CN113202470A - 一种水下凿岩施工参数现场试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下凿岩施工领域，具体的说是一种水下凿岩施工参数现场试验方法，S1、施工区域岩层钻探；进行土质勘察，掌握施工土质特性及分布特点，勘察方法包括测量、钻探、取样及室内土工试验，测算施工岩层饱和单轴抗压强度；S2、试验区域选划；根据施工区域的岩层钻探结果，选择饱和单轴抗压强度最大的施工区域进行凿岩施工现场原位试验；S3、试验方案设计；通过单因素试验采用控制变量法对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数分别进行试验；测算施工效率，揭示单种凿岩参数对岩石破碎效果和清礁厚度的影响规律。
Description
技术领域
本发明属于水下凿岩施工领域，具体的说是一种水下凿岩施工参数现场试验方法。
背景技术
凿岩工艺是疏浚工程中破碎岩体的常用手段，通过将凿岩棒提升一定高度后放下，冲击水下岩体，达到顺利清礁的目的。凿岩工艺对周围施工环境影响小，施工限制条件少，能够兼顾施工、航道通行及环境保护，表现出巨大的前景和应用价值。随着对国内对环保的重视和通航压力的增加，凿岩工艺作为水下爆破工艺的替代方案，取得了越来越多的出场机会。
但凿岩施工工艺也存在其局限性，例如施工参数难以确定。一般的，由施工条件和环境决定的影响因素称为客观因素，如凿岩施工中的施工水深、海况条件、岩石强度等，可由人为操作直接进行调整的成为主观因素，如施工设备、施工参数等。合理的配置施工参数可以提高施工效率、加快施工进度，但由于水下凿岩施工案例较少且作为隐蔽工程难以直接观测，施工参数的配置缺少数据支撑，主观性强。因此迫切需要提供一种可以帮助确定特定场地中凿岩施工参数的现场试验方法。
为此，本发明提供一种水下凿岩施工参数现场试验方法。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决水下凿岩施工案例较少且作为隐蔽工程难以直接观测，施工参数的配置缺少数据支撑，主观性强的问题，本发明提出的一种水下凿岩施工参数现场试验方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，包括以下步骤：
S1、施工区域岩层钻探；进行土质勘察，掌握施工土质特性及分布特点，勘察方法包括测量、钻探、取样及室内土工试验，测算施工岩层饱和单轴抗压强度；
S2、试验区域选划；根据施工区域的岩层钻探结果，选择饱和单轴抗压强度最大的施工区域进行凿岩施工现场原位试验；
S3、试验方案设计；采用GPS定位配合钢丝悬吊凿岩棒，利用凿岩棒在空中与水中的自由降落形成的冲击力对水下岩层进行破碎；
S4、试验区域表面覆盖层开挖；水下硬岩表面有土质较为松软的覆盖层，采用抓斗式挖泥船清除表面覆盖层，为下层凿岩试验提供作业条件；
S5、试验前水深测量；在试验开始前，首先使用多波束测深系统测量试验区域水深，确定试验区域底高程，绘制水下地形图；
S6、现场凿岩试验；对试验区分块，使单因素试验单元(A)与多因素试验单元(B)形似“ABAB”交替布置；原位试验按照单因素及多因素试验分别进行凿岩作业；其中通过凿岩棒进行单因素试验单元(A)与多因素试验单元(B)进行凿岩操作时，凿岩棒的重心方向呈对称布置；凿岩完成后使用抓斗对各实验区凿击后的破碎岩块进行抓取，对抓得的岩石分拣取样时选择形状规则大小适当的岩石试样；通过改变凿岩棒的重心位置，获取不同凿岩棒不同重心位置时凿岩棒对岩层的破碎面积及破碎深度；
S7、试验样品获取；样品抓取完成后用清水对样品进行冲洗，去除岩样表面泥垢；冲洗结束后，对每个试验方案的样品进行收集整理，装入专用采样袋内，并按序堆放；
S8、试验后水深测量；在原位试验结束后，再次使用多波束测深系统测量试验区的水深，获取凿岩试验后的试验区域水深；
S9、样品的整理与统计；试验效果通过硬岩处理厚度、岩石破碎块度及分形维数进行评判，需对该三种因素进行整理与统计；
S10、试验结果的分析及计算；针对单因素和多因素试验，分别对试验数据进行分析及计算，对试验效果进行评价。
优选的，所述试验方案设计包括单因素试验和多因素试验，其中
