一种自钻无缆式海底变形长期观测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，包括自下向上依次连接的钻头部分、变形测量缆和布放回收部分，所述布放回收部分包括留置部和回收部；钻头触底自启；回收部通过水声释放器钩锁与留置部的弹簧扣连接，并控制钩锁的打开使弹簧伸长从而将回收部顶开回收。本发明专利技术通过一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，有效完成柔性的变形测量缆的原位布放，从而实现海底变形过程的长期原位观测。本发明专利技术能够仅通过一系列船载设备的甲板操作，就能顺利的完成设备的原位布放及回收，提高了工作效率，降低了科研成本，减轻了现场观测工作的操作难度，能够更好的为研究和工程活动服务。

Self drilling cable free type seabed deformation long-term observation device

The invention relates to a self drilling type submarine cable without deformation of long-term observation device, including from bottom to top connected bit part, deformation measurement of cable and laying recovery part, wherein the cloth on the recovery and recycling department includes lien; drill bottom from the start; recovery department release hook lock and release spring the buckle is connected by indwelling underwater, and control the hook lock open to the elongation of the spring which will open the top recovery recovery department. Through a self drilling and cable free type seabed deformation long-term observation device, the flexible deformation measuring cable is arranged in situ, so as to realize long-term in-situ observation of the seabed deformation process. The invention can only through a series of ship equipment, deck operation can be done in situ fabric equipment discharging and recovering smoothly, improve work efficiency, reduce research cost, reduce the operation difficulty of field observation, can be better for the research and engineering services.

【技术实现步骤摘要】
一种自钻无缆式海底变形长期观测装置
本专利技术涉及一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，属于海洋观测

技术介绍
在海岸带地区，泥沙经过河流的远距离输运快速沉降并堆积，在海洋水动力(波浪、海流、潮汐等)、土体自重及生物扰动下发生一系列的动态变化过程，包括沉积物固结压密过程、液化流变过程、侵蚀再悬浮运移过程，在这些过程中伴随着沉积物的成分、结构、物理力学性质和工程地质性质发生动态变化，进而引发海岸带侵蚀、港口淤积、海底滑坡、浊流等海洋地质灾害，从而对海上平台、海底管线、海底电缆等海洋工程设施造成巨大破坏。上述海洋地质灾害中，海底滑坡监测难度较大且危害惊人。然而，目前并没有理想的监测手段来获取海底滑坡的发生演变过程，严重制约了学者对其灾害机制的研究。海底滑坡是一种不同地层间的横向错动变形，通过布放垂向的变形测量管/缆/杆是最为直接、准确的观测方法。目前，此类设备主要可分为以三轴加速度传感器测量和光纤测量两类。其中，前者的典型代表为SAA阵列式位移计，是以一系列三轴加速度传感器串行连接，获取各个点的位移过程，进而获取整个横向变形观测过程。光纤测量可分为连续的分布式光纤测量以及FBG准分布式光纤测量，其功能与外部结构与SAA基本相同。然而，目前业界并没有理想的布放装置或方法，能够完成此类设备的海底原位布放。沉积物中的观测装置原位布放，常用的方法包括重力贯入、打桩贯入、钻孔贯入以及静力贯入。重力贯入是通过控制缆绳的下放速度，或精准计算贯入体的形态、浮重、重心位置，通过类似于自由落体的方法，控制贯入体进入沉积物的方法。