水下岩土触探设备及水下岩土勘探方法 技术领域 本发明涉及岩土触探， 尤其是涉及一种用于水下、 特别是海底的岩土勘测的水下 岩土触探设备及其水下岩土勘探方法。
背景技术 二十一世纪是海洋资源开发的新世纪， 世界各国把开发海洋、 发展海洋经济和海 洋产业作为国家发展的战略目标。随着海洋产业的发展， 海洋不但会成为人类未来重要的 资源、 特别是能源基地， 也会成为世界各国争夺扩展和发展空间的主要战场。 在对未知与未 来的探测方面， 深海洋底与太空一样， 具有很强的吸引力和挑战性。 随着人类开发深水资源 步伐的不断加快与深水资源开发相关的工程技术已经和正在成为世界工业史上科技创新 的热点之一。
我国已将海洋资源开发作为国家的重大需求， 开发和利用海洋作为国家的基本国 策。海洋资源开发对我国具有重大战略意义， 同时机遇和挑战并存。深海水下岩土工程勘 察与探测设备及技术是海上采油平台等大型海工设施的设计与施工中不可或缺的关键支
撑技术， 也是制约我国深海开发的关键技术。开发海洋岩土工程勘探设备和测控技术对我 国深海资源开发具有重要的工程价值和实用意义， 并将填补国内海洋岩土工程勘探技术的 空白， 为进行海洋岩土工程特性研究、 大型海洋工程结构物 - 岩土相互作用和安全评价提 供有力的技术支持。
深海水下岩土工程勘察与探测设备及技术是海上采油平台等大型海工设施的设 计与施工中的关键支撑技术， 但我国目前拥有的海洋水下岩土工程勘探技术主要是由国外 购进或者租借的、 且仅适用于水深 30 米以浅的近海或近岸工程。对 30 米以深、 特别是 100 米到 1000 米水深的海底岩土工程勘察工作， 基本上是委托美国、 日本和荷兰等海洋科技发 达国家的公司来完成的， 难以充分掌握第一手资料并造成有关信息情报流失。所以， 在深 海水下岩土工程勘察与探测技术方面， 我国基本上没有拥有自己独立知识产权的设备和技 术， 这已成为严重制约我国深海采油平台等大型海洋工程设施建设中的重大瓶颈技术难题 之一。 发明内容 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此， 本发明的一个目的 在于提出一种可在不同尺度的深水中进行岩土工程探测的水下岩土触探设备。
进一步地， 本发明需要提供一种可在不同尺度的深水中进行岩土工程探测的水下 岩土勘探方法。
根据本发明的水下岩土触探设备， 可以包括 ： 反力支撑装置， 用于为水下岩土触探 设备提供反力 ； 真空形成装置， 所述真空形成装置可以设置在所述反力支撑装置上， 用于在 反力支撑装置中产生负压 ； 静压装置， 所述静压装置可以设置在所述反力支撑装置内用于 对水下岩土进行静力触探 ； 控制装置， 所述控制装置可以设置在所述反力支撑装置内， 用于
控制静压装置的静力触探 ； 以及静力触探数据测量和处理装置， 所述静力触探数据测量和 处理装置可以用于测量并处理触探杆的静力触探参数。
根据本发明的水下岩土触探设备以静压方式勘查海底泥面以下土层， 由于所述反 力支撑装置为水下岩土触探设备的静力触探提供足够的反力， 从而使得所述水下岩土触探 设备可以在水下进行安全工作， 并可获得触探杆的静力触探参数， 从而可得到土体物理力 学特性参数及其沿深度的变化， 并确定海洋岩土地基的承载能力和模量。
另外， 根据本发明的水下岩土触探设备还具有如下附加技术特征中的至少一个 ：
根据本发明的一个实施例， 所述水下岩土触探设备还包括 ： 触探杆续接装置， 所述 触探杆续接装置与静压装置相邻设置， 用于续接所述触探杆。
根据本发明的一个实施例， 所述触探杆续接装置包括 ： 至少一个联结触探杆 ； 联 结触探杆放置装置， 所述联结触探杆放置装置用于容纳所述联结触探杆 ； 旋转电机， 所述旋 转电机用于将联结触探杆放置装置旋转至预定位置 ； 以及推进直线电机， 所述推进直线电 机用于推进已安置的联结触探杆， 以与所述触探杆进行续接。
根据本发明的一个实施例， 所述触探杆续接装置还包括 ： 卡盘联结装置， 用于在联 结触探杆和所述触探杆进行续接过程中进行卡接。
