[发明专利]一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统和方法

说明书

 技术领域

本发明属于河床探测采样技术领域，尤其是一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统和方法。

 背景技术

目前泥沙测验工作主要是对河床表层约5cm左右的沙样进行采取和试验，以获得泥沙颗粒级配组成情况。采样仪器多采用锚式采样器和丁字型采样器，个别情况也有直接用横式采样器在河床挖取沙样。这些采样仪器的主要问题在于，一是采样仪器为开放式的，采样过程对沙样扰动大，采样后仪器在提出水面前受水流冲刷，一部分泥沙被涮掉，采样结果不是完整的原状沙样；二是由于目前采样仅限于表层淤积泥沙，采样深度太浅，加之泥沙淤积的复杂性，所取采样样品的代表性值得商榷；三是缺乏采取深层淤积泥沙的仪器，使河床的淤积演变分析存在困难。在河床采样技术领域中，海底采样器研究应用起步较早，主要有抓斗式、箱式、冷冻式、重力式、振动式、钻取式等多种类型，海底采样仪器较为先进和成熟，设备及船只自动化程度高、工作性能好、配套实施全，在工作原理、设计方法、结构参数等方面能够为多泥沙河流河床采样有相似之处，但是价格昂贵，无法推广应用，目前缺乏针对多泥沙河流粗沙河床的深层取样设备。

 发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统和方法，可以准确获得多泥沙河流粗沙河床深层低扰动淤积泥沙样品，为准确分析粗沙河床淤积泥沙物化特性和更加深入分析研究水沙运移规律提供了一种新的技术手段。

本发明提供的一种多泥沙河流粗沙河床深层采样系统，其中，所述系统包括水下采样设备，所述水下采样设备包括振动夯实机构、支撑框架、云台、钻进机构、水下通信电缆，所述支撑框架包含底座和4条支撑脚；所述钻进机构包含钻进电机、钻管和采样管，所述钻进机构安装在所述云台上，所述振动夯实机构安装在所述云台上，所述云台通过螺旋机构与所述支撑框架的底座连接，所述螺旋机构由伺服电机驱动。

进一步，所述系统还包括加速度计，所述加速度计用于监测和判断所述水下采样设备在夯实过程中，支撑框架是否达到稳定。

进一步，所述系统还包括超声含沙量计，所述超声含沙量计用于测量所述水下采样设备周围水质的含沙量，当含沙量超过预设值时，所述钻进电机不启动或关闭。

进一步，所述伺服电机驱动螺旋机构，能够调整所述云台与所述支撑框架底座之间的夹角。

进一步，所述云台包含自锁功能，当所述云台与所述支撑框架底座之间的夹角达到设定范围时，所述云台能够启动自锁功能。

进一步，所述采样管内衬在所述钻管里，所述采样管的的内径不大于100mm。

本发明还提供了一种多泥沙河流粗沙河床深层采样方法，其中，所述方法包括如下步骤：

步骤一、当水下采样设备接触到河床后，启动振动夯实机构，采用振动夯实的方式将支撑脚扎入河底泥层，并利用加速度计监测水下采样设备的夯实过程，将4条支撑脚夯实在河底硬质泥层里并保持稳定姿态，根据加速度计的反馈信号判断支撑框架稳定后，关停振动夯实机构；

步骤二、启动钻进电机，钻管深入粗沙硬质河床进行钻进采样，根据底部触碰开关反馈信号，停止钻进电机工作；启动升降系统，将水下采样设备吊出水面并做好样品密封保存。

进一步，在所述步骤一之前，所述水下采样设备通过采样船只运行至测量区域，通过GPS接收机进行定位，确定采样点位置；通过水下测深仪确定采样点水深；利用升降设备将水下采样设备放入水中，通过水下通信电缆将所述水下采样设备的姿态、加速度、水中含沙量等信号传递回采样船只。

进一步，当所述水下采样设备呈倾斜状态时，采用伺服电机驱动螺旋机构调整云台与底座之间的夹角，使得所述水下采样设备达到水平状态。

进一步，所述水下采样设备在下落、稳定和采样过程中，采用超声含沙量计实时测量所述水下采样设备周围水质的含沙量，当超过预设值时，禁止钻进电机启动或关闭钻进电机。

与现有技术相比，本发明的积极效果包括：

（1）本发明采用振动夯实的方式将支撑框架的支撑脚扎入河底泥层，依靠采样设备自身重力和泥层对支撑脚的粘滞阻力保证钻进过程的整体稳定性，改变了目前采样器主要依靠自重保持稳定的工作方式，使得采样设备更加轻便，提升了采样作业的安全系数。

（2）云台是基于关节仿生原理设计，通过自锁功能锁死云台与支撑架构底座的连接，保证钻管垂直钻进，巧妙避免了不平河底对采样设备调平引起的困难，调整角度大，调整响应快，调整精度高。