一种用于海底松软地质的防塌孔多层取样装置及方法与流程

本发明涉及海底地质勘探的，尤其涉及一种用于海底松软地质的防塌孔多层取样装置及方法，适用于部分海洋海底松软地质取样。

背景技术：

1、海底沉积物如同地球历史的天然档案库，通过保存完整的层序、生物化石和化学信号，能够揭示数百万年来的古气候演变、古环境变迁及重大地质事件，同时其中蕴含的矿产资源信息更对资源勘探具有战略意义。因此，如何实现对海底沉积物的高质量、低扰动取样，一直是海洋地质勘探领域的重要研究方向。

2、传统的海底钻探取样装置多采用旋转切割设备钻入海底土层，其对于部分海底松软沉积物并不适用，原因在于旋转切割设备在工作时易对沉积物产生扰动，导致无法采集到真实的原始样本，不利于样本分析。针对这一问题，现有技术中已有多种改进方案。

3、目前已公开的海底取样装置主要可分为两类。一类侧重于钻进过程中的防塌孔与钻进稳定性，其通过设置护筒对钻孔孔壁进行支撑，配合相应的扶正或减振机构降低钻杆摆动，以避免取样过程中孔壁坍塌。此类装置在一定程度上解决了松软地质条件下的塌孔问题，但其护筒与取样管通常为一体化联动结构，取样管在护筒内部完成钻进与取样后随护筒一同退出，在一次布放中仅能完成单次取样操作，无法满足同一站位多层逐次取样的需求。另一类侧重于样品的分层采集与保真，其通过取样筒贯入沉积物后对不同层位进行抽吸或利用负压原理实现采样。此类装置在孔隙水或沉积物的分层获取方面进行了有益探索，但多数仍为单次布放单次采样模式，且负压吸取方式在应用于松散的砂质沉积物时，易产生细颗粒优先吸入的分选效应，影响样品的代表性。此外，上述现有装置普遍采用单一功能架构，缺乏将防塌孔支护、取样容器的独立更换与多次取样、以及海底小范围行走定位三项功能有机集成的设计思路。

4、海底沉积物通常是随时间逐层堆积形成的，不同分层沉积物的内部组成可能存在显著差异，例如矿物成分、有机物类型、微体化石、生物群落等。因此在探索海底沉积物的过程中，最好是多次逐层分别取样，以还原其真实的堆积现象。然而，现有技术在应用于上述需求时往往难以达到预期效果，其受限于松软沉积物的地质特点，导致在取样过程中易出现塌孔现象，且难以在同一地区完成多次独立的分层取样操作。

5、此外，现有海底取样装置多采用单一功能架构或专注于钻进取样，或专注于孔隙水采集，缺乏将“防塌孔支护”、“可更换取样容器”、“海底小范围行走定位”三项功能有机集成的设计思路。当需要在同一海底小范围内完成多个深度层次的分层取样时，操作人员往往需要多次布放和回收取样装置，作业效率低、成本高，且每次布放的定位偏差会影响不同层次样品之间的空间对应关系。

技术实现思路

1、基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种用于海底松软地质的防塌孔多层取样装置及方法，与海上母船结合使用，经母船海上局部定位，将本装置下沉放入海底进行取样，可实现小范围多层取土，并且能与多船结合使用，无需单独船体，成本低廉。

2、为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：本发明的用于海底松软地质的防塌孔多层取样装置，包括：海下取样平台，包括机体部分、固定于机体部分下方的行进机构部分、连接在所述机体部分上方的抓取机构部分，用于在海底行走定位以及取土仓部分的存放与转运；海下取样装置，包括取土桩部分，经母船钢缆下放至预定站位，用于取土桩部分的贯入与取土仓部分的逐次取样；取土桩部分的桩体为中空筒状结构，其下端设有刃口，所述取土桩部分的外部设有稳定机构，所述稳定机构包括沿桩体的周向均匀分布的多个稳定支架，每个稳定支架的一端与在所述桩体的外壁设置的直线导轨上滑动的滑动块铰接，其另一端为自由端；所述取土桩部分的上部设有独立真空仓，独立真空仓的内部设有偏心振动机构，用于使取土桩部分整体产生高频低幅的振动，促使桩体下端的刃口逐步切入海底沉积物中，使桩体平稳插入地下；所述取土桩部分的内部设有下压机构，所述下压机构包括固定安装于取土桩部分内部的上端支架上的电机、与所述电机的输出轴连接的齿轮、与所述齿轮啮合连接的齿条，所述齿条沿竖直方向延伸，其下端固定连接有电磁铁；所述取土仓部分包括用于容纳采集的沉积物样品的仓体、固定于所述仓体上端的电磁体、设于所述仓体内部下端位置的闭合机构和设于所述仓体的外部并将桩体内壁上附着的浮土刮除并带出的清洁机构，所述电磁体通电后产生磁力并与所述下压机构下部的电磁铁异性磁极相吸。

