CN115288659A - 一种应用于水库大坝的定向穿管装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定向穿管装置领域，尤其涉及一种应用于水库大坝的定向穿管装置，包括定向钻机和控向仪、信号监测模块，具有一个信号发射端和若干个信号接收端，信号发射端安装在定向钻机的钻头内，信号接收端沿钻机的钻孔轨迹对称分布在大坝坝体坡面上；钻头位移监测模块，包括安装在定向钻机的钻头内的位置检测装置；中控模块，其与信号监测模块、钻头位移监测模块以及控向仪连接，本发明的中控模块可根据信号影响因素的复杂度确定信号接收端的布设间距，并取得接收端与钻孔轨迹的标准距离，通过与钻头位移监测模块以及控向仪进行数据交换，确定定向钻机的钻孔轨迹是否存在偏差，如果存在偏差，对钻孔轨迹进行矫正，提高了钻孔轨迹的精度。

Description

一种应用于水库大坝的定向穿管装置

技术领域

本发明涉及一种控制装置领域，尤其涉及一种应用于水库大坝的定向穿管装 置。

背景技术

目前，经过多年运行，我国部分小型水库坝下涵管存在断裂、渗漏、淤积等 问题，不得不采取限制水库水位等措施保证水库安全运行，严重影响水库效益的 发挥并威胁大坝结构安全。

水平定向钻机适用于沙土、黏土、卵石、岩石等各种复杂地层，在水平定向 钻机推拉、旋转工作时，常规状态下，借助于控向仪保持预设的钻孔轨迹。然而 现有控向仪受信号传输距离以及回传数据精度的影响，很难保证钻孔轨迹执行的 精准性，由于无法对钻孔路径中的土层情况进行监测，如果遇到复杂的土层，水 平定向钻机推拉、旋转压力波动大，而现有的水平定向钻机需要钻机手在操作时 不停地调整推拉、旋转手柄位置来控制推拉旋转泵的排量从而保证压力稳定。

中国专利公开号CN110685662A公开了一种水平定向钻机的控制系统及其控 制方法，包括控制器、压力传感器、手柄以及比例泵，压力传感器用于检测所述 水平定向钻机动力头的旋转压力和推拉压力，比例泵用来驱动所述动力头的运动， 所述手柄内设置有滑动电阻，滑动电阻与所述控制器电连接，本发明技术方案中， 虽然控制器根据所述滑动电阻的电压信号和所述水平定向钻机的旋转或推拉压 力对所述比例泵的排量进行调节，但是单纯的通过压力传感器获取图层阻力的方 式对于复杂的土层结构仍然不能保证钻头的正常转进，也不法更好的保证在现实 的钻孔作业中，保证钻头按照既定的轨迹高质量的完成作业，同时数据传输稳定 性和精度误差大等技术问题仍然存在。

由此可见，所述水平定向钻机在实际钻孔穿管的作业中，仍存在以下问题：

1、在钻孔穿管作业过程中，由于坝体地层复杂情况无法确定，导致钻头钻 进过程中，无法确定复杂土层环境对钻头行进轨迹的实际影响，难以保证钻孔穿 管作业的顺利进行。

2、在钻孔穿管作业过程中，由于地层复杂情况无法确定，导致钻头位置、 压力等传感器的监测精度降低，在判定钻孔轨迹偏移时，无法保证偏移判断结果 的稳定以及偏移值及偏差方位计算的精度。

发明内容

为此，本发明提供一种应用于水库大坝的定向穿管装置，用以克服现有技术 中无法确定地层复杂情况所导致的施工作业进程受阻以及无法精确的保证钻孔 轨迹的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种应用于水库大坝的定向穿管装置，包括定 向钻机和控向仪，还包括：信号监测模块，其具有一个信号发射端和若干个信号 接收端，信号发射端安装在所述定向钻机的钻头内，信号接收端沿钻机的钻孔轨 迹对称分布在大坝坝体坡面上；钻头位移监测模块，其包括安装在所述定向钻机 的钻头内的位置检测装置；中控模块，其与所述信号监测模块、钻头位移监测模 块以及所述控向仪连接，并实时与所述信号监测模块、钻头位移监测模块以及所 述控向仪进行数据交换，确定所述定向钻机的钻孔轨迹是否存在偏差，如果存在 偏差，对钻孔轨迹进行矫正。