单因素试验采用控制变量法对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数分别进行试验；通过调整单一参数，控制其他因素不变化，分别验证各种因素条件下的凿岩施工效果，并测算施工效率，揭示单种凿岩参数对岩石破碎效果和清礁厚度的影响规律；
多因素试验对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数四种因素分别设定三个水平参数，通过EXCEL列表方式设计四因素三水平的正交试验，研究四种因素影响凿岩施工效果的主次关系。
优选的，所述硬岩处理厚的度确定方法为：在原位试验前使用多波束测深系统测量试验区域的水深，在全部试验区域凿岩结束后再次使用多波束测深系统测量试验区域的水深，两次水深的差值即为所用试验方案的凿岩厚度；
所述岩石破碎情况的确定方法为：使用不同孔径的网筛对凿岩后的岩样进行筛分，网筛的孔径分别为3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm，超过30cm孔径的岩石，测定岩石的长、宽、高；
所述筛分完成后绘制级配曲线，采用岩块的平均粒径和级配不均匀系数研判岩石块度分布特征，不均匀系数越大表示碎石颗粒粒径分布越不均匀。
优选的，所述凿岩棒包括本体，本体顶部铰接有一组吊耳，本体内对称布置有一对空腔，两个空腔底部通过管道相互连通；所述空腔中滑动密封连接有活塞，活塞将空腔分割为上腔和下腔；所述下腔中装满水银；一侧所述空腔中设有转轴，转轴一端贯穿活塞并与活塞螺纹连接，转轴另一端延伸至空腔顶部的开槽内；所述开槽内通过支架固连有电机，电机输出轴固连有一号齿轮；所述转轴与一号齿轮对应位置固连有二号齿轮，二号齿轮与一号齿轮啮合；现有技术中凿岩棒为实心对称布置，通过凿岩棒的自由下落产生的冲击力配合凿岩棒的尖端冲击岩体，使得水下的岩体破碎，但尖端竖直下落并冲击岩体后，容易使得凿岩棒嵌入岩体裂缝中难以拔出，通过强力拉拔牵引凿岩棒的钢丝绳才能抽出凿岩棒，但强力的拉扯钢丝绳会快速磨损钢丝绳，造成凿岩棒脱落频率增加，降低水下岩体的破碎效率，增加打捞凿岩棒成本，此时本发明通过设置两个对称的空腔，通过电机驱动一号齿轮旋转，进而带动转轴推动活塞滑动，改变两个空腔中水银的体积，进而使得本体重心偏移，使得本体撞击岩体后产生横向的倾斜力矩，进而使得本体底端嵌入岩体后本体倾斜并撬动破碎的岩体，减少本体被岩体裂缝卡住，减少钢丝绳的磨损，进而减少本体脱落掉落的频率。
优选的，所述转轴为柔性轴，且转轴呈倒置的U形布置，转轴两端分别贯穿两个空腔中的活塞并与活塞螺纹连接；通过柔性的转轴驱动两侧的活塞向相反反向滑动，增加活塞驱动下腔中水银转移的效率，进一步增加本体的重心调节效率，增加本体在不同重心下对岩体破碎效率检测数据收集的效率。
优选的，两个所述上腔顶部通过一号孔连通，上腔中填充有密度小于水的液体；所述活塞底部通过一组弹簧固连有滑环，转轴贯穿滑环并与滑环间隙配合；所述活塞外周均布一组凹槽，凹槽内滑动连接有顶板；所述凹槽底部开设有贯穿活塞的斜槽，斜槽内滑动连接有顶杆，顶杆一端抵住顶板，另一单抵住滑环顶部；通过上腔中充入密度小于水的液体，使得增加活塞顶部的支撑，进而在本体与岩体接触并产生巨大的冲击力时，减少由于两个下腔中水银分布不均匀，使得水银受到冲击力后向体积较小一侧空腔流动时对活塞的冲击冲击力，进而减少因活塞两侧受力不均匀，引起的转轴与活塞连接处螺纹的磨损和变形，保证转轴与活塞的正常传动效率，减少由于螺纹变形引起的卡死；同时当水银对活塞底部施加冲击力时，通过水银挤压滑环和顶板，使得顶板从凹槽中滑出并抵紧空腔内壁，增加活塞与空腔内壁之间的摩擦力，进而进一步减少活塞的滑移，减少活塞与转轴之间螺纹损伤。
优选的，所述活塞上圆周均布一组压缩孔，压缩孔中滑动连接的滑杆底端与滑环连接；所述压缩孔顶部固连有密封的气管；所述气管外周均布一组U形的导热管；通过滑杆受到滑环的冲击后带动滑杆向压缩孔中滑动，使得滑杆连同滑环的动能转化为气管内空气的内能，增加气管中空气的温度，进而通过气管对上腔中的液体加热，使得液体受热微小膨胀，增加对活塞顶部的支撑力，进一步减少活塞与转轴之间螺纹损伤。
