一种海底电缆埋深评估装置及其评估方法与流程

本发明属于海底电缆铺设技术领域，特别涉及一种海底电缆埋深评估装置及其评估方法。

背景技术：

伴随着海底电缆的大量应用，其遭受损伤的情况也越来越频繁。在海缆破坏的历史中，人为因素造成的破坏量占到了海缆损坏总量的75％，其中锚害占到人为因素对海缆破坏总量的三分之一。海缆埋设处理是目前保护海缆最经济、最有效的办法。虽然海底电缆埋设在海床中，但也存在由船舶抛锚钩挂导致的海底电缆锚损情况，开发一套海底电缆锚损评估装置，可以有效评估船锚在海底的贯入深度，为埋设海底电缆提供最浅的深度，以防海底电缆锚损事故发生。

技术实现要素：

针对海缆埋设仍不能有效避免海底电缆锚损事故发生的问题，本发明提供一种海底电缆埋深评估装置及其评估方法，根据埋设区域海底底质情况及作业海域船只船锚参数，获取船锚在海底的贯入深度，从而评估出海缆的埋深的最浅深度，避免船锚对海缆的损害。

本发明采用技术方案如下：一种海底电缆埋深评估装置，包括内置试验底质的试验沙箱、架设在试验沙箱上的支撑架以及设有高度调节抛载模块的滑动平台，所述滑动平台水平向滑动设置在所述支撑架上，以便带动高度调节抛载模块沿支撑架水平移动，所述高度调节抛载模块包括高度可调的限位平台和模型船锚，限位平台用于限位或释放所述模型船锚，使得模型船锚能够在不同高度下竖直落入所述试验底质中，以获得模型船锚的贯入深度。

高度调节抛载模块能够水平向移动，为测量模型船锚贯入深度让位，限位平台能够调节模型船锚的高度位置，使模型船锚能够在不同的高度落下，试验底质可选择与实际作业的海域一致参数的介质，本申请的评估装置可根据作业海域典型船锚情况、作业底质参数情况进行比例缩放进行试验，以便通过缩放比例换算成实际船锚的贯入深度，并以此确认海缆埋深的最低要求，从而降低船锚损害海缆的概率；且本身请的评估装置搭建简便、可以适用多种底质和多种船锚，适用性较好。

进一步地，所述滑动平台上还设有绕线轮和用于测量绕线轮转速的测速模块，所述模型船锚通过缠绕在绕线轮上的连接绳与所述测速模块连动，当模型船锚被限位平台释放时，模型船锚在重力下落下，所述测速模块通过测量绕线轮的转速来获得模型船锚的下落速度。测速模块能够测量模型船锚落入试验底质时的速度，以便限位平台通过速度调整模型船锚的位置。

进一步地，所述测速模块包括编码盘以及用于测量编码盘速度的测速传感器，所述编码盘与所述绕线轮设置在步进电机的输出轴上并同步转动，以便测速传感器通过测量编码盘的速度来获得绕线轮的速度；所述输出轴与绕线轮之间设有一单向轴承，所述步进电机驱动输出轴转动的方向与所述绕线轮绕线方向一致、与单向轴承的工作方向相反，以便步进电机单向驱动绕线轮使连接绳缠绕在绕线轮上，方便回收连接绳。绕线轮可以正反向转动，模型船锚能够在自身重力下落下时，单向轴承工作，此时绕线轮转动，输出轴不动；步进电机驱动输出轴转动时，单向轴承不工作，其整体被输出轴驱动，并带动绕线轮和编码盘同步转动，以便连接绳缠绕在绕线轮上；这一设置有效降低模型船锚下落时电机扭矩对绕线轮的影响。

进一步地，所述连接绳通过一带有限位孔的连接链与所述模型船锚相连，所述限位平台通过一带有伸缩端的气缸限位模型船锚，当伸缩端穿过所述限位孔，限位平台限位所述模型船锚，当伸缩端离开限位孔，限位平台释放所述模型船锚。手动释放模型船锚往往使得模型船锚具有初速度和水平速度，使用气缸可避免出现这种情况，避免测量结果不准。

进一步地，所述高度调节抛载模块还包括支撑框架，所述支撑框架上设有带刻度的尺寸杆，限位平台上设有刻度指针，所述刻度指针靠近所述尺寸杆设置，以便标记限位平台的位置；所述支撑框架顶部设置一定滑轮，所述连接绳套置在定滑轮上，以方便吊起和释放模型船锚。

