本发明涉及一种浅水海底缆线石块精确填埋设备以及基于上述设备的浅水海底缆线石块精确填埋方法。
背景技术：
海底缆线铺设完成以后，由于海底凸凹不平、地质条件不均匀、铺设效果不稳定等原因，海底缆线会在局部区域裸露在海床上。为避免海流冲刷或者船锚钩带，通常采用抛石填埋的方法进行保护。这种方法相对有效和经济。
针对海底缆线填埋的抛石技术已经在海洋油气工程中得到广泛的应用。传统的抛石填埋方式包括以下类型：
1)侧向倾覆式抛石作业：货船上设置多个可倾覆式石料舱。作业时由液压装置将石料舱侧向倾覆，将石块推入海中。
2)船载挖掘机抛石作业：由货船携带挖掘机。作业时用铲斗将石料逐铲送入海中。
3)侧向固定抛石管抛石作业：由专门建造或改装而成的抛石船，其舷侧设置固定抛石管。石料经过漏斗、流量控制器、传送带等传送至抛石管进行侧面抛送。
上述三种传统抛石作业，其共同的特点是精度较低。即使有些船舶配置动力定位系统，但其控制船身保持位置的能力仍不足以满足抛石填埋缆线的需求。精度达不到要求，意味着需要消耗更多石料，或者需要补偿作业以及补偿检测，浪费材料且耗时费力，经济性低下且成本难以控制。
技术实现要素：
本发明的目的是：提高抛石精度，以有效保护裸露在海床上的海底缆线。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种浅水海底缆线石块精确填埋设备，包括装载有石料的抛石船，将竖直方向上抛石船所在方向定义为上方，且将浅水海底缆线所在方向定义为下方，其特征在于，还包括：
动力定位系统，依据精确路由勘察确定的坐标将抛石船在待保护的浅水海底缆线上方进行定位；
n段可首尾相接及可拆卸的抛石管，n≥2，m段抛石管首尾相接后，1≤m≤n，石料经由抛石管下落并覆盖待保护的浅水海底缆线，将首尾相接后位于下方的第一段抛石管定义为第一抛石管，其他抛石管由下至上依序定义为第m抛石管，m＝1，...，m；
管端精确定位装置，固定在第一抛石管的下端，用于驱动首尾相接的m段抛石管的下端在一定范围内水平移动；
抛石装置，包括用于储存n段抛石管的抛石管存储架、用于将抛石管从抛石管存储架上转移出来的抛石管连接装置、小端开口与首尾相接的m段抛石管相接且大端开口用于导入石料的漏斗、位于漏斗与m段抛石管相接处且用于调整石料流量的流量控制器。
优选地，所述动力定位系统包括中央控制单元一、船身位置传感器、船身姿态传感器及布置于所述抛石船四周各个方向和位置的推进器，中央控制单元一根据船身位置传感器获取的所述抛石船的实时船身位置信息及船身姿态传感器获得的所述抛石船的实时船身姿态信息，结合依据精确路由勘察确定的坐标，控制相应位置及方向的推进器，使得所述抛石船在待保护的浅水海底缆线上方定位。
优选地，还包括：
超短基线定位系统，利用水下定位方式，辅助抛石船在待保护的浅水海底缆线上方进行定位；
多普勒计程仪，抛石船在待保护的浅水海底缆线上方进行定位的过程中，用于对抛石船进行导航系统校准。
优选地，所述管端精确定位装置与所述第一抛石管之间采用非刚性的连接方式，使得所述第一抛石管可上下滑动，且使得所述第一抛石管可相对所述管端精确定位装置摆动；
首尾相接的所述m段抛石管中，相邻两段抛石管之间采用非刚性的连接方式，使得一段抛石管可相对另一段抛石管上下滑动，且使得一段抛石管可相对另一段抛石管摆动。
优选地，所述抛石装置还包括用于调整首尾相接的m段抛石管的高度的抛石管运动控制器。
优选地，所述管端精确定位装置包括钢结构框架、螺旋桨推进器、位置探测装置、中央控制单元二及脐带缆，钢结构框架固定在所述第一抛石管的下端，固定在钢结构框架外侧的位置探测装置用于探测管端精确定位装置当前所处的实时精确位置，位置探测装置得到的实时精确位置信息发送给设于钢结构框架上的中央控制单元二，由中央控制单元二根据实时精确位置信息及预设位置信息得出调整位置信息，并根据调整位置信息控制设于钢结构框架上的螺旋桨推进器从而调整所述m段抛石管的下端的位置，由脐带缆为螺旋桨推进器及中央控制单元二供给电能，且中央控制单元二与抛石船的操控中心经由脐带缆建立数据通信。
