一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統和方法
2023-09-17 22:59:25 1
一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統和方法
【專利摘要】本發明公開了一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統，其中，所述系統包括水下採樣設備，所述水下採樣設備包括振動夯實機構、支撐框架、雲臺、鑽進機構、水下通信電纜，所述支撐框架包含底座和4條支撐腳；所述鑽進機構包含鑽進電機、鑽管和採樣管，所述鑽進機構安裝在所述雲臺上，所述振動夯實機構安裝在所述雲臺上，所述雲臺通過螺旋機構與所述支撐框架的底座連接，所述螺旋機構由伺服電機驅動。本發明採用振動夯實的方式將支撐框架的支撐腳扎入河底泥層，依靠採樣設備自身重力和泥層對支撐腳的粘滯阻力保證鑽進過程的整體穩定性，改變了目前採樣器主要依靠自重保持穩定的工作方式，使得採樣設備更加輕便，提升了採樣作業的安全係數。
【專利說明】一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統和方法
[0001]【技術領域】
本發明屬於河床探測採樣【技術領域】，尤其是一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統和方法。
[0002]【背景技術】
目前泥沙測驗工作主要是對河床表層約5cm左右的沙樣進行採取和試驗，以獲得泥沙顆粒級配組成情況。採樣儀器多採用錨式採樣器和丁字型採樣器，個別情況也有直接用橫式採樣器在河床挖取沙樣。這些採樣儀器的主要問題在於，一是採樣儀器為開放式的，採樣過程對沙樣擾動大，採樣後儀器在提出水面前受水流衝刷，一部分泥沙被涮掉，採樣結果不是完整的原狀沙樣；二是由於目前採樣僅限於表層淤積泥沙，採樣深度太淺，加之泥沙淤積的複雜性，所取採樣樣品的代表性值得商榷；三是缺乏採取深層淤積泥沙的儀器，使河床的淤積演變分析存在困難。在河床採樣【技術領域】中，海底採樣器研究應用起步較早，主要有抓斗式、箱式、冷凍式、重力式、振動式、鑽取式等多種類型，海底採樣儀器較為先進和成熟，設備及船隻自動化程度高、工作性能好、配套實施全，在工作原理、設計方法、結構參數等方面能夠為多泥沙河流河床採樣有相似之處，但是價格昂貴，無法推廣應用，目前缺乏針對多泥沙河流粗沙河床的深層取樣設備。
[0003]
【發明內容】
本發明要解決的技術問題是提供了一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統和方法，可以準確獲得多泥沙河流粗沙河床深層低擾動淤積泥沙樣品，為準確分析粗沙河床淤積泥沙物化特性和更加深入分析研究水沙運移規律提供了一種新的技術手段。
[0004]本發明提供的一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統，其中，所述系統包括水下採樣設備，所述水下採樣設備包括振動夯實機構、支撐框架、雲臺、鑽進機構、水下通信電纜，所述支撐框架包含底座和4條支撐腳；所述鑽進機構包含鑽進電機、鑽管和採樣管，所述鑽進機構安裝在所述雲臺上，所述振動夯實機構安裝在所述雲臺上，所述雲臺通過螺旋機構與所述支撐框架的底座連接，所述螺旋機構由伺服電機驅動。
[0005]進一步，所述系統還包括加速度計，所述加速度計用於監測和判斷所述水下採樣設備在夯實過程中，支撐框架是否達到穩定。
[0006]進一步，所述系統還包括超聲含沙量計，所述超聲含沙量計用於測量所述水下採樣設備周圍水質的含沙量，當含沙量超過預設值時，所述鑽進電機不啟動或關閉。
[0007]進一步，所述伺服電機驅動螺旋機構，能夠調整所述雲臺與所述支撐框架底座之間的夾角。