优选的，所述本体顶部开设的二号孔中滑动连接有尾杆，尾杆顶部圆周均布一组导向片；所述尾杆底端开设的盲孔中设有拉簧，拉簧一端与盲孔底部固连，另一端与二号孔底部固连；通过尾杆配合导向片，增加本体在水中下落时的稳定性，增加本体下落的位置精度，同时在本体撞击并嵌入岩体后，尾杆继续下滑并撞击二号孔孔底，对本体施加二次冲击力，进一步增加本体对岩体的破碎效果。
优选的，所述上腔充填充的液体为可燃性易挥发液体，所述尾杆位于二号孔内的一端开设有环形槽，环形槽底部的尾杆上设有凸环；所述一号孔通过排气孔和单向阀与二号孔中部连通；所述二号孔内一环形槽对应位置通过支座滑动连接有一号杆，一号杆外周套设有弹簧，弹簧一端与支座固连，另一端与一号杆固连，一号杆顶部固连有火石；所述环形槽内与火石对应位置通过二号杆固连有撞针；通过凸环向下划过排气孔之后，凸环上部的二号孔中气压降低，进而通过排气孔吸入可燃性气体，之后可燃性气体与二号孔中的空气混合后通过撞针撞击火石点火，进而使得混合气体爆炸并向下快速推动凸环，进一步增加尾杆对本体的二次冲击力，增加岩体的破碎效率。
优选的，所述本体内与环形槽对应位置开设有储气室，储气室通过废气孔与环形槽靠近上部的二号孔连通；所述本体底部均布一组喷孔，喷孔通过管道和电磁阀与储气室连通；通过尾杆向上复位时储气室收集二号孔中的压缩空气，之后在本体再次落入水中时通过电磁阀将储气室中的压缩空气经喷孔向本体底部喷出，使得本体底部汇集大量气泡，降低本体在水中受到的阻力，进而增加本体撞击岩体的速度，进一步增加岩体的破碎效率。
本发明的有益效果如下：
1.本发明所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，单因素试验采用控制变量法对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数分别进行试验；通过调整单一参数，控制其他因素不变化，分别验证各种因素条件下的凿岩施工效果，并测算施工效率，揭示单种凿岩参数对岩石破碎效果和清礁厚度的影响规律。
2.本发明所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，通过设置两个对称的空腔，通过电机驱动一号齿轮旋转，进而带动转轴推动活塞滑动，改变两个空腔中水银的体积，进而使得本体重心偏移，使得本体撞击岩体后产生横向的倾斜力矩，进而使得本体底端嵌入岩体后本体倾斜并撬动破碎的岩体，减少本体被岩体裂缝卡住，减少钢丝绳的磨损，进而减少本体脱落掉落的频率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的方法步骤图；
图2是本发明中凿岩落锤前后位置距离的示意图；
图3是本发明中凿岩落锤左右位置距离的示意图；
图4是本发明中的水下地形图示意图；
图5是本发明中凿岩棒的立体图；
图6是本发明中凿岩棒的剖视图；
图7是图6中A处局部放大图；
图8是图6中B处局部放大图；
图9是本发明中活塞的剖视图；
图10是本实施例二中导热管的结构示意图；
图中：本体1、吊耳11、空腔12、活塞13、上腔14、下腔15、转轴16、电机17、一号齿轮18、二号齿轮19、一号孔2、滑环21、顶板22、顶杆24、压缩孔25、滑杆26、气管27、导热管28、二号孔3、尾杆31、导向片32、盲孔33、环形槽34、凸环35、排气孔36、一号杆37、火石38、撞针39、储气室4、废气孔41、喷孔42、海绵43、弧形杆44、推杆45。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图4所示，本发明所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，包括以下步骤：
S1、施工区域岩层钻探；进行土质勘察，掌握施工土质特性及分布特点，勘察方法包括测量、钻探、取样及室内土工试验，测算施工岩层饱和单轴抗压强度；
S2、试验区域选划；根据施工区域的岩层钻探结果，选择饱和单轴抗压强度最大的施工区域进行凿岩施工现场原位试验；
S3、试验方案设计；采用GPS定位配合钢丝悬吊凿岩棒，利用凿岩棒在空中与水中的自由降落形成的冲击力对水下岩层进行破碎；
S4、试验区域表面覆盖层开挖；水下硬岩表面有土质较为松软的覆盖层，采用抓斗式挖泥船清除表面覆盖层，为下层凿岩试验提供作业条件；