优选地，所述管端精确定位装置还包括用于检测石料在浅水海底缆线上填埋效果的效果检测装置，效果检测装置将获得的数据传输给所述中央控制单元二；在抛石过程中，由效果检测装置实时对海床进行扫描并将数据传输到船上的操控中心，或者所填埋的浅水海底缆线长度达到预设值以后，抛石船沿线缆路径缓速返回，在返回过程中，通过效果检测装置对填埋效果进行核查。
本发明的另一个技术方案是提供了一种浅水海底缆线石块精确填埋方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、装载有石料的抛石船航行至待填埋的浅水海底缆线所处海域，到达填埋地点位置附近以后，启动动力定位系统，依据精确路由勘察确定的坐标由动力定位系统通过调整船身姿态及船身位置将抛石船在浅水海底缆线上方进行定位，使得抛石船距离精确的填埋开始地点不超过150米；
步骤2、由抛石管连接装置将第一抛石管从抛石管储存架上转移出来，管端精确定位装置与第一抛石管的下端相连后，将第一抛石管与管端精确定位装置共同竖直吊放入水，随后将后续的m-1段抛石管与第一抛石管依次首尾相接相连。
步骤3、由管端精确定位装置进行精确的实时探位，并依据实时探位数据一定范围内水平移动m段抛石管的下端的位置，使得m段抛石管的下端对准填埋目标位置；
步骤4、石料通过漏斗，经由流量控制器输运到m段抛石管中并沿抛石管下抛至目标位置形成石块填埋层，抛石过程中，抛石船沿既定航线及航速航行。
优选地，在步骤4中，所述抛石过程中，抛石装置的抛石管运动控制器通过液压系统对m段抛石管的高度进行调整，以补偿由于抛石船的船身运动造成的高度变化，使m段抛石管的下端距离海床的高度保持在1至2米之间。
优选地，在步骤1中，抛石船搭载的石料分为直径为50-200mm的粗石料及直径为10-80mm的细石料，则所述步骤4包括：
步骤4-1、将细石料通过抛石装置输运到m段抛石管中并沿抛石管下抛至目标位置，通过效果检测装置确认细石料将浅水海底缆线下方的悬空空间填充完整，并填埋到整个浅水海底缆线以后，细石料的抛洒工作即完成，形成细石料层；
步骤4-2、将粗石料通过抛石装置输运到m段抛石管中并沿抛石管下抛至细石料已经填埋过的位置，通过效果检测装置实时监测填埋堆的尺寸直到达到预设的截面尺寸，形成粗石料层。
本发明适用于在浅水区域抛石对海底缆线进行填埋保护。采用柔性抛石管和抛石管下方的管端精确定位装置来适度调整抛石位置，补偿由于船体本身动力定位造成的精度不足，并由抛石装置本身的流量控制器来控制流量，来达到抛石精度和力度的精准控制。从而提高抛石填埋的效率。
附图说明
图1是本发明浅水海底缆线石块精确填埋设备整体的结构示意图；
图2是本发明中管端精确定位装置的结构示意图；
图3是填埋石料层的结构示意图；
图4是本发明中第一抛石管与管端精确定位装置连接的示意图；
图5是本发明中的抛石装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明提供了一种浅水海底缆线石块精确填埋设备，包括装载有石料的抛石船1，抛石船1具有操控中心。本发明中，将竖直方向上抛石船1所在方向定义为上方，且将浅水海底缆线8所在方向定义为下方。
抛石船1上有动力定位系统5，由动力定位系统5依据精确路由勘察确定的坐标将抛石船1在浅水海底缆线8上方进行定位。动力定位系统5包括中央控制单元一、船身位置传感器、船身姿态传感器及布置于所述抛石船1四周各个方向和位置的推进器。中央控制单元一与抛石船1的操控中心建立数据通信，通信方式可以采用现有的任何有线或无线的通信方式，例如可以采用线缆、也可以采用wifi等。
