一种滩浅海沉积物强度原位检测装置

1.一种滩浅海沉积物强度原位检测装置，包括装有控制装置(5)的控制船(6)，以及由控制船(6)进行控制的水下部分，其特征在于所述的控制船(6)上还有充气装置(7)与真空发生装置(8)；
所述的水下部分包括一个框架装置(1)，该框架装置(1)的底部中央设有贯入装置(3)、顶部中央设有液压装置(4)；且框架装置(1)上还设有用于使水下部分从水底浮升至水面的空气压力舱(2)；
所述的充气装置(7)与真空发生装置(8)分别与空气压力舱(2)相连接。
2.如权利要求1所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于所述的空气压力舱(2)是横截面为圆形的圆筒状皮囊(22)，且所述的圆筒状皮囊(22)竖直设置在框架装置(1)上。
3.如权利要求2所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于所述的圆筒状皮囊(22)外还设有保护筒(23)。
4.如权利要求3所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于所述的保护筒(23)表面设有排水孔(24)。
5.如权利要求2所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于上述框架装置(1)是一个长方形框架，且所述圆筒状皮囊(22)设置在长方形框架的四角，且每个角的设有至少4个圆筒状皮囊(22)；或者所述的长方形框架分为前中后三段，所述圆筒状皮囊(22)设置在长方形框架的前段和后段，且前后两段的圆筒状皮囊(22)数量相等。
6.如权利要求4所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于上述排水孔(24)的形状为V形或U形；且所述的V形或U形的排水孔(24)处设有朝向所述的保护筒(23)内部的导流罩(25)。
7.如权利要求1所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于所述的贯入装置(3)，包括至少一个可续触探杆(31)、用于可续触探杆(31)的容纳和导向的触探杆容纳舱(32)、用于推进可续触探杆(31)的触探杆推进舱(35)、与触探杆容纳舱(32)相连接的触探杆下夹持装置(33)、与触探杆推进舱(35)相连接的触探杆上夹持装置(34)、可续触探杆(31)下端的触探头(36)，以及用于将触探杆推进舱(35)的位移数据准确上传至控制装置(5)的位移传感器，和用于为可续触探杆(31)实际贯入深度定距离线性适时计数发讯，上传至控制装置(5)，触发强度参数的采集记录的触探深度发讯装置。
8.如权利要求2所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于所述的圆筒状皮囊(22)，内部设置压力传感器，用来将气囊压力数据上传至控制装置(5)。
9.如权利要求1所述的滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于上述空气压力舱(2)的浮心高于框架装置(1)高度的1/2。

一种滩浅海沉积物强度原位检测装置\n技术领域\n[0001] 本实用新型属于海洋地质勘测领域，尤其涉及一种滩浅海沉积物强度原位检测装置。\n背景技术\n[0002] 滩浅海地区主要指沿海滩涂、潮间带以及浅海地带，水深范围主要在0-10米，其具有重要的科研与经济价值，目前已经成为中国石油勘探开发的重要阵地。对滩浅海沉积物强度进行原位测试，可以大大减少海洋工程勘察中钻孔的数量，提高工程勘察的质量与精度，经济效益明显，使海洋工程地质评价勘测周期也大为缩短。随着开发海洋油气资源的持续进行，沉积物强度原位测试技术将被普遍应用于滩浅海油气开发区的工程地质调查。