S5、试验前水深测量；在试验开始前，首先使用多波束测深系统测量试验区域水深，确定试验区域底高程，绘制水下地形图；
S6、现场凿岩试验；对试验区分块，使单因素试验单元(A)与多因素试验单元(B)形似“ABAB”交替布置；原位试验按照单因素及多因素试验分别进行凿岩作业；其中通过凿岩棒进行单因素试验单元(A)与多因素试验单元(B)进行凿岩操作时，凿岩棒的重心方向呈对称布置；凿岩完成后使用抓斗对各实验区凿击后的破碎岩块进行抓取，对抓得的岩石分拣取样时选择形状规则大小适当的岩石试样；通过改变凿岩棒的重心位置，获取不同凿岩棒不同重心位置时凿岩棒对岩层的破碎面积及破碎深度；本发明通过设置两个对称的空腔12，通过电机17驱动一号齿轮18旋转，进而带动转轴16推动活塞13滑动，改变两个空腔12中水银的体积，进而使得本体1重心偏移；
S7、试验样品获取；样品抓取完成后用清水对样品进行冲洗，去除岩样表面泥垢；冲洗结束后，对每个试验方案的样品进行收集整理，装入专用采样袋内，并按序堆放；
S8、试验后水深测量；在原位试验结束后，再次使用多波束测深系统测量试验区的水深，获取凿岩试验后的试验区域水深；
S9、样品的整理与统计；试验效果通过硬岩处理厚度、岩石破碎块度及分形维数进行评判，需对该三种因素进行整理与统计；
S10、试验结果的分析及计算；针对单因素和多因素试验，分别对试验数据进行分析及计算，对试验效果进行评价。
优选的，所述试验方案设计包括单因素试验和多因素试验，其中
单因素试验采用控制变量法对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数分别进行试验；通过调整单一参数，控制其他因素不变化，分别验证各种因素条件下的凿岩施工效果，并测算施工效率，揭示单种凿岩参数对岩石破碎效果和清礁厚度的影响规律；
多因素试验对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数四种因素分别设定三个水平参数，通过EXCEL列表方式设计四因素三水平的正交试验，研究四种因素影响凿岩施工效果的主次关系。
优选的，所述硬岩处理厚的度确定方法为：在原位试验前使用多波束测深系统测量试验区域的水深，在全部试验区域凿岩结束后再次使用多波束测深系统测量试验区域的水深，两次水深的差值即为所用试验方案的凿岩厚度；
所述岩石破碎情况的确定方法为：使用不同孔径的网筛对凿岩后的岩样进行筛分，网筛的孔径分别为3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm，超过30cm孔径的岩石，测定岩石的长、宽、高；
所述筛分完成后绘制级配曲线，采用岩块的平均粒径和级配不均匀系数研判岩石块度分布特征，不均匀系数越大表示碎石颗粒粒径分布越不均匀级配料的不均匀系数Cu的计算公式为：
式中，x60和x10分别表示筛下累计率为60％和10％的岩块尺寸。
针对单因素和多因素试验，分别对试验数据进行分析及计算，对试验效果进行评价。
a)单因素试验数据整理与分析
统计单因素试验的岩石块度、质量及凿岩深度，评价各方案凿岩效果；一般地，岩石块度越小，级配越均匀、凿岩深度越大凿岩效果越好。
②根据筛分孔径大小将岩石的破碎块度分为10个等级，绘制破碎岩石块度分布曲线，单因素试验岩石块度级配曲线，为分析破碎岩石的块度分布特征，对各组岩石块度分布曲线进行幂函数拟合。采用岩石块度统计经验公式中的GGS(Gate Gaudin Sehumann)分布函数，分布函数的表达式为：
式中：
y—岩块尺寸小于x的体积比例，％；
x—岩块尺寸(或筛孔直径)，mm；
xm—块度分布的特征值，在此式中为最大岩块尺寸，mm；
b—与特征分布相关的均匀性系数。
③进行破碎岩石拓扑几何分析，计算破碎岩石分形维数。分形维数确定方法为：在筛分过后，对不同孔径范围内的岩块使用电子秤进行称重，并计算分形维数。岩石破碎块度的分形维数可通过如下公式计算：
D＝3-K
式中：
D—分形维数；
K—M(x)/M(T)-x在双对数坐标下的斜率值；
M(x)/M(T)—等效边长小于x的破碎岩石的累计百分含量；
x—破碎岩石含量为M(x)时所对应的等效边长；