进一步地，所述中控模块包括用以存储大坝地质勘查的三维图像信息的图像 存储单元和用以对大坝的三维图像信息进行分析的图像分析单元，该图像分析单 元在定向穿管前，根据所述三维图像信息中的坝体坡面确定长度H，并根据该坝 体坡面长度确定相邻两个所述信号接收端的间距L，设定L＝H×α，其中α为比 例系数。

进一步地，所述图像分析单元在定向穿管前，根据所述三维图像信息确定坝 体中是否存在信号影响因素，并在存在信号影响因素时，则确定信号影响因素所 在位置及体积，所述图像分析单元根据若干个所述信号影响因素的体积及信号影 响因素种类对应的权值确定所述信号影响因素的复杂度R，R＝V1×q1+V2×q2+… +Vn×qn，并根据该复杂度R和预设复杂度的比对结果确定对应的缩减系数对所 述信号影响因素所在位置的信号接收端的间距进行缩减，其中所述图像分析单元 设置有第一预设复杂度R1、第二预设复杂度R2、第一缩减系数S1、第二缩减系 数S2以及第三缩减系数S3，其中R1＜R2，设定0.2＜S3＜S2＜S1＜1，

当R≤R1时，所述图像分析单元选取第一缩减系数S1对所述信号影响因素 所在位置的信号接收端的间距进行缩减；

当R1＜R≤R2时，所述图像分析单元选取第二缩减系数S2对所述信号影响 因素所在位置的信号接收端的距离进行缩减；

当R＞R2时，所述图像分析单元选取第三缩减系数S3对所述信号影响因素 所在位置的信号接收端的距离进行缩减；

当所述图像分析单元选取第i缩减系数Si对所述信号影响因素所在位置的 信号接收端的间距进行缩减时，设定i＝1，2，3，…，n，所述图像分析单元将 缩减后的所述信号影响因素所在位置的信号接收端的间距设置为La，设定La＝L ×Si。

进一步地，所述图像分析单元在确定所述信号接收端间距完成时，以钻孔轨 迹的初始点为坐标原点，在所述三维图像信息中建立三维坐标系，并在该三维坐 标系中确定设定间距完成的各所述信号接收端的坐标，根据该坐标和所述钻孔轨 迹确定所述信号接收端与钻孔轨迹的标准距离DAn和DBn。

进一步地，所述中控模块还包括用以获取信号监测模块监测的信号的参数数 据的数据获取单元和用以对数据获取单元获取的信号的参数数据进行处理的数 据处理单元，所述数据获取单元在进行钻孔作业时，根据所述钻头位移监测模块 的监测数据确定所述钻头的位移量，并在确定所述钻头移动对应位移量时，数据 获取单元通过所述控向仪获取当前钻头的方位信息，并根据所述三维图像信息确 定轨迹是否存在偏差，如果钻孔轨迹无偏差，则钻头继续接钻孔轨迹向前钻进。

进一步地，当判断钻孔轨偏存在偏差时，所述信号发射端发射信号并记录发 射信号的第一时刻t1，所述信号接收端在接收到信号时记录接收信号的第二时 刻t2，所述数据获取单元获取所述第一时刻t1和第二时刻t2，所述数据处理单 元根据所述第一时刻t1和第二时刻t2确定信号接收端接收信号的时长Δt，根 据该时长确定所述信号发射端至信号接收端的距离Da和Db，并将该距离分别与 标准距离进行比对，

