配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统及其布放方法

摘要

本发明提供了一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统，包括配重系统和探杆系统，配重系统包括钢管、提头、限位环、配重盘和第一承台；探杆系统分为上下两部分，探杆系统的上部为上部探杆，上部探杆顶端固定装有第二承台，上部探杆的内部中空并装有浮球、缆绳和多通道数据采集仪，探杆系统的下部为下部探杆，下部探杆由若干个杆体组成，下部探杆的底端安装触探探头，每个杆体之间通过法兰接头组装，上部探杆与下部探杆之间设置有止位盘；法兰接头内部安装孔压传感器，第一承台和第二承台之间通过扳机连接。通过本发明的技术方案，可以实现贯入深度控制、探杆长度调整、获取土体参数、全程自动化、数据无线传输。

权利要求

1.一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统，包括配重系统（1）和探杆系统（2），其特征在于,所述配重系统(1)包括钢管（1‑1），钢管（1‑1）顶端安装有提头（1‑2），钢管（1‑

1）下部固定安装限位环（1‑3），提手（1‑2）与限位环（1‑3）之间的钢管（1‑1）上套有配重盘（1‑4），钢管（1‑1）底端固定装有第一承台（1‑5）；

所述探杆系统（2）分为上下两部分，探杆系统（2）的上部为上部探杆（4），上部探杆（4）顶端固定装有第二承台（4‑1），上部探杆（4）的内部中空并装有浮球（5）、缆绳（6）和多通道数据采集仪（7），缆绳（6）的一端连接在多通道数据采集仪（7）顶端，缆绳（6）的另一端连接在浮球（5）上，浮球（5）中安装4G通讯模块，缆绳（6）内装有通讯线缆将浮球（5）中的4G通讯模块和多通道数据采集仪（7）通讯连接，探杆系统（2）的下部为下部探杆（8），下部探杆（8）由若干个杆体（9）组成，下部探杆（8）的底端安装触探探头（11），每个杆体（9）之间通过法兰接头（10）组装，上部探杆（4）与下部探杆（8）之间设置有止位盘（12）；

所述法兰接头（10）内部设有左空腔（10‑1）和右空腔（10‑2），左空腔（10‑1）贯穿法兰接头（10），右空腔（10‑2）内安装孔压传感器（13），孔压传感器（13）通过在左空腔（10‑1）杆体（9）内部走线连接至多通道数据采集仪（7），法兰接头（10）的侧壁上设置有通孔（10‑3），通孔（10‑3）与右空腔（10‑2）底端的孔压传感器（13）探头联通，通孔（10‑3）上安装有透水石（14）；

所述第一承台（1‑5）和第二承台（4‑1）之间通过扳机（3）连接，扳机（3）由两条L形扳机组成，扳机（3）的上部安装铁条（3‑1），铁条（3‑1）搭扣在第一承台（1‑5）上，扳机（3）的中部贯穿旋转杆（3‑2），旋转杆（3‑2）安装在第二承台（4‑1）上,第一承台（1‑5）的形状为圆形，第一承台（1‑5）对称两侧分别设有与扳机（3）宽度相匹配的凹槽（3‑3），凹槽（3‑3）的上表面中部设有与铁条（3‑1）尺寸相匹配的铁条凹槽（3‑4），扳机（3）绕旋转杆（3‑2）旋转角度为0°至

90°。

2.根据权利要求1所述的一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统,其特征在于,所述第一承台（1‑5）尺寸小于第二承台（4‑1）。

3.根据权利要求1所述的一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统,其特征在于,所述第二承台（4‑1）的形状为圆形。

4.如权利要求1‑3任一项所述的一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统的布放方法,其特征在于,具体步骤如下：

步骤（1）：在甲板上将孔压传感器（13）安装至法兰接头（10）内，同时通过法兰接头（10）将多根杆体（9）组装起来，最终将孔压传感器（13）连接至多通道数据采集仪（7）将探杆系统（2）组装起来；