[0008]進一步，所述雲臺包含自鎖功能，當所述雲臺與所述支撐框架底座之間的夾角達到設定範圍時，所述雲臺能夠啟動自鎖功能。
[0009]進一步，所述採樣管內襯在所述鑽管裡，所述採樣管的的內徑不大於100_。
[0010]本發明還提供了一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣方法，其中，所述方法包括如下步驟:
步驟一、當水下採樣設備接觸到河床後，啟動振動夯實機構，採用振動夯實的方式將支撐腳扎入河底泥層，並利用加速度計監測水下採樣設備的夯實過程，將4條支撐腳夯實在河底硬質泥層裡並保持穩定姿態，根據加速度計的反饋信號判斷支撐框架穩定後，關停振動夯實機構；
步驟二、啟動鑽進電機，鑽管深入粗沙硬質河床進行鑽進採樣，根據底部觸碰開關反饋信號，停止鑽進電機工作；啟動升降系統，將水下採樣設備吊出水面並做好樣品密封保存。[0011 ] 進一步，在所述步驟一之前，所述水下採樣設備通過採樣船隻運行至測量區域，通過GPS接收機進行定位，確定採樣點位置；通過水下測深儀確定採樣點水深；利用升降設備將水下採樣設備放入水中，通過水下通信電纜將所述水下採樣設備的姿態、加速度、水中含沙量等信號傳遞迴採樣船隻。
[0012]進一步，當所述水下採樣設備呈傾斜狀態時，採用伺服電機驅動螺旋機構調整雲臺與底座之間的夾角，使得所述水下採樣設備達到水平狀態。
[0013]進一步，所述水下採樣設備在下落、穩定和採樣過程中，採用超聲含沙量計實時測量所述水下採樣設備周圍水質的含沙量，當超過預設值時，禁止鑽進電機啟動或關閉鑽進電機。
[0014]與現有技術相比，本發明的積極效果包括:
(I)本發明採用振動夯實的方式將支撐框架的支撐腳扎入河底泥層，依靠採樣設備自身重力和泥層對支撐腳的粘滯阻力保證鑽進過程的整體穩定性，改變了目前採樣器主要依靠自重保持穩定的工作方式，使得採樣設備更加輕便，提升了採樣作業的安全係數。
[0015](2)雲臺是基於關節仿生原理設計，通過自鎖功能鎖死雲臺與支撐架構底座的連接，保證鑽管垂直鑽進，巧妙避免了不平河底對採樣設備調平引起的困難，調整角度大，調整響應快，調整精度高。
[0016](3)採用加速度計監測水下採樣設備的夯實過程，判斷支撐框架是否達到穩定，保證鑽進過程的整體穩定性；採用超聲含沙量計在線測量含沙量，當超過預設值時，禁止鑽進電機啟動避免電機毀壞，實現取樣的安全作業。
[0017](4)採用鑽進機構，相對於錨式採樣器、丁字型採樣器、橫式採樣器等表層採樣器，加大了取樣深度，減輕了取樣工作對樣品的擾動影響，可以準確獲得多泥沙河流粗沙河床深層低擾動淤積泥沙樣品，為準確獲得粗沙河床物化特性參數提供技術支持。
[0018](5)監控設備實時監測整個採樣過程工作狀態，保證採樣過程低擾動；遇到緊急情況可自動切斷電源，保證採樣設備作業安全。
[0019]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為本發明整體組成結構示意圖；
圖2為水下採樣設備結構示意圖；
圖3為水下採樣設備工作流程示意圖。
[0020]【具體實施方式】
多泥沙河流粗沙河床採樣，雖然有水深較淺、船隻易於固定等便於作業的有利條件，但是也有其特殊性和複雜性。一是儘量避免在河槽陡峭邊壁作業，防止設備下放過程中傾倒發生事故；二是多泥沙河流河床質上層有較厚的淤積浮泥，設備在浮泥層中，由於該層浮泥具有一定的暫時支撐力，使採樣器在作業前可能保持平穩，但在作業時產生的振動導致浮泥層喪失承載力，使設備傾斜甚至傾倒；三是電機如果被表層浮土淹沒，就會燒毀損壞；四是對於硬質粗沙河床，需要依靠機械動力採樣，應儘量減少採樣過程的擾動，以獲取原狀沙樣；五是需要儘量減小採樣器的重量和尺寸，以減小船隻的運行成本。基於上述考慮，下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