若Da＝DAn且Db＝DBn，则所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹无偏差；

若Da≠DAn或Db≠Dbn，则所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹存在偏差。

进一步地，所述数据处理单元在判定所述钻孔轨迹无偏差时，根据所述复杂 度R和预设复杂度的比对结果判断是否对钻孔轨迹偏差结果进行二次判定，

其中，所述数据处理单元还设置有第一发射频率调节系数Z1、第二发射频率 调节系数Z2，获取初始信号发射频率为P，设定0.5＜Z2＜Z1＜1，

当R≤R1时，判定不对钻孔轨迹偏差结果进行二次判定；

当R1＜R≤R2时，对所述钻孔轨迹偏差结果进行二次判定，所述数据处理单 元将所述信号发射端的发射频率调整为Pa＝P×Z1；

当R＞R2时，对所述钻孔轨迹偏差结果进行二次判定，所述数据处理单元将 所述信号发射端的发射频率调整为Pa＝P×Z2；

在确定需对钻孔轨迹偏差结果进行重复判断，并在所述信号发射端的发射频 率调整为Pa后，所述信号发射端以Pa作为发射频率进行发射，并确定所述信号 发射端至信号接收端的距离Da和Db，在确定完成时，再次将该距离分别与标准 距离进行比对，若Da≠DAn或Db≠DBn，则所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹 有偏差。

进一步地，所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹有偏差时，所述数据处理单 元还设置有第三发射频率调节系数Z3、第四发射频率调节系数Z4、对频率进行 调节，并确定调节频率后所述信号发射端至信号接收端的距离，设定Z4＜Z3＜ Z2，

当R≤R1时，判定不对钻孔轨迹偏差结果进行三次判定；

当R1＜R≤R2时，对钻孔轨迹偏差结果进行三次判定，调整所述信号发射端 发射频率为Pb＝P×Z3；

当R＞R2时，对钻孔轨迹偏差结果进行三次判定，调整所述信号发射端发射 频率为Pb＝P×Z4；

在调整完成时，所述信号发射端发射信号并分别确定所述信号发射端至信号 接收端的距离，并计算各频率对应的所述信号发射端至信号接收端的距离的平均 值

和

进一步地，所述数据处理单元计算所述钻头的实际偏差值时，

若

或

且

则所述钻头向

距离对应的信号接收端 偏离，

若

或

且

则所述钻头向

距离对应的信号接收端 偏离，

进一步地，所述中控模块还包括用以向所述控向仪发送指令的数据传输单元， 所述数据处理单元在判定所述钻孔轨迹存在偏差时，计算所述钻头的实际偏差值 Ca和/或Cb，以及所述钻头的偏差方位，所述数据传输单元将该实际偏差值和偏 差方位发送至所述控向仪，所述控向仪根据该实际偏差值和偏差方位控制调整所 述钻头的轨迹。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明的中控模块所提供的图像 存储单元可输入、存储坝体钻孔穿管施工前准备期对地质勘察的三维图像信息， 从而增加了坝体钻孔穿管施工进程中的数据参考量。

进一步地，本发明的中控模块提供的信号传输单元连接的信号检测模块，设 置有多组信号接收端和一个信号发射端，每组信号接收端分别等距离布置在钻孔 轨迹的两端，并根据钻孔轨迹长度均匀分布，信号发射端安装在钻头内部，通过 信号发射端和信号接收端发射接收信息的时间长度，可确定钻头距离两个信号接 收端的距离深度，通过多组信号接收端的布设，可有效的提供多组对应发射端的 参照点位，提高了实际钻孔轨迹位置获取的精度。

进一步地，本发明的中控模块所提供的数据处理单元连接的图像处理单元， 可根据三维图像信息中的地层数据信息分析土层的复杂成度，并根据若干个所述 信号影响因素的体积及信号影响因素种类对应的权值，确定所述信号影响因素的 复杂度，提高了对施工地层复杂度评价的精度。

进一步地，本发明的中控模块所提供的数据处理单元连接的图像处理单元， 可通过信号影响因素的复杂度在三维图像信息中建立三维坐标系，并在该三维坐 标系中确定设定间距完成的各所述信号接收端的坐标，避免了信号影响因素对信 号接收端造成的干扰，提高了参照点位布设的合理性。

