一种深水取水头部装置及施工方法与流程

1.本发明涉及深水取水技术领域，具体为一种深水取水头部装置及施工方法。


背景技术：

2.生活用水是日常生活中不可缺少的重要部分，供水单位将水库中的水经过抽取、净化、消毒等一系列处理之后，输送到每家每户，在水库或者河道中建设取水设施往往存在着一些问题。
3.首先，由于钢顶管铺设在河床的土层之下，将取水口与钢顶管进行连接前需要挖开河床上的土层，淤泥虽然容易挖掘，但泥沙混合的非牛顿流体层土质不易挖掘，流体层土质结构性不稳定，且容易发生流动，前一刻刚刚挖开，流体层又发生流动或塌陷，挖掘机的铲斗力越大，流体层的土质愈发的坚硬，使得周围的土质结构发生改变，挖掘不慎甚至会破坏钢顶管。
4.其次，水上施工平台比较狭小，取水管与钢顶管的焊接需有技术人员潜入水下进行作业，长时间的水下作业影响技术人员的身体健康，存在安全隐患；取水管道直径较大，管体较长，吊装取水管道时，管道受风力或者水流的影响，难以保持稳定，不能准确地定位安装。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种深水取水头部装置，河床的土层之下铺设有钢顶管，其特征在于：包括平台支架、取水机构、抽吸机构和对心机构，所述平台支架搭建在钢顶管上方，平台支架上设有施工平台，所述取水机构位于施工平台下方，取水机构用于构建取水通道，所述抽吸机构用于抽水和清除泥沙，所述对心机构对取水机构安装时进行对心，水下施工之前，在水面上搭设施工平台，以便于施工人员建设取水管，抽吸机构对钢套管内的水和泥沙进行清除，在吊放取水管时受风力或者吊机的影响，管体会发生晃动导致不稳定，对心机构在吊放取水管道时起到对心和定位的作用，对心机构体积小，安装与拆卸方便，对心定位效果好，精度高。
8.进一步的，所述取水机构包括套管、取水管、喇叭管、闸门组件；
9.所述取水管的一端与钢管顶连接，取水管的另一端与喇叭管的收缩口连接，所述喇叭管扩张口安装有闸门机构，所述闸门机构对喇叭管进行封堵，所述套管位于取水管外；
10.套管包括第一钢套管和第二钢套管，所述第一钢套管与第二钢套管形成工人在水下施工的空间，在钢顶管的上方，打入第一钢套管，将第一钢套管内外形成两个河道环境，稳定钢顶管周边的土质，再打入第二的钢套管，加固工人在水下钢套管中的工作空间，保证工作人员的生命安全。
11.进一步的，所述闸门组件包括旋转闸门、闸门底座、闸门电机，所述闸门底座上开设有取水口，闸门底座安装在喇叭管扩张口，所述旋转闸门与闸门电机均安装在闸门底座
上，所述闸门电机与旋转闸门轴连接，闸门电机带动旋转闸门对取水口进行封堵，所述闸门电机与旋转闸门轴连接，所述闸门电机带动旋转闸门进行旋转，通过控制旋转闸门，调节闸门底座上取水口的大小，调控取水量，与在抽水出口处设置开闭阀门相比，取水口处设置闸门有效地减轻水锤效应对管道冲击带来的损伤，延长取水机构中管道的使用寿命。
12.进一步的，所述抽吸机构包括抽吸头、螺旋钻头，所述抽吸头管道连接有抽水泵，抽吸头内安装有伺服电机，所述伺服电机与控制系统电路连接，伺服电机与螺旋钻头轴连接，所述螺旋钻头内设有高频振动器，所述高频振动器与控制系统电路连接，所述高频振动器使螺旋钻头高频振动，抽吸机构具有抽水与挖泥两种作用，抽吸头通过管道与抽水泵连接，将抽吸头伸入水中直接用于抽水，抽吸头上安装一个螺旋钻头，该螺旋钻头为一个阿基米德螺杆，伺服电机带动螺旋钻头旋转，螺旋钻头挖掘泥沙向抽吸头内传送，再利用管道与取水泵将泥沙抽出；