\n[0003] 目前，用于海上作业的海底沉积物强度原位测试技术在国外已非常成熟，并已广泛应用于海上工程领域，主要靠在配有吊车或A型吊架的调查船只上使用静力触探设备或结合钻探来实现。但是这些海底静力触探设备对载体(调查船)及钻探设备的要求较高，探测深度大的测试设备一般要求装载在大吨位的调查船上或钻井平台上，因此触探设备的可移植性较差，无法在滩浅海地区使用，且设备的造价昂贵，使用成本高。而在国内，海上作业的沉积物强度原位测试技术还未被广泛采用，且主要靠购进或者租借国外的仪器设备，而适合于滩浅海区沉积物强度原位测试的设备则更加少见。因此为了了解滩浅海地区海底沉积物强度及地层变化情况，现阶段一般采用大量的钻探、取样和室内实验来替代，以满足我国日益增长的滩浅海油气开发的工程建设勘查需要。\n[0004] 经过现有的技术文献检索发现，中国专利名称：水下岩土触探设备及水下岩土勘探方法，专利申请号200910244129.6，该发明虽提出了一种可在不同尺度深水中进行岩土工程勘测的水下岩土静力触探设备以及采用该设备的水下岩土勘探方法，在一定程度上解决了海底强度原位测试时触探设备可移植性差的问题。但该方法涉及的仪器体积大，重量大，必须用大船进行装载，仅适用于深海的海底工程地质勘查。所以，在滩浅海沉积物强度原位测试技术方面，我国目前仍然没有拥有自己独立知识产权的技术和设备，这也一直是我国滩浅海地区资源开采平台、油气输送管线及海下电缆铺设、港口、海岸基础设施等工程建设中的瓶颈技术难题。\n发明内容\n[0005] 本实用新型针对现有技术的不足或缺陷，提供一种滩浅海沉积物强度原位检测装置，使其可在滩浅海环境下对海底沉积物进行连续贯入强度测试。\n[0006] 一种滩浅海沉积物强度原位检测装置，包括装有控制装置的控制船，以及由控制船进行控制的水下部分，其特征在于所述的控制船上还有充气装置(7)与真空发生装置；\n[0007] 所述的水下部分包括一个框架装置，该框架装置的底部中央设有贯入装置、顶部中央设有液压装置；且框架装置上还设有用于使水下部分从水底浮升至水面的空气压力舱；\n[0008] 所述的充气装置与真空发生装置分别与空气压力舱相连接。\n[0009] 另外，本实用新型的滩浅海沉积物强度原位检测装置还具有如下附加技术特征中的至少一个：\n[0010] 上述空气压力舱是横截面为圆形的圆筒状皮囊，且所述的圆筒状皮囊竖直设置在框架装置上。\n[0011] 上述圆筒状皮囊外还设有保护筒。\n[0012] 上述保护筒表面设有排水孔。\n[0013] 上述排水孔在保护筒表面的开孔率是底部1/6的表面为3个/dm2、顶部1/6的表\n2 2\n面为1个/dm，底部至顶部之间的2/3的表面开孔率在1～3个/dm 之间。\n[0014] 上述框架装置是一个长方形框架，且所述圆筒状皮囊设置在长方形框架的四角，且每个角的设有至少4个圆筒状皮囊；或者所述的长方形框架分为前中后三段，所述圆筒状皮囊设置在长方形框架的前段和后段，且前后两段的圆筒状皮囊数量相等。\n[0015] 上述排水孔的形状为椭圆形；且椭圆形上半部设有朝向保护筒内部的导流罩。\n[0016] 或者上述排水孔的形状为V形或U形；且所述的V形或U形的排水孔处设有朝向所述的保护筒内部的导流罩。\n[0017] 上述的贯入装置，包括至少一个可续触探杆、用于可续触探杆的容纳和导向的触探杆容纳舱、用于推进可续触探杆的触探杆推进舱、与触探杆容纳舱相连接的触探杆下夹持装置、与触探杆推进舱相连接的触探杆上夹持装置、可续触探杆下端的触探头，以及用于将触探杆推进舱的位移数据准确上传至控制装置的位移传感器，和用于为可续触探杆实际贯入深度定距离线性适时计数发讯，上传至控制装置，触发强度参数的采集记录的触探深度发讯装置。\n[0018] 上述的圆筒状皮囊，内部设置压力传感器，用来将气囊压力数据上传至控制装置。\n[0019] 上述框架装置的前端还设有一个定向导流装置。