其设备制造简单，但受到加工精度、计算误差、现场环境的影响，要如预期实现指定深度、姿态的贯入操作过程，难度极大。打桩贯入往往是先利用重力贯入方法使贯入体初步进入土体，而后通过内置或外接的打桩设备，通过反复打桩的方式，使贯入体到达指定深度；静力贯入借鉴海底静力触探技术，采用坐底式贯入平台，通过电机或液压机等驱动，利用机械手将贯入体送至沉积物中的指定位置。但是，打桩贯入与静力贯入方法均针对于刚性的海底观测探杆，难以对柔性的变形测量缆进行有效的操作。钻孔贯入借鉴以往的钻孔方法，在钻完孔之后将贯入体通过钻管顺入到海底沉积物中，而后通过回填，完成“贯入”过程。该方法稳定可靠，但成本高、时间长，且贯入体与沉积物的切合度非常差。对于变形测量缆一般采用的5m深度布放而言，传统的船载钻机打孔布放方式过程复杂、孔利用率极低，进而导致布放成本难以承受。目前，针对于柔性的变形测量缆，缺乏有效的原位布放装置及方法技术。严重制约了学者对于海底滑坡等重大地质灾害过程机制的研究，也对无法实现预警监测的海洋工程建设、海上生产等过程构成严重的潜在危害。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术目的是提供一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，能够实现变形观测缆的海底沉积物原位布放，进而实现海底沉积物变形长期原位观测，获取海床液化、海底滑坡等地质灾害的动态变化原位观测数据，进而为为海上建设、工程安全、灾害预警以及科学研究提供服务。一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，包括自下向上依次连接的钻头部分、变形测量缆和布放回收部分，所述布放回收部分包括留置部和回收部；所述钻头部分自下向上包括微钻头、支撑管和微控舱，所述支撑管和微控舱贯通连接，微控舱内设有微电机、微控电路及电池，微电机连接微控电路，电池为微电机及微控电路供电，微电机的旋转杆穿过支撑管并与微钻头连接从而带动微钻头的转动，所述支撑管的外周设有配重；所述留置部包括海床基箱体、弹簧和弹簧扣，所述海床基箱体的底部和顶部分别设有容许变形测量缆穿过的通孔，所述变形测量缆的顶端穿过海床基箱体后卡位并连接水密接插件I，海床基箱体的顶部还固定弹簧的一端和弹簧扣的拉绳，拉绳位于弹簧中央；所述回收部包括主控舱、浮体材料、水声定位器、信标机、水声释放器和支撑框架，所述主控舱内设有主控系统、数据采集系统、数据存储器、状态监测系统和电池，主控舱的外周套有浮体材料，主控舱的顶部设置水声定位器和信标机，水声定位器和信标机分别与主控系统连接，主控舱的底部设置水声释放器和水密接插件II，水声释放器和水密接插件II分别与主控系统和数据采集系统连接；主控舱的底部还设置支撑框架，所述支撑框架包括支撑板及连接支撑板和主控舱的支撑杆，水声释放器连接水声释放器钩锁，水声释放器钩锁正下方在支撑板上设有弹簧扣通孔；所述支撑板上还设有水密接插件通孔；所述留置部与回收部通过以下方式连接：水密接插件II从下方穿过水密接插件通孔与水密接插件I连接，弹簧扣从下方穿过弹簧扣通孔与水声释放器钩锁连接。进一步地，微钻头触底启动，自启自停，预设工作时间2-4分钟。更进一步地，微钻头触底启动采用以下方法中的任一种：①在微钻头内设置触底开关，借用落地向上的推力启动开关；②在微钻头内设置压力传感器，设置微钻头的压力阈值，当微钻头触底时，压力值超过阈值，启动微钻头；③在微钻头内设置高度计，测量距底高度，设定高度小于0.1cm时，即认为坐底完成，启动微钻头；④在微钻头内设置水深测量仪，当水深数值稳定(变化小于0.1m)，即认为坐底成功，启动微钻头；⑤在微钻头内设置速度测量仪，下降速度减小至接近于0(可设定速度小于0.1m/s)，即认为坐底成功，启动微钻头；⑥在微钻头内设置加速度测量仪，加速度向上超过0.5m/s2，即可认为遭遇地面阻挡，坐底成功，启动微钻头。进一步地，所述微控舱和配重均为圆柱体形，且外周长一致，且小于等于微钻头的最大周长，如此能最大程度避免钻入过程的阻力，保障钻入的顺利进行。进一步地，弹簧扣通孔的下方设置弹簧保护罩，弹簧保护罩的一端固定于支撑板上，当弹簧扣从下方穿过弹簧扣通孔与水声释放器钩锁连接时，弹簧位于弹簧保护罩内。加上弹簧保护罩后，可以避免海水运动对弹簧造成直接冲击。进一步地，支撑框架内设置两端分别固定于主控舱和支撑板上的水密接插件保护罩，水密接插件保护罩正对支撑板上的水密接插件通孔，水密接插件II位于水密接插件保护罩内；当水密接插件I从下方穿过水密接插件通孔与水密接插件II连接时，水密接插件I和水密接插件II均位于水密接插件保护罩内。加上水密接插件保护罩后，可以避免海水运动对水密接插件造成直接冲击。进一步地，在变形测量缆的内部设置至少3个与变形测量缆连接的三轴加速度传感器，三轴加速度传感器之间依次串联连接。通过获取三轴的加速度数据，经积分可获得速度和位移数据。进一步地，本专利技术观测装置各部分需满足以下关系式：令加工完成的本专利技术观测装置，以主控舱为主体的回收部其空气中质量为m1，体积为V1；钻头部分、变形测量缆和留置部整体其空气中质量为m2，体积为V2。