13.挖掘到非牛顿流体的泥沙土层时，流体层的土质遇到外力，会排挤泥沙中的水分，使土质结构固结，变得坚硬，使挖掘泥沙变得困难，因此螺旋钻头受到很大的阻力，伺服电机的转速骤降，伺服电机电回路中的电流迅速增加，控制系统检测到伺服电机电回路中的电流增大，因此判断出当前挖掘到流体层土质，控制系统降低伺服电机的转速，开启螺旋钻头中的高频振动器，高频振动的螺旋钻头周边的流体层土质恢复流动性，使螺旋钻头轻易地钻入流体层进行挖掘；
14.与传统的铲斗挖掘相比，抽吸机构结构简单，便于操作，在挖掘土体时连续进行抽吸，提升了工作效率，通过测量伺服电机回路中的电流量，判断土层的性质，添加高频振动装置，轻易地挖掘流体层的泥沙土质，避免河床下铺设的钢顶管因施工不善导致破坏。
15.进一步的，所述对心机构包括固定组件与顶推组件，所述固定组件将顶推组件固定到取水管上，所述顶推组件对使取水管与第一钢套管进行对心；
16.所述固定组件包括外壳体、绷带，所述外壳体的一侧设有卡槽，外壳体的另一侧设有空腔，所述空腔内安装有绷带轴，所述绷带缠绕在绷带轴上，绷带的一端连与绷带轴连接，绷带的另一端设有卡扣，所述绷带轴通过卷簧对绷带进行收卷，所述卡扣与外壳体上的卡槽相互配合，本发明至少需要采用三组对心机构同时使用，以保证对心定位的精度，抽出一组对心机构外壳体上的卡扣与另一组对心机构上的卡槽相连接，将三组对心机构相互连接成一体，利用卷簧对绷带的收紧力，将对心机构均匀地固定在取水管道表面上，外壳体与管道的接触处向内凹陷出两个面，在与管道接触时，凹陷处的两个面均与管道相切，使外壳体在管道表面上固定得更加牢靠，固定组件方便拆卸与安装，适应不同直径的管道，适用于钢套管内狭小的工作环境。
17.进一步的，所述顶推组件包括液压缸，所述液压缸安装在外壳体上，液压缸内安装有压力传感器，所述压力传感器及液压缸均与控制系统连接，液压缸的活塞杆上安装有滚子支架，所述滚子支架上转动安装有滚子，所述液压缸推动滚子支架对滚子与外壳体之间的距离进行调整，三组对心机构的液压缸顶出滚子支架，使滚子与钢套管接触，液压缸内部的压力传感器将压力信息传输至控制系统，控制系统调节每个液压缸，调节三组个液压缸内部的压力相同，使得取水管道与钢套管的几何中心对齐，滚子将滚子支架与钢套管间的滑动摩擦变为滚动摩擦，以便取水管道在对心后继续吊放安装。
18.一种深水取水头部施工方法，包括如下步骤：
19.s1：建立水下工作空间；
20.s2：管道连接；
21.s3：取水装置取水。
22.该发明将水下焊接转变为管道内施工焊接，将第一钢套管嵌入河床，第一钢套管内部与外部的河道隔开，抽空钢套管内的水和泥沙，形成了水下的工作空间，再嵌入第二的钢套管，在两层钢套管之间填满混凝土，使水下的操作空间更加稳固，与在水下施工相比，管道内部施工操作视野更加清晰，降低安全隐患，极大地保障技术人员的生命安全。
23.进一步的，所述s1的具体步骤包括：
24.s101：搭设水上施工平台，对施工平台以及钢顶管周围的水下土层进行加固；
25.s102：将第一钢套管下沉至钢顶管上部；
26.s103：将抽吸头伸入水中，利用抽水泵抽空第一钢套管中的水；
27.s104：利用螺旋钻头挖掘第一钢套管中的泥沙，利用抽水泵将泥沙抽吸干净；
28.s105：将第二钢套管下沉至钢顶管顶部，用混凝土填满第一钢套管和第二钢套管之间的缝隙。
29.进一步的，所述s2的具体步骤包括：
30.s201：按照取水管的直径，在钢顶管上切割同样大小的孔；
31.s202：在取水管的底端附近安装对心机构；
32.s203：吊放取水管，对心机构将取水管的几何中心与第一钢套管的几何中心对齐；
33.s204：将取水管与钢顶管进行焊接；
34.s205：在取水管与第一钢套管之间填满混凝土；
35.s206：将喇叭管与取水管进行焊接；
36.s207：沿着河床平面在水下切割第一钢套管。
37.进一步的，所述s3的具体步骤包括：
38.s301：打开闸门进行取水。