M(T)—为破碎岩石的总分量。
分形维数与块度累积量的关系式可表示为：
y＝(x/xm)3-D
式中：
y—岩块尺寸小于x的体积比例，％；
x—岩块尺寸(或筛孔直径)，mm；
xm—块度分布的特征值，在此式中为最大岩块尺寸，mm；
D—分形维数。
b)多因素试验数据整理与分析
①统计多因素试验的岩石块度、质量及凿岩深度，评价各方案凿岩效果；一般地，岩石块度越小，级配越均匀、凿岩深度越大凿岩效果越好；
②绘制破碎岩石块度级配累积曲线；
③进行破碎岩石拓扑几何分析，计算破碎岩石分形维数；
④进行多因素试验结果敏感性分析，分析凿岩参数对破岩效果的影响规律。
计算各因素在同一水平下的平均指标，绘制各因素与相应指标的关系曲线，进而确定各因素对凿岩效果的影响规律。
使用极差分析方法研究各因素对凿岩效果影响的主次顺序，各因素不同水平间平均试验指标的变化幅度越大，极差越大，表明该因素的变化对试验指标的影响越明显。
对多因素试验的结果进行回归分析，建立凿岩棒的提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数施工参数组合下凿岩效果的回归方程，预测给定施工参数下的凿岩效果。
实施例一
如图5至图9所示，所述凿岩棒包括本体1，本体1顶部铰接有一组吊耳11，本体1内对称布置有一对空腔12，两个空腔12底部通过管道相互连通；所述空腔12中滑动密封连接有活塞13，活塞13将空腔12分割为上腔14和下腔15；所述下腔15中装满水银；一侧所述空腔12中设有转轴16，转轴16一端贯穿活塞13并与活塞13螺纹连接，转轴16另一端延伸至空腔12顶部的开槽内；所述开槽内通过支架固连有电机17，电机17输出轴固连有一号齿轮18；所述转轴16与一号齿轮18对应位置固连有二号齿轮19，二号齿轮19与一号齿轮18啮合；现有技术中凿岩棒为实心对称布置，通过凿岩棒的自由下落产生的冲击力配合凿岩棒的尖端冲击岩体，使得水下的岩体破碎，但尖端竖直下落并冲击岩体后，容易使得凿岩棒嵌入岩体裂缝中难以拔出，通过强力拉拔牵引凿岩棒的钢丝绳才能抽出凿岩棒，但强力的拉扯钢丝绳会快速磨损钢丝绳，造成凿岩棒脱落频率增加，降低水下岩体的破碎效率，增加打捞凿岩棒成本，此时本发明通过设置两个对称的空腔12，通过电机17驱动一号齿轮18旋转，进而带动转轴16推动活塞13滑动，改变两个空腔12中水银的体积，进而使得本体1重心偏移，使得本体1撞击岩体后产生横向的倾斜力矩，进而使得本体1底端嵌入岩体后本体1倾斜并撬动破碎的岩体，减少本体1被岩体裂缝卡住，减少钢丝绳的磨损，进而减少本体1脱落掉落的频率。
优选的，所述转轴16为柔性轴，且转轴16呈倒置的U形布置，转轴16两端分别贯穿两个空腔12中的活塞13并与活塞13螺纹连接；通过柔性的转轴16驱动两侧的活塞13向相反反向滑动，增加活塞13驱动下腔15中水银转移的效率，进一步增加本体1的重心调节效率，增加本体1在不同重心下对岩体破碎效率检测数据收集的效率。
两个所述上腔14顶部通过一号孔2连通，上腔14中填充有密度小于水的液体；所述活塞13底部通过一组弹簧固连有滑环21，转轴16贯穿滑环21并与滑环21间隙配合；所述活塞13外周均布一组凹槽，凹槽内滑动连接有顶板22；所述凹槽底部开设有贯穿活塞13的斜槽，斜槽内滑动连接有顶杆24，顶杆24一端抵住顶板22，另一单抵住滑环21顶部；通过上腔14中充入密度小于水的液体，使得增加活塞13顶部的支撑，进而在本体1与岩体接触并产生巨大的冲击力时，减少由于两个下腔15中水银分布不均匀，使得水银受到冲击力后向体积较小一侧空腔12流动时对活塞13的冲击冲击力，进而减少因活塞13两侧受力不均匀，引起的转轴16与活塞13连接处螺纹的磨损和变形，保证转轴16与活塞13的正常传动效率，减少由于螺纹变形引起的卡死；同时当水银对活塞13底部施加冲击力时，通过水银挤压滑环21和顶板22，使得顶板22从凹槽中滑出并抵紧空腔12内壁，增加活塞13与空腔12内壁之间的摩擦力，进而进一步减少活塞13的滑移，减少活塞13与转轴16之间螺纹损伤。