步骤（2）：根据不同的海床底质类型选择合适数量的配重盘（1‑4），添加至配重系统（1），通过扳机（3）将配重系统（1）和探杆系统（2）连接起来；

步骤（3）：通过绞车将配重系统（1）和探杆系统（2）提至监测点水面上方一定距离，然后绞车自由下放配重系统（1）和探杆系统（2），探杆系统（2）在配重系统（1）作用下贯入一定距离后留在海底，此时扳机（3）自动打开，配重系统（1）和探杆系统（2）自动分离，通过绞车将配重系统（1）回收至甲板；此时浮球（5）上浮至水面，对探杆系统（2）进行定位，同时将监测数据进行远程传输；

步骤（4）：待监测系统完成监测任务后，通过对浮球（5）定位，绞车可将探杆系统（2）回收至甲板，完成探杆系统（2）的回收。

说明书

配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统及其布放方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海床压力监测技术领域，具体而言，特别涉及一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统及其布放方法。

背景技术

[0002] 在波浪动力作用下海床沉积物内部孔隙水压力不断地发生动态变化,孔隙水压力的动态累积会导致海床沉积物有效正应力下降,容易导致海床液化及海床侧向变形甚至诱
发海底滑坡。孔隙水压力原位观测能够有效的反映海底动力地质过程,对于研究海床沉积
物在波浪等水动力作用下的动态响应具有重要意义,同时对于地质灾害的有效预测防治起
到重要的作用。

[0003] 在滩浅海进行海床孔隙水压力原位测试中,会遇到孔压计安装、布放等问题,孔压计的安装、布放方法会对实际孔压产生不同程度的影响。在滩浅海地区进行孔压原位观测
时,孔压计的埋设方法一般采用钻孔法、静力压入法。在实际布放过程中,钻孔法要求孔隙
水压力观测系统布放过程中提供钻机,使得孔隙水压力观测成本增高,同时采用钻孔埋设
法,通常需要跟进套管或进行泥浆护壁,以避免成孔过程中出现缩孔或坍塌,这种方法操作
繁琐。静力压入法往往需要提供巨大的反压,使得布放操作复杂,同时伴有一定的安全隐
患。

发明内容

[0004] 为了弥补现有技术的不足，针对各种不同底质的海床，本发明提供了一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统及其布放方法，该系统可根据不同海床进行孔压监测，
整个系统在布放回收过程中实现自动化操作，安全方便。

[0005] 本发明是通过如下技术方案实现的：一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统，包括配重系统和探杆系统，其中，配重系统包括钢管，钢管顶端安装有提头，钢管下部固
定安装限位环，提手与限位环之间的钢管上套有配重盘，钢管底端固定装有第一承台；

[0006] 探杆系统分为上下两部分，探杆系统的上部为上部探杆，上部探杆顶端固定装有第二承台，上部探杆的内部中空并装有浮球、缆绳和多通道数据采集仪，缆绳的一端连接在
多通道数据采集仪顶端，缆绳的另一端连接在浮球上，探杆系统的下部为下部探杆，下部探
杆由若干个杆体组成，下部探杆的底端安装触探探头，每个杆体之间通过法兰接头组装，上
部探杆与下部探杆之间设置有止位盘；

[0007] 法兰接头内部设有左空腔和右空腔，左空腔贯穿法兰接头，右空腔内安装孔压传感器，孔压传感器通过在左空腔杆体内部走线连接至多通道数据采集仪，法兰接头的侧壁
上设置有通孔，通孔与右空腔底端的孔压传感器探头联通，通孔上安装有透水石；

[0008] 第一承台和第二承台之间通过扳机连接，扳机由两条L形扳机组成，扳机的上部安装铁条，铁条搭扣在第一承台上，扳机的中部贯穿旋转杆，旋转杆安装在第二承台上,第一
承台的形状为圆形，第一承台对称两侧分别设有与扳机宽度相匹配的凹槽，凹槽的上表面
中部设有与铁条尺寸相匹配的铁条凹槽。