中央控制单元一根据船身位置传感器获取的抛石船1的实时船身位置信息及船身姿态传感器获得的抛石船1的实时船身姿态信息，结合依据精确路由勘察确定的坐标，控制相应位置及方向的推进器，使得所述抛石船1在待保护的浅水海底缆线8上方定位，抛石船1的船身在一定范围内保持位置不变。
本发明提供的设备还包括n段可首尾相接及可拆卸的抛石管，n≥2。从n段抛石管中选出m段抛石管首尾相接，1≤m≤n，提供石料下落的管道。本发明中，将首尾相接后位于下方的第一段抛石管定义为第一抛石管3，其他抛石管由下至上依序定义为第m抛石管4，m＝1，...，m。
m段抛石管中，相邻两段抛石管之间采用非刚性的连接方式，从而使得抛石管之间可以一定程度的轴向滑动，即一段抛石管可相对另一段抛石管上下滑动，并允许适度的相对角位移，即一段抛石管可相对另一段抛石管摆动。本发明中，本领域技术人员可以采用多种结构来实现非刚性的连接方式。而在本发明中，实现非刚性的连接方式的结构为：
相互连接的两段抛石管中，一段抛石管的端口较细，另一段抛石管的端口较粗，较细的端口插入较细的端口内，从而实现非刚性的连接方式。通过非刚性的连接方式达到修正m段抛石管的下端位置的目的。
在第一抛石管3的下端固定有管端精确定位装置2。管端精确定位装置2用于驱动首尾相接的m段首尾相接的抛石管的下端在一定范围内水平移动。抛石船1自身动力定位装置只进行初步定位，使船只位于目标填埋点上方。但动力定位装置纠正波浪引起的船身偏移能力有一定限制。典型海况和典型船身参数下，水平偏移一般会超过3米。另外，由于海流对抛石管的作用以及抛石管本身的惯性运动，其下端(即出石口)的偏移更大。管端精确定位装置2通过螺旋桨推进器的作用，带动抛石管下端在水平方向移动纠偏，以达到精确抛石的目的。
具体而言，结合图2，在本发明中，管端精确定位装置2包括钢结构框架21、螺旋桨推进器22、位置探测装置23、效果检测装置24、中央控制单元二25及脐带缆26。钢结构框架21固定在第一抛石管3的下端。固定在钢结构框架21外侧的效果检测装置24用于检测石料在浅水海底缆线8上填埋效果。效果检测装置24包括地形数据扫描仪和多波束探测装置等，通过检测填埋操作以后填埋层的形状和尺寸，来检测石料在浅水海底缆线8上的填埋效果。固定在钢结构框架21外侧的位置探测装置23用于探测管端精确定位装置2当前所处的实时精确位置。位置探测装置23包括导航仪、测深仪、高度仪、水下摄像机、声纳定位仪等，将这些设备获得的数据进行结合，以探测当前装置的精确位置。位置探测装置23得到的实时精确位置信息发送给设于钢结构框架21上的中央控制单元二25，由中央控制单元二25根据实时精确位置信息及预设位置信息得出调整位置信息，并根据调整位置信息，通过基于刚体运动的算法，再结合推力、阻力、海流作用力来控制设于钢结构框架21上的螺旋桨推进器22从而调整m段抛石管的下端的位置。螺旋桨推进器22由电力推动的带导流管的螺旋桨推进器，至少四个并朝向不同方向，螺旋桨推进器22在中央控制单元二25的控制下产生合适方向和大小的推力以维持抛石管下端精确地处于预选位置。由脐带缆26为螺旋桨推进器22及中央控制单元二25供给电能，且中央控制单元二25与抛石船1的操控中心经由脐带缆26建立数据通信。
结合图4，管端精确定位装置2与第一抛石管3之间采用非刚性的方式，第一抛石管3的末端套入管端精确定位装置2中心的较粗的套筒内，第一抛石管3可以一定程度的沿轴向滑动，即第一抛石管3可上下滑动，并能够以铰链形式保持相对角位移放松，即第一抛石管3可相对管端精确定位装置2摆动。
结合图5，抛石装置9的基本功能是接受从挖掘机提供的石料，并按照设定流量投送到抛石管中。同时，用波浪补偿系统对m段首尾相接的抛石管的竖直位置进行一定程度的保持。
抛石装置9包括用于储存n段抛石管的抛石管存储架95、用于将抛石管从抛石管存储架95上转移出来的抛石管连接装置93、小端开口与首尾相接的m段抛石管相接且大端开口用于导入石料的漏斗91、位于漏斗91与m段抛石管相接处且用于调整石料流量的流量控制器92、用于调整首尾相接的m段抛石管的高度的抛石管运动控制器94。