根据本发明的一个实施例， 当旋转电机将联结触探杆放置装置旋转至预定位置 时， 卡盘联结装置与预定容纳孔相卡接， 使预定的联结触探杆通过卡盘连接装置由推进杆 推动， 进而与触探杆进行续接。
根据本发明的一个实施例， 所述反力支撑装置包括 ： 触探杆放置和控制舱， 用于容 纳触探杆和所述控制装置 ； 触探杆连接和推进舱， 所述触探杆连接和推进舱与所述触探杆 放置和容纳舱相连接， 用于容纳所述静压装置 ； 真空静压舱， 所述真空静压舱与所述触探杆 连接和推进舱进行连接 ； 以及贯入舱， 所述贯入舱与所述真空静压舱连接， 用于贯入到水下 岩土内。
根据本发明的一个实施例， 所述真空静压舱和所述贯入舱之间设置有分离板， 用 于防止水下岩土中的泥浆进入所述真空静压舱， 以实现水和泥浆的隔离。
根据本发明的一个实施例， 所述负压可以为 -60kPa ～ 80kPa。所述负压可为推进 触探杆提供足够的反力， 以对抗深海洋底形成的巨大水压力和气压差。
根据本发明的一个实施例， 所述真空形成装置包括 ： 排水排气管 ； 水泵， 所述水泵 抽出所述贯入舱和真空静压舱内的水， 并通过排水排气管排出 ； 以及真空泵， 所述真空泵经 由所述排水排气管将真空静压舱和贯入舱的气体排出至预定的负压。
根据本发明的一个实施例， 所述反力支撑装置的重量为 15-30 吨。
根据本发明的一个实施例， 所述水下岩土触探设备还包括对所述反力支撑装置进 行密封的密封装置， 以在深海高压力下进行密封， 使得反力支撑装置可以在密封干燥的环 境下工作。
根据本发明的一个实施例， 所述水下岩土触探设备还包括水土分离装置， 所述水 土分离装置与所述排水排气管连接， 用于对流经所述排水排气管内的水执行水土分离。
根据本发明的一个实施例， 所述静压装置包括 ： 触探杆 ； 静力触探位置传感器， 用 于检测触探杆静力触探到预定位置后， 触发静力触探停止信号 ； 以及用于驱动触探杆静力 触探的电机， 所述电机在接收到所述停止信号之后停止驱动。根据本发明的一个实施例， 所述控制装置配置成用于自动执行下述中的至少之 一： 触探杆连接过程控制、 触探杆自动推进控制以及静力触探数据测量和处理控制。
根据本发明的一个实施例， 所述水下岩土触探设备还包括水下监控装置， 用于在 水下作业时进行过程监控。
根据本发明的一个实施例， 所述水下岩土触探设备还包括岩土工程反馈分析与评 价装置， 用于对所述静力触探参数进行分析和评价。
根据本发明的一个实施例， 所述水下岩土触探设备的水下勘探深度为 30-1000m。
根据本发明的一个实施例， 根据本发明的水下岩土触探设备， 在深度为 30-1000m 的水下进行深海触探， 获得静力触探速度， 通过数值仿真和反馈分析， 建立勘探数据与岩土 特性的定量关系， 对岩土工程特性进行合理评价。
根据本发明的另外一个实施例， 提供了一种水下岩土勘探方法， 该方法采用上述 水下岩土触探设备进行勘探。其步骤为 ：
将所述水下岩土触探设备下沉至水下岩土区域 ；
利用所述真空形成装置将所述水下岩土触探设备吸力贯入所述水下岩土区域内 ； 以及 利用触探装置执行水下岩土触探。
根据本发明的水下岩土勘探方法， 可用于反演分析岩石和土层的物理力学性态参 数， 确定岩土材料的变形模量与强度指标， 确定海洋岩土地基的承载能力。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。
附图说明 本发明的上述和 / 或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解， 其中 ：
图 1 是根据本发明的一个实施例的水下岩土触探设备的反力支撑装置的结构示 意图 ；
图 2 是图 1 中所示的水下岩土触探设备的整体结构示意图 ；
图 3 是图 1 中所示的水下岩土触探设备的静压装置示意图 ；
图 4 是图 1 中所示的水下岩土触探设备的触探杆续接装置示意图 ； 和