根据文献分析及海上观测经验，观测装置布放过程在海水中的理想下降速度υd为1～3m/s，具体工作中可取稳定状态下的匀速下降速度υd＝1.5m/s(本专利技术中全部参数均设为标量)。观测装置布放过程中，所受外力包括重力(G)、浮力(F浮)以及海水阻力(F阻)。其中，重力向下、浮力向上、海水阻力与运动方向相反。根据伯努利方程，海水阻力与下降速度、装置的应力作用横截面积S(垂向投影面积)有关。在观测装置入水的初级阶段，下降速度为0，此时海水阻力较小。随下降速度不断增大，海水阻力也随之增大，加速度不断减小。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，其特征在于，包括自下向上依次连接的钻头部分、变形测量缆(9)和布放回收部分，所述布放回收部分包括留置部和回收部；所述钻头部分自下向上包括微钻头(20)、支撑管(23)和微控舱(19)，所述支撑管(23)和微控舱(19)贯通连接，微控舱(19)内设有微电机、微控电路及电池，微电机连接微控电路，电池为微电机及微控电路供电，微电机的旋转杆穿过支撑管(23)并与微钻头(20)连接从而带动微钻头(20)的转动，所述支撑管(23)的外周设有配重(10)；所述留置部包括海床基箱体(18)、弹簧(8)和弹簧扣(6)，所述海床基箱体(18)的底部和顶部分别设有容许变形测量缆(9)穿过的通孔，所述变形测量缆(9)的顶端穿过海床基箱体(18)后卡位并连接水密接插件I(16)，海床基箱体(18)的顶部还固定弹簧(8)的一端和弹簧扣(6)的拉绳(24)的一端，拉绳(24)位于弹簧(8)中央；所述回收部包括主控舱(12)、浮体材料(2)、水声定位器(1)、信标机(11)、水声释放器(3)和支撑框架，所述主控舱(12)内设有主控系统、数据采集系统、数据存储器、状态监测系统和电池，主控舱(12)的外周套有浮体材料(2)，主控舱(12)的顶部设置水声定位器(1)和信标机(11)，水声定位器(1)和信标机(11)分别与主控系统连接，主控舱(12)的底部设置水声释放器(3)和水密接插件II(13)，水声释放器(3)和水密接插件II(13)分别与主控系统和数据采集系统连接；主控舱(12)的底部还设置支撑框架，所述支撑框架包括支撑板(17)及连接支撑板(17)和主控舱(12)的支撑杆，水声释放器(3)连接水声释放器钩锁(5)，水声释放器钩锁(5)正下方在支撑板(17)上设有弹簧扣通孔(21)；所述支撑板(17)上还设有水密接插件通孔(22)；所述留置部与回收部通过以下方式连接：水密接插件II(13)从下方穿过水密接插件通孔(22)与水密接插件I(16)连接，弹簧扣(6)从下方穿过弹簧扣通孔(21)与水声释放器钩锁(5)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种自钻无缆式海底变形长期观测装置，其特征在于，包括自下向上依次连接的钻头部分、变形测量缆(9)和布放回收部分，所述布放回收部分包括留置部和回收部；所述钻头部分自下向上包括微钻头(20)、支撑管(23)和微控舱(19)，所述支撑管(23)和微控舱(19)贯通连接，微控舱(19)内设有微电机、微控电路及电池，微电机连接微控电路，电池为微电机及微控电路供电，微电机的旋转杆穿过支撑管(23)并与微钻头(20)连接从而带动微钻头(20)的转动，所述支撑管(23)的外周设有配重(10)；所述留置部包括海床基箱体(18)、弹簧(8)和弹簧扣(6)，所述海床基箱体(18)的底部和顶部分别设有容许变形测量缆(9)穿过的通孔，所述变形测量缆(9)的顶端穿过海床基箱体(18)后卡位并连接水密接插件I(16)，海床基箱体(18)的顶部还固定弹簧(8)的一端和弹簧扣(6)的拉绳(24)的一端，拉绳(24)位于弹簧(8)中央；所述回收部包括主控舱(12)、浮体材料(2)、水声定位器(1)、信标机(11)、水声释放器(3)和支撑框架，所述主控舱(12)内设有主控系统、数据采集系统、数据存储器、状态监测系统和电池，主控舱(12)的外周套有浮体材料(2)，主控舱(12)的顶部设置水声定位器(1)和信标机(11)，水声定位器(1)和信标机(11)分别与主控系统连接，主控舱(12)的底部设置水声释放器(3)和水密接插件II(13)，水声释放器(3)和水密接插件II(13)分别与主控系统和数据采集系统连接；主控舱(12)的底部还设置支撑框架，所述支撑框架包括支撑板(17)及连接支撑板(17)和主控舱(12)的支撑杆，水声释放器(3)连接水声释放器钩锁(5)，水声释放器钩锁(5)正下方在支撑板(17)上设有弹簧扣通孔(21)；所述支撑板(17)上还设有水密接插件通孔(22)；所述留置部与回收部通过以下方式连接：水密接插件II(13)从下方穿过水密接插件通孔(22)与水密接插件I(16)连接，弹簧扣(6)从下方穿过弹簧扣通孔(21)与水声释放器钩锁(5)连接。2.根据权利要求1所述的自钻无缆式海底变形长...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭磊，叶思源，裴绍峰，袁红明，赵广明，何磊，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37