用于勘探取样或原位测试的水下平台的制作方法

本实用新型涉及一种水下勘探平台，能确保近海水域岩土工程勘探取样或原位测试正常进行，具体地说，属于一种近海工程海床式勘探平台。

背景技术：

近年来，伴随着跨海大桥、海上风电、深水港、人工岛礁、海底隧道等一系列近海工程建设，及国家“一带一路”的战略实施，我国的水运勘察作业已从沿海近岸延伸到公海、专属经济区、亚非、拉美洲港口海域。海上工程勘察主要涉及钻芯取样与原位测试，现有的海底取样与原位测试主要依托船载式平台或升降式平台上钻机取样或引进国外的海底原位设备进行，前者如：专利号为200910194680.4的中国发明专利“单侧悬臂式水上勘探平台系统”；后者有：荷兰(A.P.Van den berg B.V.)ROSON-40kN型海底CPT设备；美国(Williamson&Associates)BMS系列设备。文献“用于海洋地质调查的ROSON-40kN型海底CPT设备”(陈奇，等.工程勘察，2012，(9):30-34.)和“海底钻机的国内外研究现状与发展趋势”(张汉泉，等.湖南科技大学学报(自然科学版)，2016，31(1):1-7.)等均有详细描述。

如，中国发明专利申请CN102518105A描述了一种“海床式静力触探贯入装置”，提供了一种适用于海底的静力触探贯入装置，可实现最大深度为15m的触探工艺。该装置适应平缓的海床，难以解决复杂海况、海床起伏、海流冲刷、贯入振动等因素造成处于海床面上的装置倾斜，以致触探贯入过程中贯穿于基座中心的钻杆产生径向扭力，使得所采集的数据失真。

又如，中国发明专利申请CN102220841A公开了一种“一种海底取样钻机”，提供一种海底取样钻机，该海底取样钻机可在海床表层取样品(3m)；由船上控制系统向海底钻机供电及信息联系，使得钻进过程具有“可视化”等特征。但存在功能单一，钻进深度不足，难以解决水下钻机高速回转可能引起的基座倾斜问题，影响测控设备的正常工作。

综上所述，现有的设备和方法存在着针对性强、功能单一的弱点，难以解决复杂海床面上取样或原位测试过程中所产生设备基座逐渐倾斜这一难题。这种倾斜轻者使水下勘探路径偏移，影响所采集的地层数据真实性和可靠性；重者造成钻杆的扭曲或折断，随着荷载增大会造成设备故障；更为甚者将导致设备倾覆事故，这一问题限制了现有技术在近海工程水下勘察中的应用。

技术实现要素：

本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种低成本、多用途、具有自适应智能调平功能的用于水下勘探取样或原位测试的平台，以克服现有技术的缺陷。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：一种用于勘探取样或原位测试的水下平台，包括以下部件：平台主体，包括一作业面，用于安装水下勘探取样设备或原位测试设备；可调式支腿，有多个，安装在所述平台主体的四周；数据采集模块，包括用于测量作业面相对于水平面倾角的倾角传感器，以及用于测量可调式支腿压力值压力传感器；控制模块，分别与上述数据采集模块和可调式支腿相连接，控制模块接收倾角传感器和压力传感器的信号，并调节各可调式支腿的长度，使平台主体的作业面保持水平；通信模块，所述控制模块通过通信模块与上位机进行通信。

优选地，所述平台主体包括可拆卸连接的平台基座和平台罩盖，所述平台基座的底板即为平台主体的作业面。

更优地，所述平台基座为一长方体框架，所述平台罩盖为一四棱台形框架，平台罩盖上设有吊耳。

优选地，所述可调式支腿由液压缸构成，液压缸的活塞杆向下延伸，活塞杆的下端设有桩靴。

优选地，还包括与所述液压缸相连接的电液换向阀，所述电液换向阀与控制模块电连接。

优选地，所述倾角传感器为双轴倾角传感器。

优选地，还包括为所述控制模块、数据采集模块和通信模块供电的电源模块。

优选地，还包括一根脐带缆，所述脐带缆中包括与作业母船相连接的电缆。

更优地，所述脐带缆中还包括与作业母船相连接的管线。

本实用新型要解决的另一个技术问题是提供一种上述水下平台的使用方法，该方法包括以下步骤：

A、安装：将所述各组成部件运输至勘探现场附近，组装成所述水下平台；

B、拖航：用作业母船将安装好的水下平台拖航到指定的作业海域；

C、调试：通电，检查数据采集模块、通信模块和控制模块的运行状况，观测上位机上显示的信息，正常后复位；

D、施放：利用作业母船上的吊车把水下平台缓缓放入指定海域；

E、监控；在水下平台沉入至海床面的过程中，作业母船上的上位机会显示平台倾角、支腿压力值等信息，确保水下平台正常着落在海床上，并自动智能化实行调平；

F、作业，启动水下平台上的勘探取样设备或原位测试设备，进行取样或测试作业，在作业过程中，钻进振动及流速冲刷可能造成水下平台倾斜，水下平台将根据数据采集模块采集的信号，控制模块控制调节各可调式支腿的长度，使平台主体的作业面保持水平；