进一步地，本发明的中控模块所提供的数据处理单元连接的图像处理单元， 可根据三维图像信息获取三维坐标系中确定设定间距完成的各所述信号接收端 的坐标，根据该坐标和钻孔轨迹确定所述信号接收端与钻孔轨迹的标准距离，使 预设轨迹信息更加精确。

进一步地，本发明的中控模块所提供的数据处理单元连接的图像处理单元， 可根据各信号接收端布设位置的复杂度选择判断钻头轨迹偏移的次数，在信号影 响因素复杂度高时，可根据实际情况调整信号发射端发射信号的频次和频率，从 而提高了判断钻头轨迹偏移的精度，同时提高了计算钻头偏移量和偏移方位的准 确度。

进一步地，本发明的中控模块的据处理单元在判定所述钻孔轨迹存在偏差时， 计算所述钻头的实际偏差值Ca和/或Cb，以及所述钻头的偏差方位，为判定钻 头偏差时为将钻头轨迹偏差的校正提供有效的数据参数支撑。

进一步地，本发明的中控模块还提供有数据传输单元，数据处理单元在判定 所述钻孔轨迹存在偏差后，数据处理单元通过数据传输单元将实际偏差值和偏差 方位发送至所述控向仪，控向仪根据实际偏差值和偏差方位控制调整所述钻头的 轨迹，从而提高了钻孔作业时钻头轨迹执行的精确度，最终有效的保证了钻孔作 业的施工质量。

附图说明

图1为本发明所述的一种应用于水库大坝的定向穿管装置的系统模块连接 关系示意图；

图2为本发明所述的一种应用于水库大坝的定向穿管装置的中控模块各单 元连接关系示意图；

图3为本发明所述的一种应用于水库大坝的定向穿管装置的信号发射端和 位置检测装置在钻头内的安装的方式示意图；

图4为本发明所述的一种应用于水库大坝的定向穿管装置在坝体实施钻孔 作业的方式示意图；

图5为本发明所述的一种应用于水库大坝的定向穿管装置在坝体实施钻孔 作业时布设信号接收端的方式示意图；

各图中，1-坝体坡面、2-钻孔轨迹、3-钻头、4-钻杆、5-钻孔入口、6-开挖 平台、7-信号接收端、8-信号发射端、9-位置检测装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一 步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限 定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是， 这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、 “内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关 系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定， 术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是 直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本 领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，其为本发明的一种应用于水库大坝的定向穿管装置的系统模块 连接关系示意图，请参阅图1所示，本发明实施例应用于水库大坝的定向穿管装 置，除包括定向钻机和控向仪外，还包括信号监测模块，其具有一个信号发射端 8和若干个信号接收端7，信号发射端8安装在定向钻机的钻头3内，信号接收 端7沿钻机的钻孔轨迹2对称分布在大坝坝体坡面1上；钻头位移监测模块，其 包括安装在定向钻机的钻头3内的位置检测装置9；中控模块，其与信号监测模 块、钻头位移监测模块以及控向仪连接，并实时与信号监测模块、钻头位移监测 模块以及控向仪进行数据交换，确定定向钻机的钻孔轨迹2是否存在偏差，如果 存在偏差，对钻孔轨迹2进行矫正。

如图3所示，其为一种应用于水库大坝的定向穿管装置的信号发射端和位置 检测装置在钻头内的安装的方式示意图，请参照图3所示，本实施例中信号发射 端8选用为超声波信号发射器，信号接收端7选用为超声波信号器。

如图2所示，其为本发明的一种应用于水库大坝的定向穿管装置的中控模块 各单元连接关系示意图，请参照图2所示，中控模块包括用以存储大坝地质勘查 的三维图像信息的图像存储单元和用以对大坝的三维图像信息进行分析的图像 分析单元，图像分析单元分别与图像处理单元和数据处理单元连接，该图像分析 单元在定向穿管前，根据三维图像信息中的坝体坡面1确定长度H，并根据该坝 体坡面1长度确定相邻两个信号接收端7的间距L，设定L＝H×α，其中α为比 例系数。

