CN112681277A - 一种海底多点位静力触探装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底多点位静力触探装备，包括：水下升沉移动单元，所述的水下升沉移动单元包括支撑框架、导向架、船式浮筒，所述的导向架竖直固定在所述支撑框架上，所述船式浮筒对称布置在所述导向架上，用于提供升沉力；CPTu探杆组件，所述CPTu探杆组件安装在所述支撑框架上，由导向架导向；液压推进系统，用于给所述CPTu探杆组件提供贯入力。本发明的CPTu触探装备能够在海底100m深度作业，探杆静力贯入深度可达30m，通过水下升沉移动平台，并配合水上小型浮拖船，自主灵活选择探测站位，完成该站位的海底表层沉积物的土力学性质的测试。

Description

一种海底多点位静力触探装备

技术领域

本发明属于海洋观测技术领域、海洋工程地质领域，涉及一种海底多点位静力触探装备。

背景技术

我国在建和规划中的海上重大基础设施(如海上风电、海上油气平台、海洋牧场平台等)总量居世界前列，海床地基是其最终的承载者。在海洋极端环境荷载下(如台风、巨浪等)，海上结构基础倒塌或过度倾斜时有发生，导致常规设计冗余度过高。安全、经济的海工结构基础设计主要取决于海床地层力学特性的高效勘测和科学分析。目前，海床力学特性原位勘测装备(主要有静力触探仪CPTu及其贯入设备)最大作业水深和贯入探测深度无法满足我国海域所有深度的作业需求，且一般多针对单点式固定勘察，缺乏移动式多点位高效勘测装备。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种海底多点位静力触探装备，以解决现有勘测装备存在的最大作业水深和贯入探测深度无法满足我国海域作业需求，且一般无法进行移动式多点高效勘测的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

本发明实施例提供一种海底多点位静力触探装备，包括：

水下升沉移动单元，所述的水下升沉移动单元包括支撑框架、导向架、船式浮筒，所述的导向架竖直固定在所述支撑框架上，所述船式浮筒对称布置在所述导向架上，用于提供升沉力；

CPTu探杆组件，所述CPTu探杆组件安装在所述支撑框架上，由导向架导向；

液压推进系统，用于给所述CPTu探杆组件提供贯入力。

进一步地，所述的CPTu探杆组件位于支撑框架中心对称位置。

进一步地，所述的CPTu探杆组件包括触探杆、锥头、透水滤器和摩擦筒，所述锥头固定在触探杆下端，摩擦筒套装在触探杆上，所述的透水滤器布置在靠近锥头后，其中锥头用于测定锥尖阻力，透水滤器用于测定超孔隙水压力，摩擦筒用于测定侧摩阻力。

进一步地，所述的液压推进系统包括液压马达、弹力夹紧装置和摩擦轮，两个弹力夹紧装置对称分布在触探杆两侧，每个弹力夹紧装置上安装有一个液压马达，每个液压马达的转动轴上安装摩擦轮，两个摩擦轮对称分布在触探杆两侧且与触探杆抵接，所述的弹力夹紧装置固定在支撑框架上。

进一步地，所述的弹力夹紧装置包括固定支座、控制杆和弹簧，所述固定支座与支撑框架铰接，所述液压马达安装在所述固定支座上，所述控制杆安装在支撑框架内，所述弹簧的一端抵住固定支座，另一端抵住控制杆的端部。

进一步地，还包括：静力触探测控系统，所述的静力触探测控系统包括用于收集CPTu探杆组件数据的探杆贯入集成器和用于控制液压马达的液压推进总成测控器。

进一步地，所述的船式浮筒具有进水口、排水口和进气口，通过进气口利用高压气体在水下将船式浮筒内的水排出。

进一步地，所述的进水口和排水口分别设置有进水阀门及排水阀门。

进一步地，所述的船式浮筒的总体积为4～8m³。

根据以上技术方案，相比于现有的海底静力触探设备，本发明的海底多点位静力触探装备通过船式浮筒在作业深度上大大增强，通过液压推进系统使其贯入探测深度能够完全满足我国海域所有深度的作业需求；通过水上小型浮拖船使其移动作业能力(海底作业范围和作业效率等)相较于现有主流的坐底式静力触探设备有了显著提升。在保证海底静力触探探测贯入深度完全满足我国海域所有深度作业需求下，设计制造时能够尽可能地减少设备的整体体积和重量，总体上使设备具有了大深度、高移动性、小型化、轻量化的产品特点和显著优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种海底多点位静力触探装备的正视图；