G、转场，完成一个作业点的取样或测试作业后，起吊转场，到达下一作业地点，重复上述步骤C～F，直至指定海域的作业任务全部完成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型设置了可调式支腿、数据采集模块和控制模块，控制模块接收倾角传感器和压力传感器的信号，并动态调节各可调式支腿的长度，使平台主体的作业面在着床过程和作业过程中保持水平，因此本实用新型水下平台能适应复杂海床面的勘探作业，获取的水下地层参数真实可靠。解决了勘探作业过程中平台倾斜可能产生的钻具径向扭力、机损及获取的地层数据失真等的问题。

(2)本实用新型还设置了通信模块，在作业母船上可以通过上位机对水下平台的状态和作业进行实时监控和远程控制。

(3)本实用新型水下平台采用模块化设计，便于运输；驱动采用推力大、体积小、重量轻、结构紧凑的液压传动方式。

附图说明

图1为本实用新型水下平台立体结构示意图。

图2为本实用新型水下平台作业状态下的剖切示意图。

图3为本实用新型水下平台的结构分解示意图。

图4为本实用新型水下平台硬件系统的组成框图。

图5为本实用新型水下平台施放过程的控制示意图。

图6为本实用新型水下平台自适应智能调平的过程示意图。

10脐带缆； 11平台主体； 12立杆； 13排水孔；

14基座横梁； 15吊耳； 16导向孔； 17螺栓；

18作业面； 19机架孔； 20机架座； 21可调式支腿；

22抱箍； 23桩靴； 25基座中心孔； 30平台罩盖；

32罩盖横梁； 33平台基座； 40钻杆接箍； 41钻杆；

42静力触探探头； 43十字板头； 44取土器； 45勘探设备；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；术语“取样”指采用取土器在软土中“取样”或“采样”，岩石中采用岩心钻头“取芯”，这里统称“取样”。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-3所示，本实用新型一种用于勘探取样或原位测试的水下平台包括一个平台主体11，平台主体11的底部设有一作业面18，作业面18用于安装勘探设备45，勘探设备45可以是用于水下的钻机或原位测试设备，根据作业需求安装。若作业需求是勘探取样，勘探设备45选用水下钻机，钻杆41下端安装用于取样的取土器44；若作业需求是原位测试软粘土不排水抗剪强度，则勘探设备45采用水下十字板剪切仪，钻杆41下端安装十字板头43；若需现场获取持力层深度、地基土承载力、砂性土液化等指标，则安装原位测试类别中的静力触探试验设备，在钻杆41下端安装静力触探探头42。总之，根据勘探设备45的类型安装与之配套的探头。作业面18上设置机架座20，勘探设备45安装在机架座20上，通过螺栓与机架座20上的机架孔19相连接。

在平台主体11的四周安装有多个可调式支腿21；可调式支腿21优选地由液压缸构成，液压缸的活塞杆向下延伸，活塞杆的下端设有桩靴23，通过活塞杆的伸长或缩短可以调节可调式支腿21的整体长度。液压缸的缸体由抱箍22固定在平台主体11上。当然，可调式支腿21也可以采用螺杆结构等可以伸缩的结构型式。

在本实用新型的一种优选方式中，平台主体11由平台基座33和平台罩盖30可拆卸连接而成。更优地，所述平台基座33为一长方体框架，而平台罩盖30为一四棱台形框架，平台罩盖30由罩盖横梁32、上盖板34和斜梁固定连接而成，上盖板34上设有多个吊耳15，脐带缆10上端穿过上盖板34与作业母船连接，上盖板34的中心设有导向孔16，导向孔16允许勘探设备45的钻杆41向上延伸，以便通过钻杆接箍40对钻杆进行加长。平台基座33由基座横梁14和立杆12固定连接而成，平台基座33的底部设有底板18，该底板18即构成上述平台主体的作业面18。勘探设备45安装在底板18上，底板18上设有基座中心孔25和多个排水孔13，基座中心孔25允许勘探设备45的钻杆41垂直向下延伸，排水孔13则有利于在施放过程中保持水下平台稳定，避免晃动。将罩盖横梁32与基座横梁14通过螺栓17固定连接，即构成平台主体11。

在平台主体11的内部还安装有密闭控制箱，密闭控制箱内设有数据采集模块、控制模块和通信模块等电路元器件，当然还可以包括为所述数据采集模块、控制模块和通信模块供电的电源模块。