如图5所示，其为本发明的一种应用于水库大坝的定向穿管装置在坝体实施 钻孔作业时布设信号接收端的方式示意图，请参照图5所示，坝体坡面1所确定 的长度H，确定相邻两个信号接收端7的间距L即为在布设信号接收端7时，每 组沿钻孔轨迹2相邻等距离布设的信号接收端7的间隔距离。

如图4所示，其为本发明的一种应用于水库大坝的定向穿管装置在坝体实施 钻孔作业的方式示意图，请参考图4所示，图像分析单元在定向穿管前，根据三 维图像信息确定坝体中是否存在信号影响因素，并在存在信号影响因素时，则确 定信号影响因素所在位置及体积，图像分析单元根据若干个信号影响因素的体积 及信号影响因素种类对应的权值确定信号影响因素的复杂度R，R＝V1×q1+V2× q2+…+Vn×qn，并根据该复杂度R和预设复杂度的比对结果确定对应的缩减系数 对信号影响因素所在位置的信号接收端7的间距进行缩减，其中图像分析单元设 置有第一预设复杂度R1、第二预设复杂度R2、第一缩减系数S1、第二缩减系数 S2以及第三缩减系数S3，其中R1＜R2，设定0.2＜S3＜S2＜S1＜1，

当R≤R1时，图像分析单元选取第一缩减系数S1对信号影响因素所在位置 的信号接收端7的间距进行缩减；

当R1＜R≤R2时，图像分析单元选取第二缩减系数S2对信号影响因素所在 位置的信号接收端7的距离进行缩减；

当R＞R2时，图像分析单元选取第三缩减系数S3对信号影响因素所在位置 的信号接收端7的距离进行缩减；

当图像分析单元选取第i缩减系数Si对信号影响因素所在位置的信号接收 端7的间距进行缩减时，设定i＝1，2，3，…，n，图像分析单元将缩减后的信 号影响因素所在位置的信号接收端7的间距设置为La，设定La＝L×Si。

具体而言，在设置各缩减系数时，应结合图像分析单元确定各信号影响因素 的种类、位置、大小，考虑各类信号影响因素对信号阻隔的影响，通过信号影响 因素对应的缩减系数Si对信号接收端7距离进行缩减，从而在存在信号影响因 素时，增加检测信号次数以保证钻头轨迹的精度。

具体而言，图像分析单元在确定信号接收端7间距完成时，以钻孔轨迹2的 初始点为坐标原点，钻孔轨迹2的初始点即为钻孔入口4所在的坐标位置，在三 维图像信息中建立三维坐标系，并在该三维坐标系中确定设定间距完成的各信号 接收端7的坐标，根据该坐标和钻孔轨迹2确定信号接收端7与钻孔轨迹2的标 准距离DAn和DBn。

具体而言，中控模块还包括用以获取信号监测模块监测的信号的参数数据的 数据获取单元和用以对数据获取单元获取的信号的参数数据进行处理的数据处 理单元，数据获取单元在进行钻孔作业时，根据钻头位移监测模块的监测数据确 定钻头3的位移量，并在确定钻头移动对应位移量时，数据获取单元通过所述控 向仪获取当前钻头的方位信息，并根据所述三维图像信息确定轨迹是否存在偏差， 如果钻孔轨迹无偏差，则钻头继续接钻孔轨迹向前钻进。

具体而言，当判断钻孔轨偏存在偏差时，所述信号发射端发射信号并记录发 射信号的第一时刻t1，所述信号接收端在接收到信号时记录接收信号的第二时 刻t2。

具体而言，数据获取单元获取第一时刻t1和第二时刻t2，数据处理单元根 据第一时刻t1和第二时刻t2确定信号接收端7接收信号的时长Δt，根据该时 长确定信号发射端至信号接收端7的距离Da和Db，并将该距离分别与标准距离 进行比对，

若Da＝DAn且Db＝DBn，则数据处理单元判定钻孔轨迹2无偏差；

若Da≠DAn或Db≠Dbn，则数据处理单元判定钻孔轨迹2存在偏差。

具体而言，考虑信号影响因素养对发射信号的干扰因素，为了进一步确认钻 孔轨迹偏差判断的准确性，数据处理单元在判定钻孔轨迹2无偏差时，根据复杂 度R和预设复杂度的比对结果判断是否对钻孔轨迹2偏差结果进行二次判定，