图2为本发明实施例提供的一种海底多点位静力触探装备的侧视图；

图3为本发明实施例提供的一种海底多点位静力触探装备的俯视图；

图4为本发明实施例中CPTu探杆组件的示意图；

图5为本发明实施例中静力触探测控系统的示意图；

图中的附图标记如下：1—液压推进总成测控器；2—小型浮拖船；3—支撑框架；4—CPTu探杆组件；5—液压推进系统；6—固定支座；7—导向架；8—船式浮筒；9—控制杆；10—液压马达；11—弹簧；12—弹力夹紧装置；13—摩擦轮；14—触探杆；15—锥头；16—透水滤器；17—摩擦筒；18—探杆贯入集成器。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-5所示，本发明实施例提供一种海底多点位静力触探装备，包括：

水下升沉移动单元，所述的水下升沉移动单元包括支撑框架3、导向架7、船式浮筒8，所述的支撑框架3用于固定整体结构，所述的导向架7竖直固定在所述支撑框架3上，所述船式浮筒8对称布置在所述导向架7上，用于提供升沉力；

CPTu探杆组件4，所述CPTu探杆组件4安装在所述支撑框架3上，由导向架7导向，以确保CPTu探杆组件4垂直贯入土体中；

液压推进系统5，用于给所述CPTu探杆组件4提供贯入力，最大贯入探测深度达30m，保证完全满足我国海域所有深度的作业需求。

本实施例中，所述的CPTu探杆组件4优选位于支撑框架3中心对称位置，以保证触探装备在作业时的稳定性。

本实施例中，所述船式浮筒8对称布置在所述导向架7上，具有进水口、排水口和进气口，进水口和排水口分别设置有进水阀门及排水阀门，通过进气口利用高压气体在水下将船式浮筒8内的水排出，其总体积设计成4～8m³，在水中共能提供4～8吨浮力，用于提供升沉力，保证海底移动式CPTu触探装备能够在海底100m深度作业。

本实施例中，所述的小型浮拖船2可与导向架7固定连接，用于提供行进动力，同时能够调整推进方向，使得触探装备能够在海底浅表层进行移动式多点位高效勘测，相较于现有主流的坐底式静力触探设备显著提升其移动作业能力。

本实施例中，所述的CPTu探杆组件4包括触探杆14、锥头15、透水滤器16和摩擦筒17，所述锥头15固定在触探杆14下端，摩擦筒17套装在触探杆14上，所述的透水滤器16布置在靠近锥头15后，通过合理选择透水滤器16及摩擦筒17位置，在保证较高测量精度的情况下，减少对于传感器的磨损。需要说明的是，在锥头15、透水滤器16和摩擦筒17内部具有相应测定传感器，这个在厂家生产的时候就可以内置于其中，具体地，锥头15用于测定锥尖阻力，透水滤器16用于测定超孔隙水压力，摩擦筒17用于测定侧摩阻力。

本实施例中，所述的液压推进系统5包括液压马达10、弹力夹紧装置12和摩擦轮13，两个弹力夹紧装置12对称分布在触探杆14两侧，每个弹力夹紧装置12上安装有一个液压马达10，每个液压马达10的转动轴上安装摩擦轮13，两个摩擦轮13对称分布在触探杆14两侧且与触探杆14抵接，所述的弹力夹紧装置12固定在支撑框架3上。触探杆14推进功能主要由摩擦轮13实现，其工作原理是：液压马达10提供动力，带动摩擦轮13转动，两摩擦轮13对称分布在触探杆14两侧，相向作用，通过挤压摩擦及转动，推进触探杆14不断贯入地层；两个液压马达10安装在弹力夹紧装置12上，弹力夹紧装置12固定在支撑框架3上，进而提供相向的挤压摩擦力，确保触探杆14能够平稳贯入。

进一步地，所述的弹力夹紧装置12包括固定支座6、控制杆9和弹簧11，所述固定支座6与支撑框架3铰接，所述液压马达10安装在所述固定支座6上，所述控制杆9安装在支撑框架3内，所述弹簧11的一端抵住固定支座6，另一端抵住控制杆9的端部。控制杆9可以采用手动的形式，比如控制杆9直接旋接(即螺纹连接的方式)在支撑框架3上，通过控制杆9的旋转可以实现前进或后退，从而可以调节弹簧11的弹力。当然也可以采用电动的形式，即采用电动旋钮实现前进或后退。通过调节弹力夹紧装置能够调整摩擦轮13对触探杆14的夹持力。

本实施例中，为了进一步提高移动式触探装备自动化水平，一种海底多点位静力触探装备还包括：静力触探测控系统，所述的静力触探测控系统包括探杆贯入集成器18和液压推进总成测控器1，其中探杆贯入集成器18，用于收集CPTu探杆组件4贯入数据，实现现场勘测数据的实时传输显示；液压推进总成测控器1，用于控制液压马达10，使其为CPTu探杆组件4提供贯入动力，最大贯入探测深度达30m，保证完全满足我国海域所有深度的作业需求。本实施例中，探杆贯入集成器18和液压推进总成测控器1的核心均可以采用单片机的形式，静力触探测控系统采用集散型控制结构，即船上PC机与探杆贯入集成器18和液压推进总成测控器1的上下位机模式。