图 5 是图 1 中所示的水下岩土触探设备的工作状态图， 其中， 图 5(a) 显示了水下 岩土触探设备的下沉安装状态， 图 5(b) 显示了水下岩土触探设备的吸力贯入状态， 图 5(c) 显示了水下岩土触探设备的静力触探勘测状态。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能解释为对本发明的限制。
下面将参考图 1- 图 4 详细描述根据本发明的水下岩土触探设备 1， 其中图 1 显示 了根据本发明的一个实施例的水下岩土触探设备的反力支撑装置的结构示意图。如图 1- 图 4 所示， 水下岩土触探设备 1 包括反力支撑装置 11、 真空形成装置 12、 静压装置 13、 控制装置 ( 未示出 ) 和静力触探数据测量和处理装置 ( 未示出 )。
反力支撑装置 11 用于为水下岩土触探设备 1 提供反力。反力支撑装置 11 包括 ： 触探杆放置和控制舱 111、 触探杆连接和推进舱 112、 真空静压舱 113 和贯入舱 114。可选 地， 触探杆放置和控制舱 111、 触探杆连接和推进舱 112 和贯入舱 114 均为横截面为圆形的 圆桶状舱， 且真空静压舱 113 可为上端直径小于下端直径的锥筒状舱。
其中， 触探杆放置和控制舱 111 用于容纳触探杆 131 和控制装置。触探杆连接和 推进舱 112 与触探杆放置和容纳舱相连接， 用于容纳静压装置 13。真空静压舱 113 与触探 杆连接和推进舱 112 进行连接。贯入舱 114 与真空静压舱 113 连接， 用于贯入到水下岩土 内。在本发明的一个示例中， 反力支撑装置 11 还包括水土分离装置 16。可选地， 水土分离 装置 16 可以为分离板， 该分离板 16 设置在真空静压舱 113 和贯入舱 114 之间， 且在分离板 16 上形成有很多孔， 用于对贯入舱 114 中的水实现水和泥浆的隔离， 可以防止水下岩土中 的泥浆进入真空静压舱 113 中。
根据本发明的水下岩土触探设备 1 中， 反力支撑装置 11 采用吸力桶基础的原理， 即通过放置在桶顶的真空泵对系统抽真空， 即可以对海底泥面形成主动吸力， 如图 2 所示。 在该吸力的作用下， 桶型的反力支撑装置 11 贯入海底泥面一定深度， 形成一个密封系统。 由于桶内外巨大的压力差， 使得反力支撑装置 11 对海底泥面的吸力构成静力触探所需要 的反力的主要部分， 另外还有水下岩土触探设备 1 本身的重量， 也额外地添加了所述反力 的大小， 并进一步地增加水下勘探的稳定性。根据计算， 例如， 根据本发明的桶径为 2m 且桶 高为 3.0-4.0m 的反力支撑装置 11 可以提供大约 15-50 吨的反力。 由于水下岩土触探设备 1 需要在密封的环境下工作， 因此， 在本发明的一个示例 中， 水下岩土触探设备 1 还包括对反力支撑装置 11 进行密封的密封装置 15， 以在深海高压 力下对反力支撑装置 11 进行密封。
如图 2 所示， 真空形成装置 12 设置在反力支撑装置 11 上， 以便于在反力支撑装置 11 中产生负压。真空形成装置 12 包括排水排气管 121、 与排水排气管 121 上端相连的水泵 122 以及真空泵 123。其中， 排水排气管 121 的下端伸入真空静压舱 113 中。水泵 122 抽出 贯入舱 114 和真空静压舱 113 内的水后， 水通过排水排气管 121 排出， 真空泵 123 经由排 水排气管 121 将真空静压舱 113 和贯入舱 114 的气体排出至预定的负压。具体地， 该负压 为 -60kPa ～ 80kPa。 需要说明的是， 普通技术人员在阅读了上述技术方案之后， 可以根据水 下勘探的需要来调节所述负压的大小， 由此上述范围只是为了说明的目的， 而不是为了限 制本发明的保护范围。
工作时， 首先通过水泵 122 抽出贯入舱 114 和真空静压舱 113 内的水， 然后停止水 泵 122 工作， 并启动真空泵 123 工作， 通过真空泵 123 对真空静压舱 113 进行抽气、 使真空 静压舱 113 内的压力达到 -60kPa ～ -80kPa 的负压。当真空度满足上述要求后， 停止真空 泵 123 工作， 从而为推进触探杆 131 提供了足够的反力， 以对抗深海洋底形成的巨大水压力 和气压差。