所述活塞13上圆周均布一组压缩孔25，压缩孔25中滑动连接的滑杆26底端与滑环21连接；所述压缩孔25顶部固连有密封的气管27；所述气管27外周均布一组U形的导热管28；通过滑杆26受到滑环21的冲击后带动滑杆26向压缩孔25中滑动，使得滑杆26连同滑环21的动能转化为气管27内空气的内能，增加气管27中空气的温度，进而通过气管27对上腔14中的液体加热，使得液体受热微小膨胀，增加对活塞13顶部的支撑力，进一步减少活塞13与转轴16之间螺纹损伤。
所述本体1顶部开设的二号孔3中滑动连接有尾杆31，尾杆31顶部圆周均布一组导向片32；所述尾杆31底端开设的盲孔33中设有拉簧，拉簧一端与盲孔33底部固连，另一端与二号孔3底部固连；通过尾杆31配合导向片32，增加本体1在水中下落时的稳定性，增加本体1下落的位置精度，同时在本体1撞击并嵌入岩体后，尾杆31继续下滑并撞击二号孔3孔底，对本体1施加二次冲击力，进一步增加本体1对岩体的破碎效果。
所述上腔14充填充的液体为可燃性易挥发液体，所述尾杆31位于二号孔3内的一端开设有环形槽34，环形槽34底部的尾杆31上设有凸环35；所述一号孔2通过排气孔36和单向阀与二号孔3中部连通；所述二号孔3内一环形槽34对应位置通过支座滑动连接有一号杆37，一号杆37外周套设有弹簧，弹簧一端与支座固连，另一端与一号杆37固连，一号杆37顶部固连有火石38；所述环形槽34内与火石38对应位置通过二号杆固连有撞针39；通过凸环35向下滑过排气孔36之后，凸环35上部的二号孔3中气压降低，进而通过排气孔36吸入可燃性气体，之后可燃性气体与二号孔3中的空气混合后通过撞针39撞击火石38点火，进而使得混合气体爆炸并向下快速推动凸环35，进一步增加尾杆31对本体1的二次冲击力，增加岩体的破碎效率。
所述本体1内与环形槽34对应位置开设有储气室4，储气室4通过废气孔41与环形槽34靠近上部的二号孔3连通；所述本体1底部均布一组喷孔42，喷孔42通过管道和电磁阀与储气室4连通；通过尾杆31向上复位时储气室4收集二号孔3中的压缩空气，之后在本体1再次落入水中时通过电磁阀将储气室4中的压缩空气经喷孔42向本体1底部喷出，使得本体1底部汇集大量气泡，降低本体1在水中受到的阻力，进而增加本体1撞击岩体的速度，进一步增加岩体的破碎效率。
实施例二
如图10所示，所述导热管28下端填充有海绵43，海绵43内润浸有酒精；所述导热管28下端设有的弹性的弧形杆44，气管27中设有推杆45，推杆45一端与滑杆26端部接触，另一端与弧形杆44固连；通过滑杆26上滑时顶动推杆45，带动弧形杆44和海绵43在导热管28中滑动，进而不断挤出和回收海绵43中的酒精，增加酒精在导热管28中的循环传递热量效率。
工作时，本发明通过设置两个对称的空腔12，通过电机17驱动一号齿轮18旋转，进而带动转轴16推动活塞13滑动，改变两个空腔12中水银的体积，进而使得本体1重心偏移，使得本体1撞击岩体后产生横向的倾斜力矩，进而使得本体1底端嵌入岩体后本体1倾斜并撬动破碎的岩体，减少本体1被岩体裂缝卡住，减少钢丝绳的磨损，进而减少本体1脱落掉落的频率；通过柔性的转轴16驱动两侧的活塞13向相反反向滑动，增加活塞13驱动下腔15中水银转移的效率，进一步增加本体1的重心调节效率，增加本体1在不同重心下对岩体破碎效率检测数据收集的效率；通过上腔14中充入密度小于水的液体，使得增加活塞13顶部的支撑，进而在本体1与岩体接触并产生巨大的冲击力时，减少由于两个下腔15中水银分布不均匀，使得水银受到冲击力后向体积较小一侧空腔12流动时对活塞13的冲击冲击力，进而减少因活塞13两侧受力不均匀，引起的转轴16与活塞13连接处螺纹的磨损和变形，保证转轴16与活塞13的正常传动效率，减少由于螺纹变形引起的卡死；同时当水银对活塞13底部施加冲击力时，通过水银挤压滑环21和顶板22，使得顶板22从凹槽中滑出并抵紧空腔12内壁，增加活塞13与空腔12内壁之间的摩擦力，进而进一步减少活塞13的滑移，减少活塞13与转轴16之间螺纹损伤；通过滑杆26受到滑环21的冲击后带动滑杆26向压缩孔25中滑动，使得滑杆26连同滑环21的动能转化为气管27内空气的内能，增加气管27中空气的温度，进而通过气管27对上腔14中的液体加热，使得液体受热微小膨胀，增加对活塞13顶部的支撑力，进一步减少活塞13与转轴16之间螺纹损伤；通过尾杆31配合导向片32，增加本体1在水中下落时的稳定性，增加本体1下落