[0009] 作为优选方案，浮球中安装4G通讯模块。

[0010] 进一步地，缆绳内装有通讯线缆将浮球中的4G通讯模块和多通道数据采集仪通讯连接。

[0011] 作为优选方案，第一承台尺寸小于第二承台。

[0012] 作为优选方案，第二承台的形状为圆形。

[0013] 作为优选方案，扳机绕旋转杆旋转角度为0°至90°。

[0014] 一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统的布放方法,具体步骤如下：

[0015] 步骤（1）：在甲板上将孔压传感器安装至法兰接头内，同时通过固定螺丝将多根杆体组装起来，最终将孔压传感器连接至多通道数据采集仪将探杆系统组装起来；

[0016] 步骤（2）：根据不同的海床底质类型选择合适数量的配重盘，添加至配重系统，通过扳机将配重系统和探杆系统连接起来；

[0017] 步骤（3）：通过绞车将配重系统和探杆系统提至监测点水面上方一定距离，然后绞车自由下放配重系统和探杆系统，探杆系统在配重作用下贯入一定距离后留在海底，此时
扳机自动打开，配重系统和探杆系统自动分离，通过绞车将配重系统回收至甲板；此时通讯
浮球上浮至水面，对探杆系统进行定位，同时将监测数据进行远程传输；

[0018] 步骤（4）：待监测探杆完成监测任务后，通过定位浮球，绞车可将探杆系统回收至甲板，完成探杆系统的回收。

[0019] 本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：

[0020] 1、贯入深度控制：针对底质不同的海床，通过配重系统增减配重块，来实现孔隙水压力探杆的贯入。同时设置止位盘，保证探杆在监测过程中不会发生后续较大的沉降。

[0021] 2、探杆长度调整：整个探杆通过若干个杆体及法兰接头组装而成，可以根据不同的监测深度和监测密度需求设置不同长度和不同数量的杆体和法兰接头。

[0022] 3、获取土体参数：触探探头在探杆贯入海床过程中，通过锥端阻力和侧摩阻力，可对海床土体强度进行测试。

[0023] 4、全程自动化：配重系统通过扳机结构与孔隙水压力探杆进行连接，利用绞车将配重及探杆贯入海床中，待探杆坐底后，扳机结构自动打开，通过绞车对配重系统进行回
收，同时实现安放的通讯浮球自动上浮对孔压探杆进行定位。待监测结束后，通过浮球将探
杆进行回收。整个过程中自动化操作。

[0024] 5、数据无线传输：多通道数据采集仪中的数据通过线缆传输到浮球，浮球中安装4G通讯模块进行远程数据传输，可进行原位实时数据传输。待监测完成后对监测探杆进行
回收。

[0025] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0026] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0027] 图1为本发明的结构示意图；

[0028] 图2为法兰接头的结构示意图；

[0029] 图3为扳机的结构示意图；

[0030] 图4为第一承台的俯视结构示意图；

[0031] 图5为孔压探杆布放流程示意图；

[0032] 图6为配重系统的结构示意图，

[0033] 其中，图1至图6中附图标记与部件之间的对应关系为：

[0034] 1配重系统，2探杆系统，3扳机，4上部探杆，5浮球，6缆绳，7多通道数据采集仪，8下部探杆，9杆体，10法兰接头，11触探探头，12止位盘，13孔压传感器，14透水石，1‑1钢管，1‑2
提头，1‑3限位环，1‑4配重盘，1‑5第一承台，3‑1铁条，3‑2旋转杆,3‑3凹槽，3‑4铁条凹槽，4‑
1第二承台，10‑1左空腔，10‑2右空腔，10‑3通孔。

具体实施方式

[0035] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施
例及实施例中的特征可以相互组合。

[0036] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具
体实施例的限制。

[0037] 下面结合图1至图6对本发明的实施例的配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统及其布放方法进行具体说明。

[0038] 如图1至图6所示，本发明提出了一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统，包括配重系统1和探杆系统2，其中，配重系统1包括钢管1‑1，钢管1‑1顶端安装有提头1‑2，
钢管1‑1下部固定安装限位环1‑3，提手1‑2与限位环1‑3之间的钢管1‑1上套有配重盘1‑4，
钢管1‑1底端固定装有第一承台1‑5；