流量控制器92利用振动能量和重力，激励石料从漏斗91的小端开口排出，并结合漏斗91的开口大小来控制合理的流量。
抛石管运动控制器94采用多个连接上下段抛石管的液压操作装置实现，通过液压操作装置一方面可以将多段抛石管连接成一体，另一方面可以在抛石过程中对抛石管的高度进行调整，以尽量补偿由于船身运动造成的高度变化，使抛石管的下端距离海床7的高度保持在1至2米之间。
本发明还提供了一种浅水海底缆线石块精确填埋方法，包括以下步骤：
步骤1、装载有石料的抛石船1航行至待填埋的浅水海底缆线8所处海域。装载石料可以由抛石船1在石料港口进行装载，或者由驳船携带石料和转卸装置在海上对抛石船1进行石料补充。装载石料的时间占比需精确计算并考虑在操作调度和运营成本之内。
抛石船1到达填埋地点位置附近以后，启动动力定位系统5，依据精确路由勘察确定的坐标由动力定位系统5通过调整船身姿态及船身位置将抛石船1在浅水海底缆线8上方进行定位，使得抛石船1距离精确的填埋开始地点不超过150米。在定位过程中，还可以启动超短基线定位系统进行水下定位，并启动多普勒计程仪进行导航系统校准。确保船身位置在距离浅水海底缆线8水平150米左右安全距离后才开始后续步骤。
步骤2、由抛石管连接装置93将第一抛石管3从抛石管储存架95上转移出来，管端精确定位装置2与第一抛石管3的下端相连后，将第一抛石管3与管端精确定位装置2共同竖直吊放入水。随后将后续的m-1段抛石管与第一抛石管3依次首尾相接相连。
步骤3、由管端精确定位装置2进行精确的实时探位，并依据实时探位数据启动螺旋桨推进器22在一定范围内水平移动m段抛石管的下端的位置，使得m段抛石管的下端对准填埋目标位置。
步骤4、石料通过挖掘机转运到漏斗91中，并经由流量控制器92输运到m段抛石管中并沿抛石管下抛至目标位置形成石块填埋层6。石块填埋层6的底面宽度约不小于8.2米，顶面宽度不小于2.1米，高度不小于1米。
抛石过程中，抛石船1沿既定航线及航速航行。同时，管端精确定位装置2上的效果检测装置24同步工作，实时对海床进行扫描并将数据传输到船上的操控中心。从而实现操作人员对抛石效果的实时监控。
而且，抛石管运动控制器94通过液压装置结合计算机控制，对抛石管的上下位置进行保持。以防止由于船体的运动造成抛石管下端与海床7相碰，造成管端精确定位装置2或者浅水海底缆线8的损坏。
结合图3，在抛石过程中，可采用分层抛石进行填埋。可考虑的粗石料的直径约为50-200mm，细石料的直径约为10-80mm。具体石料规格可以通过线缆抗冲击试验结合线缆的性能参数进行决定，也可通过计算流体力学软件进行仿真计算决定。
相应于此，步骤4可以包括如下两步：
步骤4-1、将细石料通过抛石装置9输运到m段抛石管中并沿抛石管下抛至目标位置，通过效果检测装置24确认细石料将浅水海底缆线8下方的悬空空间填充完整，并填埋到整个浅水海底缆线8以后，细石料的抛洒工作即完成，形成细石料层62；
步骤4-2、将粗石料通过抛石装置9输运到m段抛石管中并沿抛石管下抛至细石料已经填埋过的位置，通过效果检测装置24实时监测填埋堆的尺寸直到达到预设的截面尺寸，形成粗石料层61。
在实际作业中，通过步骤4所填埋的浅水海底缆线8达到300米左右以后，可暂停操作。抛石船1沿线缆路径缓速返回。在返回过程中，以五米为一个区段，通过管端精确定位装置2上的效果检测装置24进行核查。核查结果进行详细记录，如发现未能满足填埋层尺寸要求区段，需对该区段进行重新填埋操作。填埋操作结束后，重复上述核查工作，但仅针对重复填埋过的区段，直至全部满足尺寸要求为止。
以上为本发明的实施过程建议，并不就此限制本发明的专利范围。凡是利用本发明说明书以及附图内容所做的等效方法或者等效构造变换，或直接或者间接的运用在其他相关领域，均包括在本发明的专利保护范围内。