\n[0020] 上述空气压力舱的浮心高于框架装置高度的1/2。\n[0021] 利用上述装置对滩浅海沉积物进行强度原位检测的方法，其特征在于包括以下步骤：\n[0022] 1)用吊车将框架装置吊入水中，通过空气压力舱使框架装置50%以上的部分漂浮于水中，整个框架装置通过缆绳与控制船相连；\n[0023] 2)控制船行至第一个待检测的滩浅海沉积物目标点位的正上方，根据工作水深和预定勘查沉积物深度情况连接可续触探杆至要求长度；\n[0024] 3)在控制船上启动真空发生装置，通过向空气压力舱抽真空，使框架装置利用自重沉入海底；\n[0025] 4)在控制船上将水下部分的数据线经其通讯接口连接于控制船上的控制装置，完成传感器检查、初始值设置和确认的程序任务；\n[0026] 5)在控制船上通过控制装置启动液压装置，通过液压动力作用实现触探杆和触探头的连续下贯，触探头的锥尖阻力传感器、侧摩阻力传感器连续输出随深度变化的锥尖阻力、侧摩阻力和摩阻比的电信号，通过数据电缆实时传送到位于控制船上的控制装置，根据各层土的强度值划分测试点地层并定名，并确定滩浅海地基土的承载力和模量；\n[0027] 6)到达预订深度，停止下贯，通过液压动力作用控制触探杆夹持装置和触探杆推进装置，实现触探杆和触探头的连续上提，至触探头离开海床面；\n[0028] 7)在控制船上启动充气装置，通过向空气压力舱充气，使框架装置上浮，至整体的\n50%以上的部分漂浮于水中；\n[0029] 8)控制船将水下部分拖行至下一个目标点位，重复步骤2)至7)直至完成所有目标点位的检测。\n[0030] 与现有技术相比，本实用新型采用一种滩浅海沉积物强度原位测试方法，这种方法可用船在水中拖动原位测试设备并为整个设备供电。所述浮力生消装置可控制所述框架装置在水中的起落，既可使整个设备下沉到海底进行静力触探，又可在静力触探结束后使整个设备浮出水面。本实用新型克服了现有的能潜入水中的用于检测滩浅海沉积物的简易设备无法适应高强度、高效率检测的问题。本实用新型的工作水深范围为0~10m，使用本实用新型的方法可以在大型调查船无法驶进的滩浅海区域进行海底沉积物强度原位测试，可以大大提高工作效率。使用本实用新型的方法还可以多次、重复在不同海底区域进行地质勘测，大大降低了工作总成本。实践证明本实用新型是一种简单有效且测试精度准确可靠的滩浅海原位测试方法，勘查测试海底沉积物深度为10m，能够满足滩浅海地区气资源开采平台、油气输送管线及海下电缆铺设、港口、海岸基础设施建设中的勘探深度要求。\n附图说明\n[0031] 图1是本实用新型的总体结构示意图。\n[0032] 图2是本实用新型的水下部分的结构示意图。\n[0033] 图3是本实用新型的水下部分的俯视图(图中不含贯入装置与液压装置)。\n[0034] 图4是本实用新型的空气压力舱的结构示意图。\n[0035] 图5是本实用新型的保护筒的结构示意图。\n[0036] 图6是本实用新型的保护筒的排水孔的示意图；\n[0037] 其中，图6A是椭圆形排水孔，图6B是V形排水孔，图6C是U形排水孔。\n[0038] 图7是本实用新型的贯入装置的结构示意图。\n[0039] 图8是本实用新型的控制装置的结构框图。\n[0040] 图9是本实用新型的检测方法的流程框图。\n[0041] 图10是本实用新型的一个滩浅海沉积物强度原位检测曲线图。\n[0042] 其中，1、框架装置，2、空气压力舱，21、充气排气管，22、圆筒状皮囊，23、保护筒，\n24、排水孔，25、导流罩，3、贯入装置，31、可续触探杆，32、触探杆容纳舱，33、触探杆下夹持装置，34、触探杆上夹持装置，35、触探杆推进舱，36、触探头，4、液压装置，5、控制装置，6、控制船，7、充气装置，8、真空发生装置。