一种用于水下定位的装置及定位方法与流程

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种用于水下定位的装置及定位方法，尤其是用于深水钻孔的定位技术领域。

背景技术

随着国家对生态环保要求愈加严格，众多已建成的水电站尤其是部分高坝电站，因库水超深（超过60m），底部库水水温常年处于低值，低温水下泄后影响下游河段水环境并对水生生物繁殖造成负面影响。由此需要采用工程措施提高下泄水温度。其中一种处理措施是在水库内设置悬挂式隔水幕布，例如公开号为cn104389297b的专利公开一种提高大型水库分层低温水的装置及方法，将水库下部低温水阻隔，从而使表层高温库水通过大坝或发电取水口下泄。该工程措施需要在水库中形成一道不透水幕墙，幕墙在水中保持稳定状态则需要底部深水地锚与表层浮力系统共同承受幕布所受水流推力。其中深水地锚施工需要在水库底部或库岸基岩部位设置锚杆，而锚杆的位置需要按设计布置锚孔位精确施工，由此引申出深水钻孔精确定位问题。此外，部分已建成面板堆石坝趾板补强灌浆等工程也存在灌浆孔水下定位问题。

已有深水钻孔定位一般采用水面放样，通过吊绳将钻孔坐标引入水底或采用潜水员潜入水下放样或者采用测斜仪测量导向套管偏斜度反算水下孔位等方式。以上各种定位方式存在如下问题：

1）吊绳方式：吊绳在库水中受水流影响无法保持铅锤状态，钻孔定位偏差很大。

2）潜水员水底放样：在库水超过一定深度（一般为60m）后，潜水员无法下潜或下潜难度很大，有效工作时间短。

3）测斜仪测量导向管倾斜角方式：精度差，偏斜方向不准确，耗时长。

由此可见，现有深水钻孔定位方式均存在定位精度差的问题，而锚杆孔定位偏差过大则直接影响幕布受力均匀性，可能导致幕布运行过程中失效。其他的水下施工工程中也不允许水下钻孔的误差太大。

技术实现要素：

本发明为解决现有的深水钻孔定位困难、不准确的问题，提供一种用于水下定位的装置及定位方法。具体技术方案如下。

一种用于水下定位的装置，其包括有水上平台、导向套筒、流体容纳部件、悬浮件、连接绳、对中部件和位置测定机构，所述导向套筒活动地设置在所述水上平台上，所述导向套筒相对于所述水上平台可自由摆动，所述导向套筒的顶端位于水面上方且设置有所述流体容纳部件，所述流体容纳部件的顶端具有敞口且所述敞口围绕所述导向套筒设置，所述流体容纳部件内具有流体，所述悬浮件悬浮在所述流体上且所述悬浮件横跨所述导向套筒顶端的开口，所述连接绳的一端连接在所述悬浮件位于所述开口上方的部位，所述连接绳的另一端与所述对中部件连接，所述对中部件用于使得所述连接绳的另一端趋于或位于所述导向套筒的中心，所述对中部件位于所述导向套筒内且靠近所述导向套筒的底端，所述导向套筒的底端位于水下，所述位置测定机构用于测量所述连接绳与悬浮件相连的一端的位置。

进一步地，所述对中部件为球形吊锤，所述导向套筒的内径与所述球形吊锤的外径之差小于等于4mm。或者所述对中部件卡接在所述导向套筒内，所述连接绳连接在所述对中部件的中心，所述对中部件的中心与所述导向套筒的轴心重合。

进一步地，所述流体容纳部件上设置有透明的防风罩，所述敞口、导向套筒顶端的开口和悬浮件均位于所述防风罩的内腔中。

进一步地，所述导向套筒的底端与水下地表之间的距离不大于1.5米。

进一步地，所述导向套筒的外表面上设置有两个垂直于导向套筒轴线的支撑轴，两个所述支撑轴关于所述导向套筒轴线对称，两个所述支撑轴活动地搁置在所述水上平台上。优选地，所述支撑轴的位置能够沿着所述导向套筒轴线的方向调整。