进一步地，所述支撑框架上设有竖向滑槽，一紧固件穿过尺寸杆限位在滑槽中，以使所述尺寸杆上下位置可调。这一设置方便尺寸杆的零点与试验底质上表面处于同一平面上。

进一步地，所述支撑架上设有被驱动电机驱动的同步带和与同步带平行的两支杆，所述滑动平台与同步带固定连接以同步平移，滑动平台的两端分别套置在两支杆上，使得滑动平台平稳移动。

上述使用海底电缆埋深评估装置的评估方法，包括：

s1，对海缆敷设作业海域进行船只分析以获取典型船只情况，根据获得的典型船只情况，分析典型船锚类型，获取海缆敷设作业海域的船锚参数；

s2，在海缆敷设作业区域路由勘探，以获取海底底质土壤参数及作业海域水文情况；根据所述船锚参数及海域水文情况获取船锚触底时的最大速度；

s3，确定缩放比例，并根据缩放比例对海底底质土壤参数、船锚参数及船锚触底时的最大速度进行缩放，制作海底电缆埋深评估装置中的模型船锚和试验底质；

s4，采用海底电缆埋深评估装置获取模型船锚在模型沙箱中的模拟贯入深度；

s5，根据s4的缩放比例和模拟贯入深度计算船锚的贯入深度，获得海底电缆埋设深度最低要求。

本方法提供使用海底电缆埋深评估装置对船锚贯入深度进行评估的方法，评估装置根据作业海域典型船锚情况，作业底质参数情况进行比例缩放进行试验模拟，试验结果再根据缩放比例换成获取船锚贯入深度，并以此确认海缆埋深需求，且评估过程不涉及繁多的计算公式，评估过程简单易行。

进一步地，s2中，船锚触底时的最大速度具体公式为：

式中：g为重力加速度；ρwater为海水密度；vanchor为船锚体积；af为船锚在受力方向上的投影面积；cd为拖拽系数。

进一步地，s4中海底电缆埋深评估装置的操作步骤为：

s4.1，调整模型沙箱中的试验底质参数以满足缩放后的海底底质土壤参数，将模型船锚吊起至一定高度，并使模型船锚正对模型沙箱中试验底质；

s4.2，采用测速模块对模型船锚进行测速，调整模型船锚的高度，直至模型船锚落入试验底质的速度与缩放后的船锚触底时的最大速度一致；

s4.3，开启步进电机，使绕线轮转动以回收连接绳，调节滑动平台的位置，将落锚位置露出；

s4.4，测量落锚位置处模型船锚的模拟贯入深度。

根据缩放比例评估在船锚最大贯入速度时船锚的贯入深度，当海缆埋深深度大于船锚最大贯入深度时，船锚无法触及到海底电缆，此时船锚无法对海底电缆造成损害。

本发明具有的有益效果：本申请的评估装置可根据作业海域典型船锚情况、作业底质参数情况进行比例缩放进行试验，以便通过缩放比例换算成实际船锚的贯入深度，并以此确认海缆埋深的最低要求，从而降低船锚损害海缆的概率；且本身请的评估装置搭建简便、可以适用多种底质和多种船锚，适用性较好；使用海底电缆埋深评估装置的评估方法，对船锚贯入深度进行评估，并以此确认海缆埋深需求，评估过程不涉及繁多的计算公式，评估过程简单易行。

附图说明

图1为海底电缆埋深评估装置的结构示意图；

图2为海底电缆埋深评估装置另一方向的结构示意图；

图3为图1中a区的放大结构示意图；

图中：1-试验沙箱；2-支撑架；21-驱动电机；211-同步带；22-支杆；3-滑动平台；31-绕线轮；32-编码盘；33-测速传感器；4-高度调节抛载模块；41-限位平台；411-刻度指针；42-模型船锚；43-支撑框架；431-尺寸杆；44-定滑轮；5-连接绳；51-连接链；511-限位孔；6-步进电机；61-输出轴；62-单向轴承；7-气缸；71-伸缩端。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本实施例的海底电缆埋深评估装置，如图1至图3所示，包括内置试验底质的试验沙箱1、架设在试验沙箱1上的支撑架2以及设有高度调节抛载模块4的滑动平台3，所述滑动平台3水平向滑动设置在所述支撑架2上，以便带动高度调节抛载模块4沿支撑架2水平移动，所述高度调节抛载模块4包括高度可调的限位平台41和模型船锚42，限位平台41用于限位或释放所述模型船锚42，使得模型船锚42能够在不同高度下竖直落入所述试验底质中，以获得模型船锚42的贯入深度。

