15）；半球型整流罩（1）外部通过气囊固定装置（13）安装环形气囊（2），位于浮球仓和绳仓（11）内的示位浮球（10）一端连接框架盘坐体（3），示位浮球（10）通过绳与释放器（16）连接，示位浮球（10）另一端连接安全保障绳（22）和充排气管（23），环形气囊（2）的气囊充排气孔（12）连接充排气管（23）。

2.根据权利要求1所述的自浮式抗淤积海床基，其特征在于：所述仪器安装槽（17）上位于框架盘坐体（3）中心处通过吊仓固定支架（7）安装万向吊仓（8），仪器安装槽（17）上安装牺牲阳极（5）。

3.根据权利要求1所述的自浮式抗淤积海床基，其特征在于：所述框架盘坐体（3）为正六边形框架结构，框架盘坐体（3）边缘每个拐角处通过整流罩和盘坐体固定装置（21）安装半球型整流罩（1）。

4.根据权利要求1所述的自浮式抗淤积海床基，其特征在于：所述框架盘坐体（3）在边框上间隔的安装三个投放透水柱（15）。

5.根据权利要求1所述的自浮式抗淤积海床基，其特征在于：所述框架盘坐体（3）下部安装正四边形抗淤积支架（4）。

6.根据权利要求1所述的自浮式抗淤积海床基，其特征在于：所述仪器安装槽（17）上安装仪器挂件架（20）、电池仓和接驳仓（18）。

7.根据权利要求1所述的自浮式抗淤积海床基，其特征在于：所述框架盘坐体（3）上位于浮球仓和绳仓（11）底部安装吊耳（14），示位浮球（10）一端通过到吊耳（14）连接框架盘坐体（3）。

8.根据权利要求5所述的自浮式抗淤积海床基，其特征在于：所述环形气囊（2）通过放排气管（23）连接调控装置（25），环形气囊（2）最大容积量时其顶部与半球型整流罩（1）顶部水平高度一致，并且环形气囊（2）外侧与半球型整流罩（1）外侧紧密贴合。