39.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
40.1、通过添设钢套管，使原先的水下作业变成管内作业，管内作业视线更加地清晰，极大地降低了安全隐患，保障了技术人员是生命安全。
41.2、抽吸机构上设置螺旋钻头，通过伺服电机电回路电流的大小，判断河床下土层的性质，高频振动器与螺旋钻头结合，使不同土质的挖掘变得容易，与普通铲斗挖掘相比，抽吸机构在挖掘土层时连续进行抽吸，提高工作效率，结构简单，操作方便。
42.3、对心机构之间利用卡扣与卡槽进行连接，利用卷簧对绷带收紧力将对心机构固定在取水管道上，其结构较小，携带与装拆方便，适应不同直径的管道之间进行同心对齐，对心机构与钢套管的接触处设有滚子，方便取水管道在吊放的同时，保持对心以及管道的稳定。
附图说明
43.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
44.图1是本发明一种深水取水头部装置的整体结构示意图；
45.图2是本发明一种深水取水头部装置闸门机构的结构示意图；
46.图3是本发明一种深水取水头部装置闸门机构的剖视图；
47.图4是本发明一种深水取水头部装置抽吸机构的结构示意图；
48.图5是本发明一种深水取水头部装置对心机构的结构示意图；
49.图6是本发明一种深水取水头部装置对心机构的结构示意图；
50.图7是本发明一种深水取水头部装置对心机构工作原理的示意图；
51.图8是本发明一种深水取水头部施工方法流程图；
52.图9是本发明一种深水取水头部施工方法流程图；
53.图10是本发明一种深水取水头部施工方法流程图；
54.图11是本发明一种深水取水头部施工方法流程图；
55.图中：1、平台支架；2、施工平台；3、第一钢套管；4、第二钢套管；5、取水管；6、喇叭管；7、钢顶管；8、旋转闸门；9、闸门底座；10、闸门电机；11、伺服电机；12、抽吸头；13、螺旋钻头；14、卡扣；15、外壳体；16、液压缸；17、滚子支架；18、滚子；19、绷带轴；20、绷带。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.请参阅图1
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11，本发明提供技术方案：
58.一种深水取水头部装置，河床的土层之下铺设有钢顶管7，包括平台支架1、取水机构、抽吸机构和对心机构，平台支架1搭建在钢顶管7上方，平台支架1上设有施工平台2，取水机构位于施工平台2下方，取水机构用于构建取水通道，抽吸机构用于抽水和清除泥沙，所述对心机构对取水机构安装时进行对心，在水面上搭设施工平台2，以便于工人建设取水装置，抽吸机构对第一钢套管3内的水和泥沙进行清除，在吊放取水管5时受风力或者吊机的影响，管体会发生晃动导致不稳定，对心机构在吊放取水管5道时起到对心和定位的作用。
59.取水机构包括套管、取水管5、喇叭管6、闸门组件，取水管5的一端与钢顶管7焊接，取水管5的另一端与喇叭管6的收缩口焊接，喇叭管6扩张口安装有闸门机构，闸门机构对喇叭管6进行封堵，套管位于取水管5外，套管包括第一钢套管3和第二钢套管4，第一钢套管3与第二钢套管4形成工人在水下施工的空间，闸门组件包括旋转闸门8、闸门底座9、闸门电机10，闸门底座9上开设有取水口，闸门底座9安装在喇叭管6扩张口，旋转闸门8与闸门电机10均安装在闸门底座9上，闸门电机10与旋转闸门8轴连接，闸门电机10带动旋转闸门8对取水口进行封堵，在钢顶管7的上方，打入第一钢套管3，易用第一钢套管3稳定钢顶管7周边的土质，再打入第二钢套管4，加固工人在水下钢套管中的工作空间，保证工作人员的生命安全，闸门电机10与旋转闸门8轴连接，闸门电机10带动旋转闸门8进行旋转，通过控制旋转闸门8，调节闸门底座9上取水口的大小调控取水量，有效地减轻水锤效应对管道冲击带来的损伤，延长取水机构中管道的使用寿命。