的位置精度，同时在本体1撞击并嵌入岩体后，尾杆31继续下滑并撞击二号孔3孔底，对本体1施加二次冲击力，进一步增加本体1对岩体的破碎效果；通过凸环35向下滑过排气孔36之后，凸环35上部的二号孔3中气压降低，进而通过排气孔36吸入可燃性气体，之后可燃性气体与二号孔3中的空气混合后通过撞针39撞击火石38点火，进而使得混合气体爆炸并向下快速推动凸环35，进一步增加尾杆31对本体1的二次冲击力，增加岩体的破碎效率；通过尾杆31向上复位时储气室4收集二号孔3中的压缩空气，之后在本体1再次落入水中时通过电磁阀将储气室4中的压缩空气经喷孔42向本体1底部喷出，使得本体1底部汇集大量气泡，降低本体1在水中受到的阻力，进而增加本体1撞击岩体的速度，进一步增加岩体的破碎效率。
上述前、后、左、右、上、下均以说明书附图中的图1为基准，按照人物观察视角为标准，装置面对观察者的一面定义为前，观察者左侧定义为左，依次类推。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进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 (10)
1.一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、施工区域岩层钻探；进行土质勘察，掌握施工土质特性及分布特点，勘察方法包括测量、钻探、取样及室内土工试验，测算施工岩层饱和单轴抗压强度；
S2、试验区域选划；根据施工区域的岩层钻探结果，选择饱和单轴抗压强度最大的施工区域进行凿岩施工现场原位试验；
S3、试验方案设计；采用GPS定位配合钢丝悬吊凿岩棒，利用凿岩棒在空中与水中的自由降落形成的冲击力对水下岩层进行破碎；
S4、试验区域表面覆盖层开挖；水下硬岩表面有土质较为松软的覆盖层，采用抓斗式挖泥船清除表面覆盖层，为下层凿岩试验提供作业条件；
S5、试验前水深测量；在试验开始前，首先使用多波束测深系统测量试验区域水深，确定试验区域底高程，绘制水下地形图；
S6、现场凿岩试验；对试验区分块，使单因素试验单元(A)与多因素试验单元(B)形似“ABAB”交替布置；原位试验按照单因素及多因素试验分别进行凿岩作业；其中通过凿岩棒进行单因素试验单元(A)与多因素试验单元(B)进行凿岩操作时，凿岩棒的重心方向呈对称布置；凿岩完成后使用抓斗对各实验区凿击后的破碎岩块进行抓取，对抓得的岩石分拣取样时选择形状规则大小适当的岩石试样；通过改变凿岩棒的重心位置，获取不同凿岩棒不同重心位置时凿岩棒对岩层的破碎面积及破碎深度；
S7、试验样品获取；样品抓取完成后用清水对样品进行冲洗，去除岩样表面泥垢；冲洗结束后，对每个试验方案的样品进行收集整理，装入专用采样袋内，并按序堆放；
S8、试验后水深测量；在原位试验结束后，再次使用多波束测深系统测量试验区的水深，获取凿岩试验后的试验区域水深；
S9、样品的整理与统计；试验效果通过硬岩处理厚度、岩石破碎块度及分形维数进行评判，需对该三种因素进行整理与统计；
S10、试验结果的分析及计算；针对单因素和多因素试验，分别对试验数据进行分析及计算，对试验效果进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述试验方案设计包括单因素试验和多因素试验，其中
单因素试验采用控制变量法对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数分别进行试验；通过调整单一参数，控制其他因素不变化，分别验证各种因素条件下的凿岩施工效果，并测算施工效率，揭示单种凿岩参数对岩石破碎效果和清礁厚度的影响规律；
多因素试验对凿岩棒提升高度、凿岩落锤前后位置距离、凿岩落锤左右位置距离和凿击次数四种因素分别设定三个水平参数，通过EXCEL列表方式设计四因素三水平的正交试验，研究四种因素影响凿岩施工效果的主次关系。
3.根据权利要求2所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述硬岩处理厚的度确定方法为：在原位试验前使用多波束测深系统测量试验区域的水深，在全部试验区域凿岩结束后再次使用多波束测深系统测量试验区域的水深，两次水深的差值即为所用试验方案的凿岩厚度；