由于在真空静压舱 113 和贯入舱 114 之间形成分离板使水和泥浆隔离， 从而防止 水下岩土中的泥浆进入真空静压舱 113 中而堵塞排水排气管 121， 从而实现了对流经排水 排气管 121 内的水进行过滤， 由此保证了水泵 122 和真空泵 123 在勘测过程和勘测结束后
能正常运转。
如图 3 所示， 静压装置 13 设置在反力支撑装置 11 内， 用于对水下岩土进行静力 触探。具体地， 静压装置 13 设置在触探杆连接和推进舱 112 内。静压装置 13 包括触探杆 131、 用于测定静力触探位移的静力触探位置传感器 132、 锥齿轮传动装置 134 和电机 133。
工作时， 电机 133 通过锥齿轮传动装置 134 驱动触探杆 131 静力触探海底泥面， 并 可随时测定转速。当电机静力触探位置传感器 132 检测触探杆 131 贯入到预定位置后， 触 发静力触探停止信号， 电机在接收到停止信号之后停止驱动触探杆 131。
由于将在深海水下环境工作， 不能进行人工干预， 各个工作过程需要在预设程序 下完成全过程自动操作。 控制装置以及静力触探数据测量和处理装置均设置在反力支撑装 置 11 的静力触探放置和控制舱 111 内。控制装置用于控制触探杆 131 的静力触探， 且控制 装置配置成用于自动执行下述中的至少之一 ： 触探杆法兰旋转控制、 触探杆连接过程控制 以及触探杆自动推进控制。而静力触探数据测量和处理装置用于测量并处理触探杆 131 的 静力触探参数。
在本发明的一个实施例中， 还包括触探杆续接装置 14， 触探杆续接装置 14 设置在 静力触探放置和控制舱 111 内， 与静压装置 13 的上部相邻设置， 当触探杆 131 的长度不够 时可以续接触探杆 131。 如图 4 所示， 触探杆续接装置 14 包括至少一个联结触探杆 141、 联结触探杆放置装 置 142、 旋转电机 143、 推进直线电机 144、 推进杆 146、 转角传感器 ( 未示出 ) 和位移传感器 ( 未示出 )。
联结触探杆放置装置 142 用于容纳上述联结触探杆 141， 也就是说， 联结触探杆放 置装置 142 至少形成有一个用于放置联结触探杆 141 的容纳孔。所述联结触探杆放置装置 142 可以根据水下勘探的需要进行设定， 例如， 所述联结触探杆放置装置 142 可以容纳多个 联结触探杆 141， 并在需要时将多个联结触探杆 141 连接到所述触探杆 131 上。旋转电机 143 用于将联结触探杆放置装置 142 旋转至预定位置。推进直线电机 144 通过驱动推进杆 146 来推进已安置的联结触探杆 141， 以便与触探杆 131 进行续接。
在本发明的一个示例中， 如图 2- 图 4 所示， 触探杆续接装置 14 还包括卡盘联结装 置 145， 该卡盘联结装置 145 设置在静力触探放置和控制舱 111 内， 可与联结触探杆放置装 置 142 中的其中一个容纳孔相配合， 即， 当旋转电机 142 将联结触探杆放置装置 142 旋转至 预定位置时， 卡盘联结装置 145 与预定容纳孔相卡接， 使预定的联结触探杆 141 通过卡盘连 接装置由推进杆 146 推动， 进而与触探杆 131 进行续接。
触探杆续接装置 14 的工作过程为 ： 首先通过旋转电机 143 带动联结放置触探杆装 置 142 到指定位置， 当转角传感器检测到联结放置触探杆装置 142 到指定位置时， 旋转电机 143 停止工作。然后， 通过推进直线电机 144 来推动已放置好的联结触探杆 141 到指定位 置， 以便完成触探杆连接， 完成触探杆延长的目标， 当位移传感器检测到联结触探杆 141 到 达指定位置时， 推进直线电机 144 停止工作。
启动卡盘联结装置 145， 当卡盘联结装置 145 上的传感器检测到联结触探杆 141 和 触探杆 131 完成连接后， 卡盘松开， 连接动作完成。此时， 启动推进直线电机 144 返回到其 初始位置， 并使推进直线电机 144 停止工作。然后再启动旋转电机 143， 联结放置触探杆装 置 142 转到一定角度后， 旋转电机 143 停止工作。由此完成了联结触探杆 141 和触探杆 131