3、优选的，所述闭合机构包括铰链和闭合片，闭合片为多片三角结构，多个闭合片通过铰链连接于仓体内壁的下端周缘，取土时闭合机构为打开状态，闭合片在重力或弹性元件作用下呈竖直贴合仓体内壁的状态，不阻碍沉积物进入；当完成取土后，通过铰链内置的扭簧驱动或电磁驱动，闭合片转动至水平状态，多个闭合片拼合形成封闭的圆形底面，将仓体底部封闭，防止样品在转移过程中脱落。

4、进一步的，所述清洁机构包括支撑棒和弹性布，支撑棒为多根沿仓体的外壁周向铰接的弹性杆件，支撑棒的自由端连接有环形的弹性布，弹性布套设于仓体的外壁并可沿外壁上下滑动；当取土仓部分从取土桩部分中取出时，支撑棒在自身弹性作用下向外张开，带动弹性布向外扩张并贴合于桩体的内壁，随着取土仓部分上提，弹性布紧贴桩体的内壁滑动，将桩体内壁上附着的浮土刮除并带出；桩体的中下部设有排土口，被弹性布带出的多余浮土可从该排土口处排出桩体的外部，从而保持桩体内部环境的清洁，减少残留浮土对下一次取样样品的污染干扰。

5、优选的，所述取土桩部分的上方侧壁设有取换开合仓，取换开合仓位于独立真空仓的下方、桩体侧壁开设的窗口处；所述取换开合仓包括开合仓、移动门和导轨，开合仓与桩体的侧壁融合为一体，其内部形成容纳空间，该容纳空间与桩体内部的中空区域通过移动门的开闭实现连通或隔离；所述导轨沿水平方向固定于开合仓的上下两侧，移动门嵌入导轨内，由微型电机驱动在导轨上水平滑动，从而实现开合仓窗口的打开和关闭；当需要放入或取出取土仓部分时，移动门打开，当进行取土操作时，移动门关闭，防止外部沉积物或海水进入桩体内部干扰取样。

6、进一步的，所述稳定支架通过弹簧与桩体连接，弹簧套设于直线导轨的外侧，其一端抵接于稳定支架，其另一端抵接于桩体上的限位凸台，从而在弹簧的弹力作用下使稳定支架的自由端始终具有向外张开并贴合地面的趋势；在取土桩部分下放过程中，稳定支架在弹簧作用下展开并贴合海底地面，对桩体形成多点支撑，当桩体在偏心振动作用下逐渐插入地下时，稳定支架的自由端在弹簧压力下始终保持与地面的紧密贴合，从而有效吸收振动反力，使取土桩部分整体保持竖直稳定的姿态，防止因偏心振动导致桩体倾斜。

7、进一步的，所述机体部分包括机箱和储水箱，储水箱的内部设有储水室，储水室的一端连接液压装置，液压装置的输出端连接活塞并驱动活塞在储水室内前后往复移动，从而实现给排水功能；储水室的另一端连接有给排水管，给排水管与机箱的进水口相连通，进水口的两端设有进水口滤网，对进入储水室的水流进行二次过滤，防止细小颗粒物进入液压系统造成磨损；所述液压装置驱动活塞向储水室的内部移动时，海水经进水口滤网进入进水口，再通过给排水管被吸入储水室，实现下沉配重，当活塞反向移动时，储水室内的海水经给排水管和进水口排出，实现上浮或姿态调整。

8、进一步的，所述行进机构部分通过旋转转向机构与机体部分连接，旋转转向机构包括由步进电机驱动的转动平台，可实现0°至120°范围内的水平旋转；所述旋转转向机构的下部固定有推进蜗杆，推进蜗杆由独立的防水电机驱动，其螺旋叶片旋转时与海底松软沉积物产生推进力，推进蜗杆固定于固定底座上，固定底座为平板式结构，增大与海底的接触面积，防止装置在松软地质上下陷；推进蜗杆配合旋转转向机构，使海下取样平台在海底松软地质条件下实现前进、后退及转向的自由移动操作。

9、进一步的，所述抓取机构部分包括机械臂和抓取稳定机构，机械臂的下端设有旋转底座，旋转底座与机箱连接，旋转底座内置伺服电机和减速器，使机械臂绕竖直轴线自由灵活旋转；所述机械臂为多关节结构，其前端设有夹爪，夹爪由微型舵机驱动，实现张开与闭合动作，用于夹取和转移取土仓部分；抓取稳定机构共设有八个，布局于机箱上部外壳的上部与下部，呈交错分布，每个抓取稳定机构包括一对可相向移动的夹持臂，夹持臂的内侧设有橡胶垫层；当机械臂从取土桩部分的取换开合仓中取出已完成取样的取土仓部分后，将其转移至抓取稳定机构上，抓取稳定机构的夹持臂相向移动锁死取土仓部分，防止装置运动过程中取土仓部分脱落或晃动。