所述岩石破碎情况的确定方法为：使用不同孔径的网筛对凿岩后的岩样进行筛分，网筛的孔径分别为3cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm，超过30cm孔径的岩石，测定岩石的长、宽、高；
所述筛分完成后绘制级配曲线，采用岩块的平均粒径和级配不均匀系数研判岩石块度分布特征，不均匀系数越大表示碎石颗粒粒径分布越不均匀。
4.根据权利要求3所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述凿岩棒包括本体(1)，本体(1)顶部铰接有一组吊耳(11)，本体(1)内对称布置有一对空腔(12)，两个空腔(12)底部通过管道相互连通；所述空腔(12)中滑动密封连接有活塞(13)，活塞(13)将空腔(12)分割为上腔(14)和下腔(15)；所述下腔(15)中装满水银；一侧所述空腔(12)中设有转轴(16)，转轴(16)一端贯穿活塞(13)并与活塞(13)螺纹连接，转轴(16)另一端延伸至空腔(12)顶部的开槽内；所述开槽内通过支架固连有电机(17)，电机(17)输出轴固连有一号齿轮(18)；所述转轴(16)与一号齿轮(18)对应位置固连有二号齿轮(19)，二号齿轮(19)与一号齿轮(18)啮合。
5.根据权利要求4所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述转轴(16)为柔性轴，且转轴(16)呈倒置的U形布置，转轴(16)两端分别贯穿两个空腔(12)中的活塞(13)并与活塞(13)螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：两个所述上腔(14)顶部通过一号孔(2)连通，上腔(14)中填充有密度小于水的液体；所述活塞(13)底部通过一组弹簧固连有滑环(21)，转轴(16)贯穿滑环(21)并与滑环(21)间隙配合；所述活塞(13)外周均布一组凹槽，凹槽内滑动连接有顶板(22)；所述凹槽底部开设有贯穿活塞(13)的斜槽，斜槽内滑动连接有顶杆(24)，顶杆(24)一端抵住顶板(22)，另一单抵住滑环(21)顶部。
7.根据权利要求6所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述活塞(13)上圆周均布一组压缩孔(25)，压缩孔(25)中滑动连接的滑杆(26)底端与滑环(21)连接；所述压缩孔(25)顶部固连有密封的气管(27)；所述气管(27)外周均布一组U形的导热管(28)。
8.根据权利要求7所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述本体(1)顶部开设的二号孔(3)中滑动连接有尾杆(31)，尾杆(31)顶部圆周均布一组导向片(32)；所述尾杆(31)底端开设的盲孔(33)中设有拉簧，拉簧一端与盲孔(33)底部固连，另一端与二号孔(3)底部固连。
9.根据权利要求8所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述上腔(14)充填充的液体为可燃性易挥发液体，所述尾杆(31)位于二号孔(3)内的一端开设有环形槽(34)，环形槽(34)底部的尾杆(31)上设有凸环(35)；所述一号孔(2)通过排气孔(36)和单向阀与二号孔(3)中部连通；所述二号孔(3)内一环形槽(34)对应位置通过支座滑动连接有一号杆(37)，一号杆(37)外周套设有弹簧，弹簧一端与支座固连，另一端与一号杆(37)固连，一号杆(37)顶部固连有火石(38)；所述环形槽(34)内与火石(38)对应位置通过二号杆固连有撞针(39)。
10.根据权利要求9所述的一种水下凿岩施工参数现场试验方法，其特征在于：所述本体(1)内与环形槽(34)对应位置开设有储气室(4)，储气室(4)通过废气孔(41)与环形槽(34)靠近上部的二号孔(3)连通；所述本体(1)底部均布一组喷孔(42)，喷孔(42)通过管道和电磁阀与储气室(4)连通。
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