其中，数据处理单元还设置有第一发射频率调节系数Z1、第二发射频率调节 系数Z2，获取初始信号发射频率为P，为使信号影响因素越大，判断钻孔轨迹偏 差时，喜好发射的频率越低，设定0.5＜Z2＜Z1＜1，

当R≤R1时，判定不对钻孔轨迹2偏差结果进行二次判定；

当R1＜R≤R2时，对钻孔轨迹2偏差结果进行二次判定，数据处理单元将信 号发射端8的发射频率调整为Pa＝P×Z1；

当R＞R2时，对钻孔轨迹2偏差结果进行二次判定，数据处理单元将信号发 射端8的发射频率调整为Pa＝P×Z2；

在确定需对钻孔轨迹2偏差结果进行重复判断，并在信号发射端的发射频率 调整为Pa后，信号发射端8以Pa作为发射频率进行发射，并确定信号发射端至 信号接收端7的距离Da和Db，在确定完成时，再次将该距离分别与标准距离进 行比对，若Da≠DAn或Db≠DBn，则数据处理单元判定钻孔轨迹2有偏差。

具体而言，数据处理单元判定钻孔轨迹2有偏差时，数据处理单元还设置有 第三发射频率调节系数Z3、第四发射频率调节系数Z4、对频率进行调节，并确 定调节频率后信号发射端至信号接收端7的距离，设定Z4＜Z3＜Z2，，

当R≤R1时，判定不对钻孔轨迹2偏差结果进行三次判定；

当R1＜R≤R2时，对钻孔轨迹2偏差结果进行三次判定，调整信号发射端8 发射频率为Pb＝P×Z3；

当R＞R2时，对钻孔轨迹2偏差结果进行三次判定，调整信号发射端8发射 频率为Pb＝P×Z4；

在调整完成时，信号发射端发射信号并分别确定信号发射端至信号接收端7 的距离，并计算各频率对应的信号发射端至信号接收端7的距离的平均值

和

最终确定信号发射端至信号接收端7的距离为

和

具体而言，数据处理单元计算钻头3的实际偏差值时，

若

或

且

则钻头3向

距离对应的信号接收端7 偏离，

若

或

且

则钻头3向

距离对应的信号接收端7 偏离，

具体而言，中控模块还包括用以向控向仪发送指令的数据传输单元，数据处 理单元在判定钻孔轨迹2存在偏差时，计算钻头3的实际偏差值Ca和/或Cb， 以及钻头3的偏差方位，数据传输单元将该实际偏差值和偏差方位发送至控向仪， 控向仪根据该实际偏差值和偏差方位控制调整钻头3的轨迹。

在坝体钻孔穿管工程实施准备期，首先，工程施工人员进行施工地质环境考 察，采集获取的三维图像信息通过中控系统存入图像存储单元，然后通过操作中 控模块的图像处理单元在三维图像信息内确定钻孔入口5的位置以及钻孔轨迹2， 并通过图像处理单元运算生成各组信号接收端的位置距离La，在此基础上通过 钻孔轨迹2的初始点所在的坐标位置，在三维图像信息中建立三维坐标系，并在 该三维坐标系中确定设定各信号接收端7的坐标。

在坝体钻孔穿管施工前，工程施工人员根据各信号接收端7的坐标进行信号 接收端的布设工作，在完成信号接收端的布设工作后，在钻孔入口5处的开挖平 台6的位置上架设定向钻机，准备开始钻孔作业。

在坝体钻孔穿管施工中，定向钻机的转盘与钻杆4连接，驱动钻杆5旋转， 从而带动钻头3钻进，在钻进过程中，中控模块的数据获取单元实时获取钻头3 的行进位置，并通过数据处理单元实时比对钻头3是否到达每组信号接收端7 的坐标的位置，当钻头3的行进位置到达每组信号接收端7的坐标的位置时，获 取信号接收端位置对应信号发射端的标准距离DAn和DBn，并通过控制信号监测 模块的信号发射端发射信号并记录信号接收端接收的时间差Δt确定信号发射 端至信号接收端的距离Da和Db，数据处理系依据DAn和DBn以及Da和Db进行 钻头轨迹偏移判断，并结合当前位置信号影响因素R判定最终的钻头轨迹偏移判 断次数并执行相应的钻头轨迹偏移的逻辑操作。

