一种岩土工程水下钻探定位系统、定位方法、设备及介质与流程

本发明涉及岩土工程钻探，具体而言，涉及一种岩土工程水下钻探定位系统、定位方法、设备及介质。

背景技术：

1、在水利水电工程中，水库库区水下岩土勘察、水下帷幕灌浆施工，需要在水下库底岩面完成高精度钻孔作业。这类水下钻孔作业通常需要在数米至数十米深的水下环境中将钻具定位至预设孔位进行钻进，其孔位偏差往往被要求控制在厘米级甚至更小的范围内，否则将直接影响岩土分层界面的准确识别或导致灌浆孔无法形成有效的搭接帷幕，从而对工程质量和安全造成隐患。

2、现有水下钻孔施工方式主要分为浮船搭载钻机直接下放钻孔、潜水员辅助放样钻孔、简易水下机架钻孔三类。其中，浮船搭载钻机的方式是将钻机安装在浮船上，通过锚泊系统将浮船大致定位于作业区域后直接将钻杆下放至水底进行钻进；潜水员辅助放样方式是由潜水员携带定位设备下水，在水底标示出钻孔位置后再由水面设备进行钻进作业；简易水下机架方式是将带有导向套管的机架从水面吊放至水底，机架依靠自身重力坐底后，钻杆沿机架上的导向套管下放至岩面开孔钻进。上述方式在实际工程应用中均存在以下缺点与不足：（1）水上浮式作业平台受风浪、库区水流作用会产生水平漂移，卫星定位只能获取水上平台位置，无法直接反映水下钻孔开孔点真实位置，而水下机架会随水体晃动发生位移，导致钻孔孔位偏移，且偏移量往往过大，无法满足水库岩土勘察、帷幕灌浆钻孔的孔位精度指标；（2）水下库底岩土面起伏不均，机架下放后易发生倾斜，进而导致钻杆产生侧向偏移，若直接将水上坐标当作水下开孔坐标，则会产生孔位误差。

3、基于此，本领域需要一种能够对水下机架的实际位置进行精确感知和主动调节的钻探定位系统，以克服上述现有方式中因水面坐标漂移和机架倾斜所导致的定位精度不足的技术缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种岩土工程水下钻探定位系统、定位方法、设备及介质，以解决背景技术中所指出的技术问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：一种岩土工程水下钻探定位系统，包括浮台、机架、卫星定位单元、声学探测单元、控制单元以及姿态感知单元，所述机架吊装在浮台的底面，所述卫星定位单元、声学探测单元与姿态感知单元均与控制单元通信相连；

3、所述声学探测单元由信标与接收换能器组成，用于获取机架与浮台之间的声学偏移量，其中，所述信标与姿态感知单元安装在机架上，所述接收换能器、卫星定位单元与控制单元安装在浮台上，所述卫星定位单元用于获取浮台二维坐标；

4、所述姿态感知单元由水深传感器与倾角传感器组成，用于获取机架所处位置的水深以及机架水平方向的倾角，所述机架的底面还分布有若干可伸缩的锚脚杆；

5、所述控制单元被配置为，基于所述浮台二维坐标、声学偏移量、水深以及倾角确定总定位误差，并在所述总定位误差大于预设误差阈值时生成锚脚杆调节指令，驱动所述锚脚杆的控制设备进行调整。

6、根据一种优选实施方式，所述机架上配置有套筒，所述套筒沿竖直方向布设，所述套筒内由上往下设有顺次相连的钻具进给机构、进给油缸、钻机与钻杆。

7、根据一种优选实施方式，所述机架上还设置有位移传感器，所述位移传感器用于获取钻杆进给量，所述位移传感器与控制单元通信相连。

8、根据一种优选实施方式，所述锚脚杆的下端设有承压垫。

9、根据一种优选实施方式，所述卫星定位单元为rtk-gps定位设备。

10、本发明还提供一种基于上述岩土工程水下钻探定位系统的岩土工程水下钻探定位方法，包括如下步骤：

11、将搭载了机架的浮台移动至作业区域，并在移动过程中利用卫星定位单元获取浮台二维坐标，在浮台移动至预设孔位坐标正上方时下放机架；

12、利用声学探测单元获取机架与浮台之间的声学偏移量，利用所述水深传感器获取机架所处位置的水深，以及利用所述倾角传感器获取机架水平方向的倾角；

13、基于所述浮台二维坐标、声学偏移量、水深以及倾角确定总定位误差，并在所述总定位误差大于预设误差阈值时生成锚脚杆调节指令，驱动所述锚脚杆进行伸缩调整。

14、根据一种优选实施方式，基于所述浮台二维坐标、声学偏移量、水深以及倾角确定总定位误差的具体过程如下：

15、基于所述机架相对于浮台在水平方向的声学偏移量，计算得到声学传播误差，表达式如下：

16、

17、上式中，表示声学传播误差；

18、基于所述水深与机架水平方向的倾角，计算得到机架的水平偏移量，表达式如下：

19、

20、

21、

22、上式中，表示机架的水平偏移量，表示机架在轴方位的水平偏移量，表示机架在轴方位的水平偏移量，表示水面至开孔点的垂直水深，表示轴方位的倾角，表示轴方位的倾角；

23、基于所述浮台二维坐标、声学偏移量、水深以及倾角，计算得到开孔三维坐标，表达式如下：

24、

25、上式中，、与表示开孔三维坐标，与表示浮台二维坐标，与表示机架相对于浮台在水平方向的声学偏移量，表示水面高程；

26、基于所述开孔三维坐标与预设坐标，计算得到平面定位误差，表达式如下：

27、

28、上式中，表示平面定位误差，与表示预设孔位坐标；

29、基于所述声学传播误差、水平偏移量与平面定位误差，计算得到总定位误差，表达式如下：

30、

31、上式中，表示总定位误差。

32、根据一种优选实施方式，方法还包括，利用位移传感器获取钻杆进给量，基于所述钻杆进给量对钻孔深度进行补偿。

33、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的岩土工程水下钻探定位方法。

34、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的岩土工程水下钻探定位方法。

35、本发明所提供的一种岩土工程水下钻探定位系统、定位方法、设备及介质的技术方案至少具有如下优点和有益效果：（1）通过获取机架相对于浮台在水平方向的声学偏移量，从而可对浮台因风浪和水流作用产生的水平漂移进行修正，使水下机架的实际平面位置能够被精确获取，有效避免了因将水面坐标直接等同于水下开孔坐标而产生的孔位偏差，提升了水下钻孔开孔点在水面浮动条件下的定位精度；（2）通过获取机架所处位置的水深和水平方向的倾角，从而能够根据水深和倾角计算机架倾斜所导致的水平偏移量，并对开孔坐标进行相应的倾角修正，有效消除了因水下库底岩面起伏不均导致机架倾斜所引起的钻杆侧向偏移误差，进一步提升了水下钻孔的定位精度；（3）通过在机架底面分布若干可伸缩的锚脚杆，并在总定位误差大于预设误差阈值时由控制单元生成锚脚杆调节指令驱动其伸缩调整，使得机架在坐底后能够根据实时检测到的定位误差进行主动调节，从而可使机架的实际位置向预设孔位收敛，提升了水下钻探定位的闭环控制能力和工程适应性。