\n具体实施方式\n[0043] 如附图1所示，本实用新型的滩浅海沉积物强度原位检测装置主要包括：\n[0044] 控制船6，用于控制整个装置的水下部分，所述控制船6上安装有控制装置5、充气装置7与真空发生装置8；\n[0045] 所述的水下部分包括框架装置1，用于为滩浅海沉积物强度原位检测装置提供反力并由船体在水中拖行；空气压力舱2，设置在框架装置1内，并与所述的充气装置7和真空发生装置8相连接，用于为框架装置1提供和消除浮力，能够使整个水下部分从水底浮生至水面；贯入装置3，设置在框架装置1内，用于对滩浅海海底沉积物强度进行原位贯入测试；液压装置4，设置在框架装置1内，用于为所述贯入装置3提供夹持力与推进力。控制装置5，设置在船上，用于所述空气压力舱2、贯入装置3、液压装置4的状态显示和操作，并测量和处理沉积物强度参数。\n[0046] 下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：\n[0047] 如图1～8所示，本实用新型的滩浅海沉积物强度原位检测装置包括水上部分和水下部分：\n[0048] 水上部分——\n[0049] (1)控制装置5，是由CPU、显示器、存储器、键盘、鼠标、打印机、通讯接口及系统程序组成的专用计算机，通讯接口包括连接甲板交流电源的电缆插排、连接水下液压装置和贯入装置的数据通讯接口以及连接水下触探头数据线的数据传输接口。\n[0050] (2)充气装置7如空气压缩机。\n[0051] (3)真空发生装置8如真空泵。\n[0052] (4)控制船6，本实用新型实施例的控制船6仅需要120~240马力，可在10m以下水深的滩浅海地区进行海底地质勘查，并建立勘查数据与岩土特性的定量关系，对岩土工程特性进行合理评价。\n[0053] 水下部分(如图1～3所示)——\n[0054] (1)框架装置1，可选用高强度耐腐蚀的钢材结构，用于容纳和保护其中的空气压力舱2、贯入装置3和液压装置4，并为整个水下部分坐底与液压贯入进行静力触探时提供足够的反力，增强海底勘查的稳定性。同时由于框架装置1需要便于车辆运输，所述框架装置的重量为1～2t。因此，在本实用新型的一个示例中，框架装置1尺寸为\n2.5×2.2×2.0m，自重为1.5t。\n[0055] 框架装置1还包括一个为水下部分导流的定向导流装置，所述的定向导流装置为船艏形，设置在框架装置1的一端，可以减小框架装置1在海水中漂浮行走时的海水阻力，增强设备稳定性。\n[0056] (2)空气压力舱2，如图1～4所示，空气压力舱2设有充气排气管21，所述空气压缩机经由充气排气管21向所述空气压力舱2充气至预定的压力；所述真空泵经由充气排气管21将空气压力舱2的气体排出。\n[0057] 可选地，空气压力舱2可以为横截面为圆形的圆筒状皮囊22-如图4所示，且圆筒状皮囊22竖直设置在框架装置1上，该结构使得无论充气时或者排气时都能够使气体位于空气压力舱2的顶部，从而使水下部分的重心始终处于框架装置1的下半部，能够显出地提高水下部分上升或下降时的稳定性，避免了水下部分在水中的侧翻。圆筒状皮囊22内部还设置压力传感器(未标出)，用来将气囊压力数据上传至控制装置5上。\n[0058] 如图5所示，空气压力舱2还包括保护筒23，且在该保护筒23上有许多排水孔24，用来对抗在海底形成的较大水压差与气压差。上述排水孔24在保护筒23表面的开孔率是\n2 2\n底部1/6的表面为3个/dm、顶部1/6的表面为1个/dm，底部至顶部之间的2/3的表面排\n2\n水孔率在1～3个/dm 之间。实验表明，自下而上开孔率依次递减的结构要优于开孔率均匀的结构。\n[0059] 如图6a所示，上述排水孔24的形状为椭圆形；且椭圆形上半部设有朝向保护筒\n23内部的导流罩25。\n[0060] 或者如图6b、图6c所述，上述排水孔24的形状为V形或U形；且所述的V形或U形的排水孔24处设有朝向所述的保护筒23内部的导流罩25。