如最终判断钻头无偏移，则钻头继续钻进，否则，则计算钻头3的实际偏差 值Ca和/或Cb获取中控模块通过数据传出单元发送指令，以及钻头3的偏差方 位，同时数据传输单元将该实际偏差值和偏差方位发送至控向仪，控向仪根据该 实际偏差值和偏差方位控制调整钻头3的轨迹，至此完成本次钻头轨迹偏移的逻 辑判断工作，钻头继续钻进，并重复上述操作直至完成本次坝体钻孔穿管作业。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是， 本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方 式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出 等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围 之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (10)

1.一种应用于水库大坝的定向穿管装置，包括定向钻机和控向仪，其特征在于，还包括：

信号监测模块，其具有一个信号发射端和若干个信号接收端，信号发射端安装在所述定向钻机的钻头内，信号接收端沿钻机的钻孔轨迹对称分布在大坝坝体坡面上；

钻头位移监测模块，其包括安装在所述定向钻机的钻头内的位置检测装置；

中控模块，其与所述信号监测模块、钻头位移监测模块以及所述控向仪连接，并实时与所述信号监测模块、钻头位移监测模块以及所述控向仪进行数据交换，确定所述定向钻机的钻孔轨迹是否存在偏差，如果存在偏差，对钻孔轨迹进行矫正。

2.根据权利要求1所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述中控模块包括用以存储大坝地质勘查的图像存储单元和用以对大坝的三维图像信息进行分析的图像分析单元，该图像分析单元在定向穿管前，根据所述三维图像信息确定坝体坡面长度H，并根据该坝体坡面长度确定相邻两个所述信号接收端的间距L，设定L＝H×α，其中α为比例系数。

3.根据权利要求2所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述图像分析单元在定向穿管前，根据所述三维图像信息确定坝体中是否存在信号影响因素，并在存在信号影响因素时，则确定信号影响因素所在位置及体积，所述图像分析单元根据若干个所述信号影响因素的体积及信号影响因素种类对应的权值确定所述信号影响因素的复杂度R，R＝V1×q1+V2×q2+…+Vn×qn，并根据该复杂度R和预设复杂度的比对结果确定对应的缩减系数对所述信号影响因素所在位置的信号接收端的间距进行缩减，其中所述图像分析单元设置有第一预设复杂度R1、第二预设复杂度R2、第一缩减系数S1、第二缩减系数S2以及第三缩减系数S3，其中R1＜R2，设定0.2＜S3＜S2＜S1＜1，

当R≤R1时，所述图像分析单元选取第一缩减系数S1对所述信号影响因素所在位置的信号接收端的间距进行缩减；

当R1＜R≤R2时，所述图像分析单元选取第二缩减系数S2对所述信号影响因素所在位置的信号接收端的距离进行缩减；

当R＞R2时，所述图像分析单元选取第三缩减系数S3对所述信号影响因素所在位置的信号接收端的距离进行缩减；

当所述图像分析单元选取第i缩减系数Si对所述信号影响因素所在位置的信号接收端的间距进行缩减时，设定i＝1，2，3，…，n，所述图像分析单元将缩减后的所述信号影响因素所在位置的信号接收端的间距设置为La，设定La＝L×Si。

4.根据权利要求3所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述图像分析单元在确定所述信号接收端间距完成时，以钻孔轨迹的初始点为坐标原点，在所述三维图像信息中建立三维坐标系，并在该三维坐标系中确定设定间距完成的各所述信号接收端的坐标，根据该坐标和所述钻孔轨迹确定所述信号接收端与钻孔轨迹的标准距离DAn和DBn。