[0039] 探杆系统2分为上下两部分，探杆系统2的上部为上部探杆4，上部探杆4顶端固定装有第二承台4‑1，上部探杆4的内部中空并装有浮球5、缆绳6和多通道数据采集仪7，缆绳6
的一端连接在多通道数据采集仪7顶端，缆绳6的另一端连接在浮球5上浮球5中安装4G通讯
模块。缆绳6内装有通讯线缆将浮球5中的4G通讯模块和多通道数据采集仪7通讯连接，可进
行原位实时数据传输。探杆系统2的下部为下部探杆8，下部探杆8由若干个杆体9组成，下部
探杆8的底端安装触探探头11，在探杆贯入海床过程中，可对海床土体强度进行测试。每个
杆体9之间通过法兰接头10组装，可以根据不同的监测深度和监测密度需求设置不同长度
和不同数量的杆体和法兰接头。上部探杆4与下部探杆8之间设置有止位盘12，保证探杆在
监测过程中不会发生后续较大的沉降。

[0040] 法兰接头10内部设有左空腔10‑1和右空腔10‑2，左空腔10‑1贯穿法兰接头10，右空腔10‑2内安装孔压传感器13，孔压传感器13通过在左空腔10‑1杆体9内部走线连接至多
通道数据采集仪7，法兰接头10的侧壁上设置有通孔10‑3，通孔10‑3与右空腔10‑2底端的孔
压传感器13探头联通，通孔10‑3上安装有透水石14，保证能监测到该位置的孔隙水压力，又
不至于被杂质堵塞。

[0041] 第一承台1‑5和第二承台4‑1之间通过扳机3连接，扳机3由两条L形扳机组成，扳机3的上部安装铁条3‑1，铁条3‑1搭扣在第一承台1‑5上，扳机3的中部贯穿旋转杆3‑2，旋转杆
3‑2安装在第二承台4‑1上,第一承台1‑5的形状为圆形，第一承台1‑5对称两侧分别设有与
扳机3宽度相匹配的凹槽3‑3，凹槽3‑3的上表面中部设有与铁条3‑1尺寸相匹配的铁条凹槽
3‑4。第一承台1‑5尺寸小于第二承台4‑1。第二承台4‑1的形状为圆形。扳机3绕旋转杆3‑3旋
转角度为0°至90°。配重系统1通过扳机3与探杆系统2进行连接，利用绞车将配重系统1及探
杆系统2贯入海床中，待探杆系统2坐底后，扳机3自动打开，通过绞车对配重系统1进行回
收，同时实现安放的通讯浮球5自动上浮对探杆系统2进行定位。待监测结束后，通过浮球5
将探杆进行回收。整个过程中自动化操作。

[0042] 一种配重可分离式组装型孔隙水压力监测系统的布放方法,具体步骤如下：

[0043] 步骤（1）：在甲板上将孔压传感器13安装至法兰接头10内，同时通过固定螺丝将多根杆体9组装起来，最终将孔压传感器13连接至多通道数据采集仪7将探杆系统2组装起来；

[0044] 步骤（2）：根据不同的海床底质类型选择合适数量的配重盘1‑4，添加至配重系统1，通过扳机3将配重系统1和探杆系统2连接起来；

[0045] 步骤（3）：通过绞车将配重系统1和探杆系统2提至监测点水面上方一定距离，然后绞车自由下放配重系统1和探杆系统2，探杆系统2在配重作用下贯入一定距离后留在海底，
此时扳机3自动打开，配重系统1和探杆系统2自动分离，通过绞车将配重系统1回收至甲板；
此时通讯浮球5上浮至水面，对探杆系统2进行定位，同时将监测数据进行远程传输；

[0046] 步骤（4）：待监测探杆完成监测任务后，通过定位浮球5，绞车可将探杆系统2回收至甲板，完成探杆系统2的回收。

[0047] 整个扳机结构工作方式如下，配重系统1和探杆系统2通过扳机3进行连接,此时通过配重系统1利用扳机3连接探杆系统2对整个装置上提，此时扳机3中的铁条3‑1会扣在配
重系统1的第一承台1‑5的凹槽内，实现结构的连接。待将整个设备布放于指定位置时，由于
重力作用，扳机3会由于重力作用绕旋转杆3‑2进行旋转，实现扳机结构的自动打开。最终扳
机完全打开，实现配重系统1和探杆系统2的分离。

[0048] 在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描
述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定
的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应
做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直
接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0049] 在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实
施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实
例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以
合适的方式结合。

[0050] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。