60.抽吸机构包括抽吸头12、螺旋钻头13，抽吸头12管道连接有抽水泵，抽吸头12内安
装有伺服电机11，伺服电机11与控制系统电路连接，伺服电机11与螺旋钻头13轴连接，螺旋钻头13内设有高频振动器，高频振动器与控制系统电路连接，高频振动器使螺旋钻头13高频振动，抽吸机构具有抽水与挖泥两种作用，抽吸头12通过管道与抽水泵连接，将抽吸头12伸入水中直接用于抽水，抽吸头12上安装一个螺旋钻头13，伺服电机11带动螺旋钻头13旋转，螺旋钻头13挖掘泥沙向抽吸头12内传送，再利用管道与抽水泵将泥沙抽出；
61.挖掘到非牛顿流体的泥沙土层时，流体层的土质遇到外力会使土质结构固结，变得坚硬，挖掘泥沙变得困难，螺旋钻头13受到很大的阻力，伺服电机11的转速降地，伺服电机11电回路中的电流迅速增加，控制系统检测到电路中的电流增大，因此判断出当前挖掘到流体层土质，控制系统降低伺服电机11的转速，开启螺旋钻头13中的高频振动器，高频振动的螺旋钻头13周边的流体层土质恢复流动性，使螺旋钻头13轻易地钻入流体层进行挖掘，抽吸机构结构简单，便于操作，在挖掘土体时连续进行抽吸，提升了工作效率，通过测量伺服电机11回路中的电流量，判断土层的性质，添加高频振动装置，轻易地挖掘流体层的泥沙土质，避免河床下铺设的钢顶管7因施工不善导致破坏。
62.对心机构包括固定组件与顶推组件，固定组件将顶推组件固定到取水管5上，顶推组件对使取水管5与第一钢套管3进行对心；固定组件包括外壳体15、绷带20，外壳体15的一侧设有卡槽，外壳体15的另一侧设有空腔，空腔内安装有绷带轴19，绷带20缠绕在绷带轴19上，绷带20的一端连与绷带轴19连接，绷带20的另一端设有卡扣14，绷带轴19通过卷簧对绷带20进行收卷，卡扣14与外壳体15上的卡槽相互配合，顶推组件包括液压缸16，液压缸16安装在外壳体15上，液压缸16内安装有压力传感器，压力传感器及液压缸16均与控制系统连接，液压缸16的活塞杆上安装有滚子支架17，滚子支架17上转动安装有滚子18，所述液压缸16推动滚子支架17对滚子18与外壳体15之间的距离进行调整；
63.本发明采用三组对心机构同时使用，以保证对心定位的精度，抽出一组对心机构外壳体15上的卡扣14与另一组对心机构上的卡槽相连接，将三组对心机构相互连接成一体，均布在取水管5的一周，利用卷簧对绷带20的收紧力，使外壳体15在管道表面上固定得更加牢靠，固定组件方便拆卸与安装，适应不同直径的管道，适用于钢套管内狭小的工作环境，三组对心机构的液压缸16顶出滚子支架17，使滚子18与第一钢套管3接触，液压缸16内部的压力传感器将压力信息传输至控制系统，控制系统调节每个液压缸16内部的油液压力相同，使得取水管5与第一钢套管3的几何中心对齐，滚子18将滚子支架17与第一钢套管3间的滑动摩擦变为滚动摩擦，以便取水管5在对心后继续吊放安装。
64.一种深水取水头部施工方法，包括如下步骤：
65.s1.建立水下工作空间：
66.s101：搭设水上施工平台2，对施工平台2以及钢顶管7周围的水下土层进行加固；
67.s102：将第一钢套管3下沉至钢顶管7上部；
68.s103：将抽吸头12伸入水中，利用抽水泵抽空第一钢套管3中的水；
69.s104：利用螺旋钻头13挖掘第一钢套管3中的泥沙，利用抽水泵将泥沙抽吸干净；
70.s105：将第二钢套管4下沉至钢顶管7顶部，用混凝土填满第一钢套管3和第二钢套管4之间的缝隙。