静力触探测控系统主要完成收集CPTu探杆组件4贯入数据，实现现场勘测数据的实时传输显示；通过液压马达10调整触探杆14夹持力、触底等；控制液压马达10的启动和停止，控制弹力夹紧装置12对触探杆14的夹紧和松开，完成数据通讯等。

海上浮托过程中，船式浮筒8内充满空气，水中整体装备自重和浮力相互抵消，只需小型浮托船2就能拉动整体装备到目标位置，自由寻找勘测点位。打开进水阀门，向船式浮筒8贯满海水，使整体设备下沉到海床底，以便作业。

当触探装备到达勘测点位稳定后，首先通过小型浮托船2上PC机检测确保相关设备连接正常，初始状态合理；然后通过静力触探测控系统控制液压推进总成测控器1，调整弹力夹紧装置12对触探杆14的夹持力，启动液压马达10，提供动力，带动摩擦轮13转动，两摩擦轮13相向作用，通过挤压摩擦及转动，推进触探杆14不断贯入地层，当贯入达到预定深度时，关闭液压马达10，保持弹力夹紧装置12对触探杆14的夹持力，待勘测数据稳定后，完成数据传输。

作业完成后，关闭进水阀门，打开排水阀门，通过进气口向船式浮筒8中注入高压空气，使整体装备在海底处于失重状态，然后上拔回收，通过小型浮托船2到下一目标位置作业。

本发明的一种海底多点位静力触探装备，能够在海底100m深度作业，探杆静力贯入深度可达30m，并通过水下升沉移动平台，配合水上小型浮拖船，自主灵活选择探测站位，完成该站位的海底表层沉积物的土力学性质(贯入阻力、侧摩阻力和孔隙水压力等)测试。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，包括：

水下升沉移动单元，所述的水下升沉移动单元包括支撑框架(3)、导向架(7)、船式浮筒(8)，所述的导向架(7)竖直固定在所述支撑框架(3)上，所述船式浮筒(8)对称布置在所述导向架(7)上，用于提供升沉力；

CPTu探杆组件(4)，所述CPTu探杆组件(4)安装在所述支撑框架(3)上，由导向架(7)导向；

液压推进系统(5)，用于给所述CPTu探杆组件(4)提供贯入力。

2.根据权利要求1所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，所述的CPTu探杆组件(4)位于支撑框架(3)中心对称位置。

3.根据权利要求1所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，所述的CPTu探杆组件(4)包括触探杆(14)、锥头(15)、透水滤器(16)和摩擦筒(17)，所述锥头(15)固定在触探杆(14)下端，摩擦筒(17)套装在触探杆(14)上，所述的透水滤器(16)布置在靠近锥头(15)后，其中锥头(15)用于测定锥尖阻力，透水滤器(16)用于测定超孔隙水压力，摩擦筒(17)用于测定侧摩阻力。

4.根据权利要求3所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，所述的液压推进系统(5)包括液压马达(10)、弹力夹紧装置(12)和摩擦轮(13)，两个弹力夹紧装置(12)对称分布在触探杆(14)两侧，每个弹力夹紧装置(12)上安装有一个液压马达(10)，每个液压马达(10)的转动轴上安装摩擦轮(13)，两个摩擦轮(13)对称分布在触探杆(14)两侧且与触探杆(14)抵接，所述的弹力夹紧装置(12)固定在支撑框架(3)上。

5.根据权利要求4所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，所述的弹力夹紧装置(12)包括固定支座(6)、控制杆(9)和弹簧(11)，所述固定支座(6)与支撑框架(3)铰接，所述液压马达(10)安装在所述固定支座(6)上，所述控制杆(9)安装在支撑框架(3)内，所述弹簧(11)的一端抵住固定支座(6)，另一端抵住控制杆(9)的端部。

6.根据权利要求5所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，还包括：

静力触探测控系统，所述的静力触探测控系统包括用于收集CPTu探杆组件(4)数据的探杆贯入集成器(18)和用于控制液压马达(10)的液压推进总成测控器(1)。

7.根据权利要求1所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，所述的船式浮筒(8)具有进水口、排水口和进气口，通过进气口利用高压气体在水下将船式浮筒内(8)的水排出。

8.根据权利要求6所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，所述的进水口和排水口分别设置有进水阀门及排水阀门。

9.根据权利要求1所述的一种海底多点位静力触探装备，其特征在于，所述的船式浮筒(8)的总体积为4～8m³。

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