5.根据权利要求4所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述中控模块还包括用以获取信号监测模块监测的信号的参数数据的数据获取单元和用以对数据获取单元获取的信号的参数数据进行处理的数据处理单元，所述数据获取单元在进行钻孔作业时，根据所述钻头位移监测模块的监测数据确定所述钻头的位移量，并在确定所述钻头移动对应位移量时，所述数据获取单元通过所述控向仪获取当前钻头的方位信息，并根据所述三维图像信息确定轨迹是否存在偏差，如果钻孔轨迹无偏差，则钻头继续沿钻孔轨迹向前钻进。

6.根据权利要求5所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，当判断钻孔轨偏存在偏差时，所述数据获取单元获取钻头的偏差方位，所述信号发射端发射信号并记录发射信号的第一时刻t1，所述信号接收端在接收到信号时记录接收信号的第二时刻t2，所述数据获取单元获取所述第一时刻t1和第二时刻t2，所述数据处理单元根据所述第一时刻t1和第二时刻t2确定信号接收端接收信号的时长Δt，根据该时长确定所述信号发射端至信号接收端的距离Da和Db，并将该距离分别与标准距离进行比对，

若Da＝DAn且Db＝DBn，则所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹无偏差；

若Da≠DAn或Db≠Dbn，则所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹存在偏差。

7.根据权利要求6所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述数据处理单元在判定所述钻孔轨迹无偏差时，根据所述复杂度R和预设复杂度的比对结果判断是否对钻孔轨迹偏差结果进行二次判定，

其中，所述数据处理单元还设置有第一发射频率调节系数Z1、第二发射频率调节系数Z2，获取初始信号发射频率为P，设定0.5＜Z2＜Z1＜1，

当R≤R1时，判定不对钻孔轨迹偏差结果进行二次判定；

当R1＜R≤R2时，对所述钻孔轨迹偏差结果进行二次判定，所述数据处理单元将所述信号发射端的发射频率调整为Pa＝P×Z1；

当R＞R2时，对所述钻孔轨迹偏差结果进行二次判定，所述数据处理单元将所述信号发射端的发射频率调整为Pa＝P×Z2；

在确定需对钻孔轨迹偏差结果进行重复判断，并在所述信号发射端的发射频率调整为Pa后，所述信号发射端以Pa作为发射频率进行发射，并确定所述信号发射端至信号接收端的距离Da和Db，在确定完成时，再次将该距离分别与标准距离进行比对，若Da≠DAn或Db≠DBn，则所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹有偏差。

8.根据权利要求7所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述数据处理单元判定所述钻孔轨迹有偏差时，所述数据处理单元还设置有第三发射频率调节系数Z3、第四发射频率调节系数Z4对发射频率进行调节，并确定调节频率后所述信号发射端至信号接收端的距离，设定Z4＜Z3＜Z2，

当R≤R1时，判断不对钻孔轨迹偏差结果进行三次判定；

当R1＜R≤R2时，对钻孔轨迹偏差结果进行三次判定，调整所述信号发射端发射频率为Pb＝P×Z3；

当R＞R2时，对钻孔轨迹偏差结果进行三次判定，调整所述信号发射端发射频率为Pb＝P×Z4；

在调整完成时，所述信号发射端发射信号并分别确定所述信号发射端至信号接收端的距离，并计算各频率对应的所述信号发射端至信号接收端的距离的平均值

和

9.根据权利要求8所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述数据处理单元计算所述钻头的实际偏差值时，

若

或

且

则所述钻头向

距离对应的信号接收端偏离，

若

或

且

则所述钻头向

距离对应的信号接收端偏离，

10.根据权利要求9所述的应用于水库大坝的定向穿管装置，其特征在于，所述中控模块还包括用以向所述控向仪发送指令的数据传输单元，所述数据处理单元在判定所述钻孔轨迹存在偏差时，计算所述钻头的实际偏差值Ca和/或Cb，以及所述钻头的偏差方位，所述数据传输单元将该实际偏差值和偏差方位发送至所述控向仪，所述控向仪根据该实际偏差值和偏差方位控制调整所述钻头的轨迹。

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