71.该发明将水下焊接转变为管道内施工焊接，将第一钢套管3嵌入河床，第一钢套管3内部与外部的河道隔开，抽空钢套管内的水和泥沙，形成了水下的工作空间，再嵌入第二
钢套管4，在两层钢套管之间填满混凝土，使水下的操作空间更加稳固，与在水下施工相比，管道内部施工操作视野更加清晰，降低安全隐患，极大地保障技术人员的生命安全。
72.s2.管道连接：
73.s201：按照取水管5的直径，在钢顶管7上切割同样大小的孔；
74.s202：在取水管5的底端附近安装对心机构；
75.s203：吊放取水管5，对心机构将取水管5的几何中心与第一钢套管3的几何中心对齐，对取水管5作精准定位；
76.s204：将取水管5与钢顶管7进行焊接；
77.s205：在取水管5与第一钢套管3之间填满混凝土；
78.s206：将喇叭管6与取水管5进行焊接；
79.s207：沿着河床平面在水下切割第一钢套管3。
80.s3.取水装置取水：
81.s301：打开闸门进行取水。
82.本发明的工作原理：
83.用于抽水的钢顶管7先通过顶管的设备，铺设在河床的土层下，在钢顶管7的上方搭设平台支架1，在平台支架1上搭建施工平台2，保证施工支架与平台安全稳固。
84.将第一钢套管3通过施工平台2嵌入到和床上，第一钢套管3的底部与钢顶管7相接处，将抽吸装置的抽吸头12与管道连接，伸入到第一钢套管3中，打开抽水泵抽干第一钢套管3内的水分，启动伺服电机11带动螺旋钻头13进行转动，螺旋钻头13钻入河床上的土层开始挖掘，螺旋钻头13将挖掘下来的泥沙传送至抽吸头12处，利用抽水泵抽出，当挖掘到流体层土质时，流体层的土质遇到外力排挤泥沙中的水分，使土质结构固结，变得坚硬，因此螺旋钻头13受到很大的阻力，伺服电机11的转速降低，伺服电机11电回路中的电流迅速增加，控制系统检测到电流增大，判断出当前挖掘到流体层土质，控制系统降低伺服电机11的转速，开启螺旋钻头13中的高频振动器，高频振动的螺旋钻头13周边的流体层土质恢复流动性，使螺旋钻头13轻易地钻入流体层进行挖掘，将挖掘下的流体层土质传送至抽吸头12处，在利用抽水泵将泥沙抽出。
85.将第二钢套管4吊放至第一钢套管3的底部，在第二钢套管4与第一钢套管3之间浇筑混凝土，对套管底部进一步加固，工人进入套管底部，在钢顶管7上切一个与取水管5直径相同的孔，孔心与第一钢套管3的几何中心线重合。
86.在取水管5的底部位置安装对心机构，将对心机构外壳体15上的卡扣14抽出，与其他对心机构外壳体15上的卡槽进行连接，三组对心机构均匀地设置在取水管5上，利用卷簧对缠绕在绷带轴19上的绷带20进行收紧，三组对心机构稳固地安装在取水管5的表面上，将取水管5利用吊车吊放入第一钢套管3中，对心机构上的液压杆向外伸出，滚子支架17上的滚子18接触到第一钢套管3的内壁，每个液压缸16内压力传感器检测油液的压力，通过控制系统调节每个液压缸内的油液压力相同，此时取水管5的几何中心与第一钢套管3的几何中心重合，取水管5也与钢顶管7上切割的孔对齐，将取水管5与钢顶管7进行焊接，焊接结束后，拆下对心机构。
87.在取水管5和第一钢套管3之间继续浇筑混凝土，一直浇筑到河床平面的高度，待混凝土干固后，吊放喇叭管6，将喇叭管6的小口端与取水管5进行焊接，在喇叭管6的大口端
安装闸门机构，将闸门机构先封闭起来。
88.沿着河床平面将第一钢套管3切断，移除切开的第一钢套管3，启动闸门电机10，闸门电机10转动旋转闸门8，旋转闸门8慢慢打开闸门底座9上的取水口进行取水。
89.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
90.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。