进一步地，所述流体优选为水。

进一步地，所述位置测定机构为全站仪，所述全站仪设置在岸边。

基于同一发明构思，本发明还涉及一种用于水下定位的定位方法，该方法采用上述的用于水下定位的装置，主要包括以下步骤：

1）、将所述导向套筒活动地设置在所述水上平台上，使得所述导向套筒的顶端位于水面上方，导向套筒的底端位于水下，且所述导向套筒处于悬挂状态能够相对于所述水上平台自由摆动；

2）、随着导向套筒的摆动趋于稳定，导向套筒趋于竖直状态，当位于导向套筒顶部的连接绳距离导向套筒中心的偏移量小于设定的偏移量时，使用所述位置测定机构测量所述连接绳与悬浮件相连的一端的位置；

3）、判断位置测定机构测量出位置是否属于预先设计的位置；

4）、如果位置测定机构测量出位置偏离了预先设计的位置，则调整水上平台的位置后进行上述步骤2）；如果位置测定机构测量出位置属于预先设计的位置，则固定水上平台的位置，完成水下位置的定位。

进一步地，所述步骤1）中还包括放置对中部件的步骤：对中部件为球形吊锤，所述连接绳的一端连接在所述悬浮件位于所述开口上方的部位，所述连接绳的另一端与所述球形吊锤连接，将球形吊锤放入导向套筒内，使得所述球形吊锤位于所述导向套筒内且靠近所述导向套筒的底端，所述连接绳处于绷紧状态。

进一步地，所述步骤1）中还包括放置对中部件的步骤：所述对中部件卡接在所述导向套筒内并随着所述导向套筒一起放入水中，所述连接绳的一端连接在所述悬浮件位于所述开口上方的部位，所述连接绳的另一端与所述对中部件连接，所述对中部件位于所述导向套筒内且靠近所述导向套筒的底端，所述连接绳处于绷紧状态。

本发明的工作原理为：当需要在深水下找到（定位）预先设计好的钻孔位置时，将水上平台移动至该钻孔位置的大致区域，导向套筒处于悬挂状态具有保持自然下垂的趋势，当其处于自然下垂（竖直状态）时，连接绳连接对中部件的一端处于导向套筒的中心（或趋于导向套筒的中心），由于处于导向套筒内的连接绳不会受到侧向（水平方向）的力，连接绳连接悬浮件的一端也会处于导向套筒的中心（或趋于导向套筒的中心），连接绳将导向套管底端的坐标投影到水面上，此时通过位置测定机构测量的连接绳与悬浮件相连的一端的位置，就可以得到对应深水下的位置信息，如果该位置偏离了预先设计的位置，则调整水上平台的位置后再次测量，直到找到预先设计的钻孔位置。需要说明的是，位置测定机构在测量连接绳与悬浮件相连的一端的位置时，并不需要等到连接绳连接悬浮件的一端完全处于导向套筒的中心，只要连接绳与导向套筒的中心之间的偏差在设定的误差范围内（该偏差越小说明导向套筒与竖直方向的夹角越小），就可以利用位置测定机构对连接绳的位置进行测量。

本发明具有以下有益效果。

1、导向套管能够为连接绳创造静水条件，避免了水的流动对连接绳的影响，提高了定位的精度；同时，可以使水下钻孔的大小限制在导向套管直径范围内，并在钻孔完成后可利用导向套管来引导锚杆系统进入钻孔内。