如图4所示，数据采集模块包括用于测量作业面相对于水平面倾角的倾角传感器，倾角传感器的输出信号经过信号放大器传输到控制模块，倾角传感器优选为双轴倾角传感器；数据采集模块还包括用于测量可调式支腿压力值压力传感器，每个可调式支腿21上均设有压力传感器，压力传感器的输出信号经A/D转换后传输到控制模块，控制模块接收上述倾角传感器和压力传感器的信号，并发出控制指令，调节各可调式支腿的长度，使平台主体的作业面保持水平。比如，控制模块发出的控制指令，经过D/A转换和比例放大器放大后，控制电液换向阀，调节每个液压缸的伸长量，从而调节可调式支腿21的长度。控制模块还可以通过通信模块与作业母船上的上位机进行通信，将水下平台的状态信息上传到上位机，或者从上位机接收控制指令。为了便于实现作业母船与水下平台之间的通信，可以采用一根脐带缆10来连接作业母船与水下平台，脐带缆中除了包括与上位机连接的通信电缆外，还可以包括电力电缆，甚至还可以包括液压管线等连接手段。

本实用新型的控制模块中内置有软件控制系统，如图5所示，在水下平台的施放过程中，控制模块通过数据采集模块读取各条可调式支腿的压力值(a，b，c，d)，当可调式支腿压力小于阈值时，代表支腿未着地，则继续施放水下平台；若某条可调式支腿的压力大于阈值，则代表该条可调式腿已着地，控制模块通过数据采集模块开始采集倾角传感器的倾角值(X，Y)，并计算出平台作业面的倾角，当平台作业面的倾角大于阈值(n)，说明海床面是斜面(斜坡)，则水下平台停止施放，开始上提一段距离，然后更换勘察位置；若平台作业面的倾角小于阈值，则水下平台可继续下放，直至平台着地。平台着地后，若某条支腿的压力小于阈值，该腿判定为虚腿，则需调准(使该条支腿伸长)，若调准范围超过设定范围(比如超过液压缸的最大行程)，则更换勘察位置；如果各条支腿的压力都在正常范围内，表明水下平台已正常着地，施放过程终止，可以开始勘探作业了。

水下平台施放成功后，由于水下作业(取样或原位测试)时，海床上水流冲击、冲刷及设备振动，使得基于平台基座的设备产生倾角，控制模块将按一定的时间间隔(T)实施监测，以不间断方式智能化自动调平，确保水下平台上的勘探设备的勘探路径始终与海床面垂直。如图6所示，控制模块通过数据采集模块读取倾角值(X、Y)，采用最高点不动、低点“单向调节”调平算法，最低点X方向调平，然后最低点Y方向调平，调平后若有虚腿，则继续调平，否则调平结束。

下面对上述水下平台的使用方法进行说明，该方法包括以下步骤：

(1)安装：将上述水下平台各组成部件放置在集装箱或包装箱内，运输至勘探现场附近，组装成所述水下平台；常用的勘探设备有静力触探(贯入装置、水下触探仪)、十字板剪切(剪切仪、水下测力装置)、勘探取样(取土器，水下钻机)等，按需装在水下平台中，形成一套完整的水下平台。

(2)拖航：将安装好的水下平台，用作业母船(勘探船或升降式平台)拖航到指定的作业海域，采用锚泊定位或使升降式平台插桩定位固定。

(3)调试：通电，检查数据采集模块、控制模块、通信模块等各部件的运行状况，并观测上位机上显示信息，正常后复位。

(4)施放：利用作业母船上的吊车，通过穿在水下平台吊耳上的绳索，将水下平台与脐带缆一起从月池中缓缓放入水中，并逐级在钻杆接箍上旋紧钻杆进行加长；若水下勘察设备配有加钻杆系统，则施放水下平台时，由水下勘察设备自动实施加钻杆。

(5)监控：在水下平台(包括平台上各类设备)沉入至海床面的过程中，作业母船上的上位机会显示平台倾角、支腿压力值等参数，确保水下平台正常、平稳地在海床上着陆，并自动智能化实行调平。

(6)作业：启动水下平台上的勘探取样设备或原位测试设备，进行取样或测试作业，由于所需的地层物理与力学参数不同，选用针对性的勘探设备。一些勘探设备在作业过程中，产生的振动或海流冲刷等造成水下平台偏斜，控制模块将按照所设定的时间间隔不间断地从数据采集模块中获得信号，智能化自动实施调平，使作业面保持水平，使勘探取样或原位测试设备的钻杆、探头与海平面保持垂直入土，直至该作业点勘探完成。

(7)转场：完成一个作业点的取样或测试作业后，起吊转场，到达下一作业地点，重复上述步骤(3)～(6)，直至指定海域的作业任务全部完成。

本实用新型水下平台，适用各类勘探作业，用途广泛。作业现场安装，运输便利，基本达到一次装卸，就可完成整片区域的勘察取样或原位测试作业。本实用新型充分体现了模块化设计、运输便利和循环使用的环保理念；水下平台具备自适应智能调平功能，具有稳定性高、成本低等特点，依托本实用新型而开展海上各类勘察取样作业或原位测试，能为设计或研究提供符合国标、美标的岩土体物理及力学参数。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。