一种液体脉冲式水域砂源调查的装置的制作方法

本技术属于水运、水利、海洋等涉水工程砂源调查勘察领域，尤其涉及到一种液体脉冲式水域砂源调查的装置。

背景技术：

1、水运、水利、海洋等涉水工程中，经常要进行砂源调查。砂源调查的目的是调查水下砂源地的砂的颗粒粒径分布、颜色、密实度等指标。如沙滩用砂，需要知道砂的颗粒粒径分布和颜色；水上取砂施工，需要知道砂的密实度指标，评估砂的等级，预测施工费用。

2、现有的水下砂源调查的方法，最常见的是采用传统钻探机械钻孔取样的方法。传统方法存在的问题有：

3、钻孔作业期间需要抛多个锚定位，影响通航：传统钻探机械水上钻孔，需要在船上抛八字锚进行定位，下套管，然后钻探取样。对于通航密度大的水域，抛八字锚定位的适合时间比较少，影响钻探工作的进度；同时，一旦抛下八字锚进行作业，对通航有一定的影响。

4、传统钻探作业对天气、风浪等外界条件要求高：传统钻探作业，在内河小面积水域钻探，基本不受天气影响；在大江大河大湖大海中进行钻探作业，必须在6级风及以下才能作业，同时海上需要在高低平潮期水流流速较小的时候才能作业，否则，大风大浪将折断套管，影响钻机的水平稳定性，导致作业事故等。

5、传统钻探方法作业窗口时间少，劳动密集型，经济性差：传统钻探方法，水上钻探班组一般需要至少4～5人作业，属于劳动密集型产业。同时，作业窗口时间较少，尤其是外海钻探作业，受天气、洋流、潮汐的影响非常大，一般而言，在6级风及以下天气，船只抛锚后能够保持基本稳定，套管在无导向架辅助的前提下，只有高低平潮期才能够作业，涨潮流和落潮流期间流速最大，需暂停作业，日可工作的作业时间短，进度提不起来。因此，传统方法属于劳动密集型，经济性差。

6、传统作业方法需要下套管作业，对套管的依赖程度较高，效率低下：传统作业方法需要下套管作业，下套管一般需要在高平潮或者低平潮时或者潮流速度较小时才能够下放，否则流速较大的话，套管下放的过程中极易发生倾斜甚至折断。而一天24小时之内有两次高平潮和两次低平潮，基本白天和夜间各有一次，涨潮和落潮期间的流速特别大，水深较深的情况下(如水深大于10m)不适合下套管；一个月内初一和十五及左右3天，合计约15天，为大潮汛，大潮汛期间，流速特别大，也不太适合较深水深(如水深大于10m)的下套管作业。因此，传统钻探方法对存在套管依赖，套管应用场景狭小，存在折断概率，维护费用高。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本实用新型目的在于提供一种液体脉冲式水域砂源调查的装置。

2、为实现上述目的，本实用新型提供一种液体脉冲式水域砂源调查的装置的技术方案，包括船体结构、支撑结构、管线结构、钻进结构及控制系统；

3、所述船体结构包括船体、甲板、锚链及船锚，所述锚链与船锚连接并用于船体定位；

4、所述支撑结构通过支座及斜撑固定于甲板，其端部设导向件以引导管线结构；

5、所述管线结构包括管路、进水管、出砂管、进水箱及出砂箱，所述管路内置数据电缆，所述进水管与高压水泵连接以提供水流脉冲，所述出砂管与负压泵连接以回收砂样；

6、所述钻进结构包括贯入器、连管、制导端及脉冲管，所述脉冲管与进水管连通以产生驱动钻进的水流脉冲，所述制导端内集成传感器，包括垂直度传感器及力学参数测量元件；

7、所述控制系统包括电脑控制中心，所述电脑控制中心通过数据电缆接收传感器数据，并动态调节水流脉冲压力以实现钻进垂直度闭环控制。

8、进一步地，所述船体结构的锚链数量为1～2个，所述船锚用于基本固定船体位置，无需八字锚定位。

9、进一步地，所述支撑结构的导向件为定滑轮，所述支撑结构包括第一支座、第二支座及斜撑，所述斜撑中部铰接于第二支座。

10、进一步地，所述管线结构的进水管为四根并环绕数据电缆分布，所述出砂管呈环形环绕进水管，管线间填充高聚合物及高强钢丝，整体抗压强度≥200mpa，抗拉强度≥400mpa。

11、进一步地，所述钻进结构的脉冲管包含四股独立水流脉冲，所述水流脉冲通过高压水泵驱动，单股脉冲压力调节范围为0.5～2.5mpa，总压力恒定为3±

12、0.2mpa。

13、进一步地，所述制导端内置的垂直度传感器为mems双轴倾角传感器，采样频率≥100hz，所述力学参数测量元件包括端阻测量元件、侧阻测量元件及孔压消散传感器。

14、进一步地，所述连管为刚性圆管，所述连管一端与贯入器后端刚性连接，另一端设有外凸缘；所述制导端对应位置设有内凸缘，所述外凸缘与内凸缘匹配嵌套并相对活动连接，所述外凸缘与内凸缘之间配置有弹簧。