2、流体容纳部件上方设置防风罩，从而使悬浮件处于封闭状态，受外部因素如风、浪影响小，可以快速稳定从而实现快速测量与定位。

3、本发明的定位装置结构简单，利用现有的常规部件组装即可完成，定位精度高，可快速测量导向套管的偏差值与偏差方向，克服了现有技术中深水定位难度大、不准确的问题。

附图说明

图1为本发明的定位装置的示意图。

图2为本发明定位装置的导向套筒顶端部分的示意图；

图3为本发明定位装置的流体容纳部件变形例的示意图；

图4为本发明定位装置的导向套筒处于倾斜状态时的示意图。

图中：水上平台1、导向套筒2、流体容纳部件3、敞口31、内翻边32、悬浮件4、连接绳5、对中部件6、防风罩7、支撑轴8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1-4，一种用于水下定位的装置，其包括有水上平台1、导向套筒2、流体容纳部件3、悬浮件4、连接绳5、对中部件6和全站仪（未图示），所述导向套筒2活动地设置在所述水上平台1上，所述导向套筒2相对于所述水上平台1可自由摆动，所述导向套筒2的顶端位于水面上方且设置有所述流体容纳部件3，所述流体容纳部件3的顶端具有敞口31且所述敞口31围绕所述导向套筒2设置，所述流体容纳部件3内具有流体，所述悬浮件4悬浮在所述流体上且所述悬浮件4横跨所述导向套筒2顶端的开口，所述连接绳5的一端连接在所述悬浮件4位于所述开口上方的部位，所述连接绳5的另一端与所述对中部件6连接，所述对中部件6用于使得所述连接绳5的另一端趋于或位于所述导向套筒2的中心，所述对中部件6位于所述导向套筒2内且靠近所述导向套筒2的底端，所述导向套筒2的底端位于水下，所述全站仪设置在岸边用于测量所述连接绳5与悬浮件4相连的一端的位置。

所述导向套筒2为直管，其底端与水下地表（库底）之间的距离不大于1.5米；优选地，所述该距离为1米，导向套筒2的底端离水下地表越近，定位越精确，但是该距离太小又容易导致导向套筒2碰触到水下地表（库底），使得无法定位深水下方的位置。

所述导向套筒2的外表面上设置有两个垂直于导向套筒轴线的支撑轴8，两个所述支撑轴8关于所述导向套筒轴线对称，两个所述支撑轴8活动地搁置在所述水上平台1上，使得导向套筒2可相对于水上平台1自由摆动，由于导向套筒2位于水下部分的重量较大，导向套筒2会自然倾向处于竖直状态。优选地，所述支撑轴9的位置能够沿着所述导向套筒轴线的方向调整，便于调整导向套筒2水下部分的长度，以适应不同深度水域的定位。需要说明的是，导向套筒2也可以通过其他的方式设置在水上平台1上，只要导向套筒2可相对于水上平台1只有摆动即可。

所述流体容纳部件3用于容纳流体，该流体优选为水，所述流体容纳部件3上设置有透明的防风罩7，所述敞口、导向套筒2顶端的开口和悬浮件4均位于所述防风罩7的内腔中，防风罩7可采用透明亚克力制成；悬浮件4受到连接绳5的牵引在该流体上自由漂移。流体容纳部件3的形状不限制，只要其敞口31围绕所述导向套筒2设置即可，比如：流体容纳部件3为圆环状的桶，该桶的内圈具有内翻边32，内翻边32搁置在导向套筒2的顶端以达到固定流体容纳部件3的效果（参见图3）。但是，本领域技术人员可以理解的，该流体容纳部件3也可以通过焊接等其他常规固定方式固定在导向套筒2上。该悬浮件4在流体上漂移时不与流体容纳部件3的侧壁碰触，悬浮件4优选为透明材料，如：透明亚克力材质。悬浮件4的形状可以是圆筒状，圆筒状的悬浮件4围绕着导向套筒2顶端，连接绳5的一端连接在所述悬浮件4位于所述开口上方的部位；或者悬浮件4包括两个或两个以上的浮体和连接全部浮体的连接件，全部的浮体围绕导向套筒2顶端分布，连接件位于导向套筒2顶端开口的上方，连接绳5的一端与该连接件相连。

所述对中部件6为球形吊锤，所述导向套筒2的内径与所述球形吊锤的外径之差小于等于4mm，该球形吊锤将连接绳5绷直。可选地，所述对中部件6的形状不限制，所述对中部件6卡接在所述导向套筒内，例如：通过两个或两个以上的卡接部抵接在导向套筒2的内壁上，所述连接绳5连接在所述对中部件6的中心，所述对中部件6的中心与所述导向套筒2的轴心重合。对中部件6的作用是确保与对中部件6连接的连接绳5处于或者趋于导向套筒2的轴心。这样，当导向套筒2处于竖直状态时，连接绳5连接悬浮件4的一端也处于或者趋于导向套筒2的轴心，此时测量连接绳5连接悬浮件4的一端的位置即可准确地得出深水下方导向套筒2底端对应的位置。