的联结， 此时， 联结触探杆 141 和原触探杆 131 合成为新的触探杆。如果新的触探杆长度仍 不够， 则可根据上述工作过程再续接新的联结触探杆 141。
在本发明的一个实施例中， 水下岩土触探设备 1 还进一步包括水下监控装置， 即 用于在水下作业时采用监控录像设备进行过程监控。在本发明的另一个示例中， 水下岩土 触探设备 1 进一步包括岩土工程反馈分析与评价装置， 用于对静力触探参数进行分析和评 价。
在本发明的再一个实施例中， 水下岩土触探设备 1 进一步包括数据采集存储发送 及处理系统 ( 未示出 )。在深海水下环境工作的水下岩土触探设备 1 通过数据采集存储发 送及处理系统自动完成勘测过程中的数据采集、 存储、 发送及处理。 在岩石层的勘测过程中 需要记录触探杆位移、 单位时间进尺 ； 而在海底泥面勘测中需要记录触探杆位移、 进尺以及 压力， 并进行数据数据采集存储发送及处理。
根据本发明的水下岩土触探设备 1， 其水下勘探深度可达到 30-1000m。需要说明 的是， 普通技术人员在阅读了上述技术方案之后， 可以根据水下勘探的需要来适应所述勘 探的深度， 由此上述范围只是为了说明的目的， 而不是为了限制本发明的保护范围。
根据本发明的水下岩土触探设备以静压方式勘查海底泥面及岩石层， 并通过反 力支撑装置为水下岩土触探设备的静力触探提供反力， 而且可获得触探杆的触探参数， 从 而可得到岩石和土体物理力学特性参数及其沿深度的变化， 并确定海洋岩土地基的承载能 力。
下面将参照图 5 来描述利用上述水下岩土触探设备 1 进行水下岩土勘探的方法， 该方法包括以下步骤 ：
1. 将水下岩土触探设备 1 下沉至海底泥面或岩石层 ；
2. 利用真空形成装置 12 将水下岩土触探设备 1 吸力贯入海底泥面或岩石层内 ； 以及
3. 利用触探装置执行水下岩土触探。
下面将参考图 1- 图 5 详细描述根据本发明的水下岩土触探设备 1 在深海水下的 工作原理。
如图 5 所示， 船载水下岩土触探设备 1 通过锚链 2 和安装线 3 放置到到预定位置 后， 水下岩土触探设备 1 在其自重作用下自动下沉， 并接触安装在海底泥面或岩石层上 ( 参 考图 5(a))， 然后通过水下岩土触探设备 1 顶部的水泵 122 和真空泵 123 抽水和抽气， 对海 底泥面或岩石层施加主动吸力， 使得贯入舱 114 贯入海底泥面或岩石层 ( 图 5(b))， 然后进 行自动控制静力触探勘测 ( 图 5(c))， 同时记录采集并发送处理数据。将水下岩土触探设 备 1 回收到海上轮船 4 后， 进行数据分析和反演， 并研究触探进尺速率与岩土性质的关系， 通过数值仿真和反馈分析， 建立勘探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。
任何提及 “一个实施例” 、 “实施例” 、 “示意性实施例” 等意指结合该实施例描述的 具体构件、 结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性 表述不一定指的是相同的实施例。而且， 当结合任何实施例描述具体构件、 结构或者特点 时， 所主张的是， 结合其他的实施例实现这样的构件、 结构或者特点均落在本领域技术人员 的范围之内。尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描 述， 但是必须理解， 本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例， 这些改进和实施 例将落在本发明原理的精神和范围之内。 具体而言， 在前述公开、 附图以及权利要求的范围 之内， 可以在零部件和 / 或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进， 而不会脱 离本发明的精神。除了零部件和 / 或布局方面的变型和改进， 其范围由所附权利要求及其 等同物限定。