[0021]本發明的目的是為準確獲取多泥沙河流水庫及河道淤積粗沙提供了一種新的採樣系統和採樣方法，為準確分析粗沙河床淤積泥沙物化特性和更加深入分析研究水沙運移規律提供了一種新的技術手段，能夠補充並完善目前的泥沙測驗資料，達到提高採樣質量和提升樣品代表性的目的，是河流泥沙研究、規劃和治理的基礎性工作。
[0022]如圖1所示，本發明提供的多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統，包括監控設備、升降設備和水下採樣設備等。監控設備包括船隻上的工控機、GPS接收機，以及水下測深儀、加速度計、超聲含沙量計等。升降設備包括電動絞車、鋼纜等。
[0023]水下採樣設備如圖2所示，包括振動夯實機構、支撐框架、雲臺、鑽進機構、水下通信電纜等。鑽進機構包含了鑽進電機、鑽管和採樣管等，採樣管的直徑不大於100mm。支撐框架包含底座和4條支撐腳。鑽進機構安裝在雲臺上，振動夯實機構安裝在雲臺上，雲臺通過螺旋機構與支撐框架的底座連接，螺旋機構由伺服電機驅動。
[0024]圖2中，水下採樣設備的主要組成包括，1、雲臺；2、支撐框架；3、振動夯實機構；4、鑽進電機；5、伺服電機；6、米樣管。
[0025]如圖3所示，本發明所述採樣系統的工作流程為:
步驟一、採樣船隻運行至測量區域，通過GPS接收機進行定位，確定採樣點位置；通過水下測深儀確定採樣點水深；利用升降設備將水下採樣設備放入水中，通過水下通信電纜將姿態、加速度、水中含沙量等信號傳遞迴採樣船隻。
[0026]步驟二、當水下採樣設備接觸到河床後，啟動振動夯實機構，採用振動夯實的方式將支撐腳扎入河底泥層，並利用加速度計監測水下採樣設備的夯實過程，將4條支撐腳夯實在河底硬質泥層裡並保持穩定姿態，根據加速度計的反饋信號判斷支撐框架穩定，穩定以後，關停振動夯實機構，依靠水下採樣設備自身重力和泥層對支撐腳的粘滯阻力保證鑽進過程的整體穩定性，極大減輕了水下採樣設備的重量。
[0027]受河床地貌及淤積泥沙的影響，水下採樣設備整體可能呈傾斜狀態，雲臺基於關節仿生原理設計，當雲臺相對於支撐框架底座傾斜時，採用伺服電機驅動螺旋機構來調整雲臺與支撐框架底座之間的相對夾角，雲臺相對與支撐框架底座二維旋轉，可以調整鑽管逐步豎直，啟動自鎖功能鎖死雲臺，使其保持豎直狀態；這種控制方式更加簡單、調整範圍更大、精度更高。
[0028]在水下採樣設備下落和穩定的過程中，採用超聲含沙量計在線測量含沙量，當超過預設值時，禁止鑽進電機啟動避免電機毀壞，保證取樣器的作業安全。
[0029]步驟三、啟動鑽進電機，採樣管深入粗沙硬質河床進行鑽進採樣，根據底部觸碰開關反饋信號，停止鑽進電機工作；啟動升降系統，將水下採樣設備吊出水面並做好樣品密封保存，完成採樣工作。在滿足支撐框架穩定的前提下，優化鑽機動力頭扭矩和轉速，採取減振措施，鑽進取樣。
[0030]本發明的積極效果是:
(I)本發明採用振動夯實的方式將支撐框架的支撐腳扎入河底泥層，依靠採樣設備自身重力和泥層對支撐腳的粘滯阻力保證鑽進過程的整體穩定性，改變了目前採樣器主要依靠自重保持穩定的工作方式，採樣設備更加輕便，提升了採樣作業的安全係數。
[0031](2)雲臺是基於關節仿生原理設計，通過自鎖功能鎖死雲臺，保證鑽管垂直鑽進，巧妙避免了不平河底對採樣設備調平引起的困難，調整角度大，調整響應快，調整精度高。
[0032](3)採用加速度計監測水下採樣設備的夯實過程，判斷支撐框架是否達到穩定，保證鑽進過程的整體穩定性；採用超聲含沙量計在線測量含沙量，當超過預設值時，禁止鑽進電機啟動避免電機毀壞，實現取樣的安全作業。
[0033](4)採用鑽進機構，相對於錨式採樣器、丁字型採樣器、橫式採樣器等表層採樣器，加大了取樣深度，減輕了取樣工作對樣品的擾動影響，可以準確獲得多泥沙河流粗沙河床深層低擾動淤積泥沙樣品，為準確獲得粗沙河床物化特性參數提供技術支持。