15、进一步地，所述制导端设置有腔室，以方便连管相对制导端往复运动，所述腔室被液压隔分割为四个独立液压腔，分别对应四股独立水流脉冲；所述腔室的侧壁设有四个与四个独立液压腔分别对应的出水口，所述出水口方向为制导端钻进反方向；所述贯入器设回水端，所述回水端设有与回水管连通的回水口，所述回水口面向出水口水流脉冲冲击方向，回吸被出水口冲击扩散的水和砂的混合物。

16、进一步地，所述回水管与所述出砂管连通，所述出砂管连接负压泵，通过电脑控制中心控制所述负压泵，即可控制回收砂样的采样时机及采样量。

17、进一步地，四股所述水流脉冲分别来自四根脉冲管，所述脉冲管连通进水管，所述进水管连接高压泵，所述高压泵具有四通道驱动器，所述四通道驱动器分别控制四股水流脉冲，通过电脑控制中心控制所述高压泵，即可调节各液压腔压力实现出水口水流脉冲的独立控制，进而控制制导端垂直钻进的垂直度。

18、进一步地，四股所述独立水流脉冲分别通过四个脉冲管出水口进入四个独立液压腔，所述出水口孔径小于脉冲管出水口孔径，保证液压腔内压力以推动制导端相对连管发生位移，所述液压腔水压随着水流脉冲影响增大或变小，推动制导端相对连管发生伸缩运动，最大伸缩行程≥500mm。

19、进一步地，所述连管外壁集成有深度传感器，用于实时监测钻进深度。

20、本实用新型与传统技术相比，实现的有益效果如下：

21、利用船体结构、支撑结构、管线结构和钻进结构，可以实现水上定位，自动钻进砂源内部，测量砂源的端阻、侧阻、孔隙水压力消散数据，采集砂源进行颗粒粒径分析；同时，电脑控制中心自动调整第一水流脉冲～第四水流脉冲来调整贯入器的垂直度，确保钻进的准确性，节约了人力投入，提高了钻进和砂源采集的效率，可大大提高水下砂源调查的准确性和效率，传统钻探班组需要4～5个劳动力+1名技术人员；本技术需要1个劳动力+1名技术人员；人力成本节约了50％以上；传统钻探班组下套管作业对水流速度要求高，不考虑大风天(即6级风以上天气)的每日24小时的时间利用率约25％，即有效利用时间为每日6小时，而利用该技术不考虑大风天的每日24小时的时间利用率为100％，即每日24小时均可作业，工作效率提升了4倍。

1.一种液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，包括船体结构、支撑结构、管线结构、钻进结构及控制系统；

2.根据权利要求1所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，所述船体结构的锚链数量为1~2个，所述船锚用于基本固定船体位置，无需八字锚定位。

3.根据权利要求1所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，所述管线结构的进水管为四根并环绕数据电缆分布，所述出砂管呈环形环绕进水管，管线间填充高聚合物及高强钢丝，整体抗压强度≥200mpa，抗拉强度≥400mpa。

4.根据权利要求1所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，所述钻进结构的脉冲管包含四股独立水流脉冲，所述水流脉冲通过高压水泵驱动，单股脉冲压力调节范围为0.5~2.5mpa，总压力恒定为3±0.2mpa。

5.根据权利要求1所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，所述制导端内置的垂直度传感器为mems双轴倾角传感器，采样频率≥100hz，所述力学参数测量元件包括端阻测量元件、侧阻测量元件及孔压消散传感器。

6.根据权利要求1所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，所述连管为刚性圆管，所述连管一端与贯入器后端刚性连接，另一端设有外凸缘；所述制导端对应位置设有内凸缘，所述外凸缘与内凸缘匹配嵌套并相对活动连接，所述外凸缘与内凸缘之间配置有弹簧。

7.根据权利要求6所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，所述制导端设置有腔室，以方便连管相对制导端往复运动，所述腔室被液压隔分割为四个独立液压腔，分别对应四股独立水流脉冲；所述腔室的侧壁设有四个与四个独立液压腔分别对应的出水口，所述出水口方向为制导端钻进反方向；所述贯入器设回水端，所述回水端设有与回水管连通的回水口，所述回水口面向出水口水流脉冲冲击方向，回吸被出水口冲击扩散的水和砂的混合物。

8.根据权利要求7所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，所述回水管与所述出砂管连通，所述出砂管连接负压泵，通过电脑控制中心控制所述负压泵，即可控制回收砂样的采样时机及采样量。

9.根据权利要求7所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，四股所述水流脉冲分别来自四根脉冲管，所述脉冲管连通进水管，所述进水管连接高压泵，所述高压泵具有四通道驱动器，所述四通道驱动器分别控制四股水流脉冲，通过电脑控制中心控制所述高压泵，即可调节各液压腔压力实现出水口水流脉冲的独立控制，进而控制制导端垂直钻进的垂直度。

10.根据权利要求8所述的液体脉冲式水域砂源调查的装置，其特征在于，四股所述独立水流脉冲分别通过四个脉冲管出水口进入四个独立液压腔，所述出水口孔径小于脉冲管出水口孔径，保证液压腔内压力以推动制导端相对连管发生位移，所述液压腔水压随着水流脉冲影响增大或变小，推动制导端相对连管发生伸缩运动，最大伸缩行程≥500mm。