实验表明，设有导流罩25的结构要优于单一的穿孔结构；而V形或U形排水孔及其各自形状的导流罩要优于椭圆形排水孔及其导流罩，导流效果更好使得水下部分升降更加稳定，且更易于加工。\n[0061] 在本实用新型的一个实施例中，根据计算，24个圆筒状皮囊22可以提供大约2~3t的浮力，可以在海底静力触探结束后使框架装置1顺利浮出水面。该实施例如图3所示，上述框架装置1是一个长方形框架，所述的长方形框架分为前中后三段，所述圆筒状皮囊22设置在长方形框架的前段和后段，且前后两段各有12支圆筒状皮囊22。该实施例中，充气排气管21设置于圆筒状皮囊22的顶部，图中将充气排气管21示意在框架装置1的一侧。\n[0062] 如图2所述，所述空气压力舱2的浮心高于框架装置1高度的1/2，以进一步增强框架装置在海上漂浮时的稳定性。\n[0063] (3)贯入装置3，如图7所示，贯入装置3包括至少一个可续触探杆31、触探杆容纳舱32、触探杆下夹持装置33、触探杆上夹持装置34、触探杆推进舱35、触探头36、位移传感器(未标出)和触探深度发讯装置(未标出)。\n[0064] 其中，触探杆容纳舱32用于可续触探杆31的容纳和导向。触探杆下夹持装置33与触探杆容纳舱32相连接，用于将可续触探杆31夹持并使所述可续触探杆31与触探杆容纳舱32固定。触探杆推进舱35用于推进可续触探杆31。触探杆上夹持装置34与触探杆推进舱35相连接，用于将可续触探杆31夹持并同触探杆推进舱35固定，为所述可续触探杆31提供夹持力。触探头36与可续触探杆31相连接，用于采集海底沉积物的强度参数。\n位移传感器(未标出)用于将触探杆推进舱35的位移数据准确上传至控制装置5。触探深度发讯装置(未标出)用于为可续触探杆31的实际贯入深度定距离计数发讯，上传至控制装置5，触发强度参数的采集记录。\n[0065] (4)液压装置4，所述液压装置4与贯入装置3相邻设置，用于为液压贯入提供夹持力与推进力，并可简化液压管路。在本实用新型的一个实施例中，液压装置4设置在框架装置1的顶部，通过液压管路控制触探杆推进舱35、触探杆上夹持装置34和触探杆下夹持装置33，从而控制可续触探杆31和触探头36的下贯和上提。\n[0066] 例如，液压下贯过程为：首先通过控制装置5启动液压装置4，通过液压动力控制触探杆上夹持装置34夹紧可续触探杆31同触探杆推进舱35固定，触探杆下夹紧装置33为松开状态，然后控制触探杆推进舱35带动可续触探杆31和触探头36向下贯入至最大推进距离。此时触探杆下夹持装置33夹紧可续触探杆31同触探杆容纳舱32固定，触探杆上夹持装置34松开，然后控制触探杆推进舱35返回其初始位置，重复上述步骤至位移传感器检查到可续触探杆31和触探头36下贯入海底预定深度。可续触探杆31和触探头36的上提过程则相反。\n[0067] 此外，还包括对所述液压装置4进行密封的密封装置，以在海底压力下进行密封，使得液压装置4可以在密封干燥的环境下工作。\n[0068] 如图8所示，控制装置5是由CPU、显示器、存储器、通讯接口、键盘、鼠标、打印机及系统程序组成的专用计算机，系统程序包括系统动作程序、系统设置程序、数据采集程序、数据处理程序。其中系统动作程序主要完成浮力生消装置、贯入装置及液压装置的状态显示和相关动作指令操作。系统设置程序主要完成测试文件的工程名称、孔号、深度系数、测量日期、曲线生成、传感器系数等参数设定。数据采集程序完成传感器检查、初始值设置以及强度数据的记录和保存。数据处理程序主要完成数据文件的移动、拷贝、删除、重命名及作图、打印等操作。\n[0069] 本实用新型的滩浅海沉积物强度原位检测方法主要包括：\n[0070] 水下部分由船拖至目标点位后，靠框架装置1自重沉入海底，以液压贯入方式测试海床以下沉积物的强度，由于框架装置1为滩浅海沉积物强度原位测试设备的液压贯入提供足够的反力，从而使滩浅海沉积物强度原位检测装置可以在海底进行安全工作，并可获得触探头强度测试参数，从而可根据各层土的强度值划分测试点地层并定名，并确定滩浅海地基土的承载力和模量。