[0034](5)監控設備實時監測整個採樣過程工作狀態，保證採樣過程低擾動；遇到緊急情況可自動切斷電源，保證採樣設備作業安全。
【權利要求】
1.一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣系統，其特徵在於，所述系統包括水下採樣設備，所述水下採樣設備包括振動夯實機構、支撐框架、雲臺、鑽進機構、水下通信電纜，所述支撐框架包含底座和4條支撐腳；所述鑽進機構包含鑽進電機、鑽管和採樣管，所述鑽進機構安裝在所述雲臺上，所述振動夯實機構安裝在所述雲臺上，所述雲臺通過螺旋機構與所述支撐框架的底座連接，所述螺旋機構由伺服電機驅動。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述系統還包括加速度計，所述加速度計用於監測和判斷所述水下採樣設備在夯實過程中，支撐框架是否達到穩定。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述系統還包括超聲含沙量計，所述超聲含沙量計用於測量所述水下採樣設備周圍水質的含沙量，當含沙量超過預設值時，所述鑽進電機不啟動或關閉。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述伺服電機驅動螺旋機構，能夠調整所述雲臺與所述支撐框架底座之間的夾角。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於:所述雲臺包含自鎖功能，當所述雲臺與所述支撐框架底座之間的夾角達到設定範圍時，所述雲臺能夠啟動自鎖功能。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述採樣管內襯在所述鑽管裡，所述採樣管的的內徑不大於100mm。
7.一種多泥沙河流粗沙河床深層採樣方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟: 步驟一、當水下採樣設備接觸到河床後，啟動振動夯實機構，採用振動夯實的方式將支撐腳扎入河底泥層，並利用加速度計監測水下採樣設備的夯實過程，將4條支撐腳夯實在河底硬質泥層裡並保持穩定姿態，根據加速度計的反饋信號判斷支撐框架穩定後，關停振動夯實機構； 步驟二、啟動鑽進電機，鑽管深入粗沙硬質河床進行鑽進採樣，根據底部觸碰開關反饋信號，停止鑽進電機工作；啟動升降系統，將水下採樣設備吊出水面並做好樣品密封保存。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於:在所述步驟一之前，所述水下採樣設備通過採樣船隻運行至測量區域，通過GPS接收機進行定位，確定採樣點位置；通過水下測深儀確定採樣點水深；利用升降設備將水下採樣設備放入水中，通過水下通信電纜將所述水下採樣設備的姿態、加速度、水中含沙量等信號傳遞迴採樣船隻。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於:當所述水下採樣設備呈傾斜狀態時，採用伺服電機驅動螺旋機構調整雲臺與底座之間的夾角，使得所述水下採樣設備達到水平狀態。
10.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於:所述水下採樣設備在下落、穩定和採樣過程中，採用超聲含沙量計實時測量所述水下採樣設備周圍水質的含沙量，當超過預設值時，禁止鑽進電機啟動或關閉鑽進電機。
【文檔編號】G01N1/08GK104006986SQ201410251343
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】張雷, 李永強, 鄭軍, 李長徵, 楊勇, 郭維克, 陳豪, 劉英紅, 康丙東, 王銘 申請人:黃河水利委員會黃河水利科學研究院