本发明的工作原理为：当需要在深水下找到（定位）预先设计好的钻孔位置时，将水上平台移动至该钻孔位置的大致区域，导向套筒2处于悬挂状态具有保持自然下垂的趋势，当其处于自然下垂（竖直状态）时，连接绳5连接对中部件6的一端处于导向套筒2的中心（或趋于导向套筒的中心），由于处于导向套筒2内的连接绳5不会受到侧向（水平方向）的力，连接绳5连接悬浮件4的一端也会处于导向套筒2的中心（或趋于导向套筒的中心），此时通过全站仪测量的连接绳与悬浮件相连的一端的位置，就可以得到对应深水下的位置信息，如果该位置偏离了预先设计的位置，则调整水上平台的位置后再次测量，直到找到预先设计的钻孔位置。需要说明的是，全站仪在测量连接绳与悬浮件相连的一端的位置时，并不需要等到连接绳连接悬浮件的一端完全处于导向套筒的中心，只要连接绳5与导向套筒2的中心之间的偏差l在设定的误差范围内（该偏差越小说明导向套筒与竖直方向的夹角越小），就可以利用全站仪对连接绳的位置进行测量。

基于同一发明构思，本发明还涉及一种用于水下定位的定位方法，该方法采用上述的用于水下定位的装置，主要包括以下步骤：

1）、将所述导向套筒2活动地设置在所述水上平台1上，使得所述导向套筒2的顶端位于水面上方，导向套筒2的底端位于水下，且所述导向套筒2处于悬挂状态能够相对于所述水上平台1自由摆动；

2）、随着导向套筒2的摆动趋于稳定，导向套筒2趋于竖直状态，当位于导向套筒2顶部的连接绳5距离导向套筒2中心的偏移量l小于设定的偏移量时，使用所述全站仪测量所述连接绳5与悬浮件4相连的一端的位置；

3）、判断全站仪测量出位置是否属于预先设计的位置；

4）、如果全站仪测量出位置偏离了预先设计的位置，则调整水上平台的位置后进行上述步骤2）；如果全站仪测量出位置属于预先设计的位置，则固定水上平台的位置，完成水下位置的定位。其中，当全站仪测量的位置与预先设计的位置偏移超过了设定的误差范围，则认定全站仪测量出位置偏离了预先设计的位置；当全站仪测量的位置与预先设计的位置偏移处于设定的误差范围之内，则认定全站仪测量出位置属于预先设计的位置。

进一步地，所述步骤1）中还包括放置对中部件的步骤：对中部件为球形吊锤，所述连接绳的一端连接在所述悬浮件位于所述开口上方的部位，所述连接绳的另一端与所述球形吊锤连接，将球形吊锤放入导向套筒内，使得所述球形吊锤位于所述导向套筒内且靠近所述导向套筒的底端，所述连接绳处于绷紧状态。

进一步地，所述步骤1）中还包括放置对中部件的步骤：所述对中部件卡接在所述导向套筒内并随着所述导向套筒一起放入水中，所述连接绳的一端连接在所述悬浮件位于所述开口上方的部位，所述连接绳的另一端与所述对中部件连接，所述对中部件位于所述导向套筒内且靠近所述导向套筒的底端，所述连接绳处于绷紧状态。

本实施例依托某水电站低温水处理工程。某水电站低温水治理采用隔水幕墙方式，主要工程包括岸基索塔、隔水幕墙、水上浮箱系统、水下锚固系统等。其中水下锚固系统采用岩基地锚。地锚设计抗拉强度600kn，锚杆杆体采用高强螺纹钢。本工程锚杆孔共布置45个，孔距8m，最大水下深度120m。造孔采用声波钻机配合螺杆钻具实施，导向套管内径φ178mm，锚杆孔直径φ130mm。由于考虑到隔水幕布整体受力条件复杂，为保证幕布受力尽量符合设计，要求锚杆孔实际孔位偏差不得大于20cm。本实施例经验收后认定，锚杆孔孔位偏差全部处于设计范围内，能够满足工程要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。