10、相应的，本发明还提供了用于海底松软地质的防塌孔多层取样方法，采用上述的用于海底松软地质的防塌孔多层取样装置，其步骤为：

11、s1、海下取样平台经母船吊放至海面，液压装置驱动活塞吸水，储水室充水后装置下沉，海下取样装置经钢缆从母船绞车下放至同一站位附近；海下取样平台到达海底后，通过推进蜗杆与旋转转向机构的配合在海底松软地质表面移动至取样站位附近，与海下取样装置在海底会合并保持安全距离；

12、s2、取土桩部分下放至预定站位，稳定支架在弹簧作用下展开并贴合地面，而后启动偏心振动机构，偏心轮旋转产生振动，促使桩体下端的刃口逐渐切入海底地下，在振动贯入过程中稳定支架持续提供支撑与扶正，保证桩体以竖直姿态插入沉积物，桩体完全插入至预定深度后对周边松软沉积物形成支撑与围护，防止后续取样过程中出现塌孔；

13、s3、取换开合仓的移动门打开，机械臂从抓取稳定机构上取出一只空的取土仓部分，经取换开合仓的窗口放入取土桩部分的内部，移动门关闭，取土仓部分在桩体的内部下降至下压机构的工作位置，电磁铁通电与取土仓部分上端的电磁体吸附连接；此时闭合机构为闭合状态，闭合片呈水平封闭状，保持取土仓部分底部封闭以避免在下降过程中异物进入仓体，下压机构的电机驱动齿轮旋转，齿轮带动齿条向下运动，使取土仓部分沿桩体内部向下推进至预定取样深度，到达预定深度后闭合机构打开，闭合片转动至竖直状态，取土仓部分的底部敞开，继续下压一定距离后沉积物样品进入仓体，仓体内部原有的海水及间隙水从排水口排出，达到取样量后闭合机构再次闭合封闭仓体的底部，完成该深度层次的取样；

14、s4、而后下压机构的电磁铁断电，取土仓部分与下压机构分离，取换开合仓的移动门打开，机械臂从取土桩部分内部取出已完成取样的取土仓部分，转移至海下取样平台上空闲的抓取稳定机构上锁死固定，在此过程中清洁机构的支撑棒张开，弹性布贴合桩体的内壁将附着的浮土带出，多余浮土从桩体侧壁的排土口排出；取换开合仓移动门关闭，机械臂取用新的空取土仓部分经取换开合仓放入取土桩部分，电磁铁重新通电吸附，下压机构驱动新取土仓部分下降，本次下降深度较前一次增加预定间距，重复上述取土操作；通过反复多次更换取土仓部分并逐次增加下压深度，即可在同一站位完成不同深度层次的逐次取样，获得真实的层序样品序列；

15、s5、完成全部预定层次的取样后，海下取样平台通过储水室排水实现上浮，海下取样装置经钢缆由母船绞车回收，操作人员从抓取稳定机构上依次取下各取土仓部分，分别标记对应取样深度后取出各层沉积物样品进行分析。

16、由上，本发明的用于海底松软地质的防塌孔多层取样装置及方法的至少具有如下有益效果：

17、1. 多层取样能力强：通过海下取样平台与海下取样装置的协同配合，抓取机构可从取换开合仓中取出已完成取样的取土仓并转移至机体上的抓取稳定机构暂存，同时更换新的取土仓继续取样，实现同一地区多次多层逐次取样，有效还原沉积物真实的分层状态。

18、2. 防塌孔效果好：采用支护管配合偏心振动机构的设计，偏心轮旋转产生的振动促使支护管及刃口平稳插入海底地下，支护管对周边松软沉积物起到支撑与围护作用，有效防止取样过程中出现塌孔现象。

19、3. 适应松软地质能力强：海下取样平台底部设有蜗杆行走机构，配合可旋转转向机构，能够在海底松软地质条件下实现小范围自由移动与精确定位，适应不同区域的取样需求。

20、4. 取样过程低扰动：支护管预先插入地层形成隔离空间后，取土仓部分在隔离空间内完成取土操作，最大程度降低对沉积物样品的扰动，提高取样保真度。

21、5. 成本低廉、适用性广：本装置经母船投放后即可独立完成取样作业，无需配备专用取样船体，可与多种母船结合使用，大幅降低作业成本。