\n[0071] 下面结合图9对本实施例的步骤做如下说明：\n[0072] (1)连接整个原位测试设备，用吊车将框架装置吊入水中，通过空气压力舱2使框架装置1的50%~100%漂浮于水中，整个框架装置1通过缆绳与船体相连。\n[0073] (2)用船拖动整个设备至目标工作点，根据工作水深和预定勘查沉积物深度情况连接可续触探杆31至要求长度。\n[0074] (3)在船上启动真空泵，通过充气排气管21向框架装置1中的空气压力舱2抽真空，使设备靠自重坐底。\n[0075] (4)在船上将水下触探杆数据线经其通讯接口连接于船上控制装置5，完成传感器检查、初始值设置和确认等程序任务。\n[0076] (5)在船上通过控制装置5启动水下液压装置，通过液压动力作用带动的换向阀组，控制触探杆上下夹持装置和触探杆推进装置，实现触探杆和触探头的连续下贯，触探头的锥尖阻力传感器、侧摩阻力传感器连续输出随深度变化的锥尖阻力、侧摩阻力和摩阻比的电信号，通过数据电缆实时传送到位于船上的控制装置；根据各层土的强度值划分测试点地层并定名，并确定滩浅海地基土的承载力和模量。\n[0077] (6)到预订深度5m，停止下贯，通过液压动力作用带动换向阀组，控制触探杆上下夹持装置和触探杆推进装置，实现触探杆和触探头的连续上提，至触探头离开海床面。\n[0078] (7)在船上启动空气压缩机，通过充气排气管向框架装置中的空气压力舱充气，使框架装置上浮，至整体的50%~100%漂浮于水中。\n[0079] 本实用新型在步骤(7)结束后，根据需要可以重复步骤(2)～(7)。\n[0080] 附图10是上述实施例在水深11m处，海底沉积物5m范围内的强度检测结果图，其中包括锥尖阻力、侧摩阻力以及摩阻比随深度变化曲线。根据锥尖阻力、侧摩阻力和摩阻比的测量结果，可将该测试点的地层划分为五层，各层土力学指标描述如下：\n[0081] 第①层：0～0.6m，层厚60cm，平均锥尖阻力为0.2MPa，平均侧摩阻力为2kPa，摩阻比为1.0%。地基承载力为0.09MPa，压缩模量为1.1MPa。推测该层为淤泥质粉土。\n[0082] 第②层：0.6～1.1m，层厚50cm，平均锥尖阻力为0.6MPa，平均侧摩阻力为\n21.5kPa，摩阻比为3.6%，地基承载力为0.16MPa，压缩模量为2.5MPa，推测该层为砂质硬壳层。\n[0083] 第③层：1.1～3.1m，层厚200cm，平均锥尖阻力为0.2MPa，平均侧摩阻力为5kPa，摩阻比为2.5%，地基承载力为0.09MPa，压缩模量为1.1MPa，推测该层为淤泥质粉土。\n[0084] 第④层：3.1～3.7m，层厚60cm，平均锥尖阻力为0.7MPa，平均侧摩阻力为\n6.0kPa，摩阻比为0.9%，地基承载力为0.15MPa，压缩模量为2.8MPa，推测该层为砂质硬壳层。\n[0085] 第⑤层：3.7～5.0m，层厚130cm，平均锥尖阻力为0.1MPa，平均侧摩阻力为4kPa，摩阻比为4%，地基承载力为0.07MPa，压缩模量为0.7MPa，推测该层为粉质粘土。\n[0086] 由以上分析可以清楚看出，根据本实用新型的滩浅海沉积物强度原位测试的方法能够明显反映滩浅海海底沉积物力学性质的微小差异，如1.1～3.1m的淤泥质粉土和\n3.7～5.0m的粉质粘土，其测试精度和可靠性均优于传统的钻探替代方法。\n[0087] 由于本实用新型的滩浅海沉积物强度原位测试方法可在大型科考船无法驶进的滩浅海区域进行海底沉积物强度测试并具有连续走航测试的特点，将其运用与滩浅海地区海洋工程勘察中可以减少钻孔的数量，在提高工作效率的同时，还可以大大降低工程勘察的费用，在滩浅海地区气资源开采平台、油气输送管线及海下电缆铺设、港口、海岸基础设施建设的地质勘查中具有广泛的推广应用价值。