高度调节抛载模块4能够水平向移动，为测量模型船锚42贯入深度让位，限位平台41能够调节模型船锚42的高度位置，使模型船锚42能够在不同的高度落下，试验底质可选择与实际作业的海域一致参数的介质，本申请的评估装置可根据作业海域典型船锚情况、作业底质参数情况进行比例缩放进行试验，以便通过缩放比例换算成实际船锚的贯入深度，并以此确认海缆埋深的最低要求，从而降低船锚损害海缆的概率；且本身请的评估装置搭建简便、可以适用多种底质和多种船锚，适用性较好。

所述滑动平台3上还设有绕线轮31和用于测量绕线轮31转速的测速模块，所述模型船锚42通过缠绕在绕线轮31上的连接绳5与所述测速模块连动，当模型船锚42被限位平台41释放时，模型船锚42在重力下落下，所述测速模块通过测量绕线轮31的转速来获得模型船锚42的下落速度。测速模块能够测量模型船锚42落入试验底质时的速度，以便限位平台41通过速度调整模型船锚42的位置。

所述测速模块包括编码盘32以及用于测量编码盘32速度的测速传感器33，所述编码盘32与所述绕线轮31设置在步进电机6的输出轴61上并同步转动，以便测速传感器33通过测量编码盘32的速度来获得绕线轮31的速度；所述输出轴61与绕线轮31之间设有一单向轴承62，所述步进电机6驱动输出轴61转动的方向与所述绕线轮31绕线方向一致、与单向轴承62的工作方向相反，以便步进电机6单向驱动绕线轮31使连接绳5缠绕在绕线轮31上，方便回收连接绳5。绕线轮31可以正反向转动，模型船锚42在自身重力下落下时，单向轴承62工作，此时绕线轮31转动，输出轴61不动；步进电机6驱动输出轴61转动时，单向轴承62不工作，其整体被输出轴61驱动，并带动绕线轮31和编码盘32同步转动，以便连接绳5缠绕在绕线轮31上；这一设置有效降低模型船锚42下落时电机扭矩对绕线轮31的影响。

所述连接绳5通过带有限位孔511的连接链51与所述模型船锚42相连，所述限位平台41通过带有伸缩端71的气缸7限位模型船锚42，当伸缩端71穿过所述限位孔511，限位平台41限位所述模型船锚42，当伸缩端71离开限位孔511，限位平台41释放所述模型船锚42。手动释放模型船锚42往往使得模型船锚42具有初速度和水平速度，使用气缸7可避免出现这种情况，避免测量结果不准。

所述高度调节抛载模块4还包括支撑框架43，所述支撑框架43上设有带刻度的尺寸杆431，限位平台41上设有刻度指针411，所述刻度指针411靠近所述尺寸杆431设置，以便标记限位平台41的位置；所述支撑框架43顶部设置定滑轮44，所述连接绳5套置在定滑轮44上，以方便吊起和释放模型船锚42。

所述支撑框架43上设有竖向滑槽，紧固件穿过尺寸杆431限位在滑槽中，以使所述尺寸杆431上下位置可调。这一设置方便尺寸杆431的零点与试验底质的上表面处于同一平面上。

所述支撑架2上设有被驱动电机21驱动的同步带211和与同步带211平行的两支杆22，所述滑动平台3与同步带211固定连接以同步平移，滑动平台3的两端分别套置在两支杆22上，使得滑动平台3平稳移动。

使用海底电缆埋深评估装置的评估方法，包括：

s1，对海缆敷设作业海域进行船只分析以获取典型船只情况，根据获得的典型船只情况，分析典型船锚类型，获取海缆敷设作业海域的船锚参数；

s2，在海缆敷设作业区域路由勘探，以获取海底底质土壤参数及作业海域水文情况；根据船锚参数及海域水文情况获取船锚触底时的最大速度；

船锚触底时的最大速度具体公式为：

式中：g为重力加速度；ρwater为海水密度；vanchor为船锚体积；af为船锚在受力方向上的投影面积；cd为拖拽系数；

s3，确定缩放比例，并根据缩放比例对海底底质土壤参数、船锚参数及船锚触底时的最大速度进行缩放，制作海底电缆埋深评估装置中的模型船锚42和试验底质；模型船锚42制作材料与实际船锚保持一致，其外观尺寸与实际船锚按照缩放比例制作，试验底质选用高岭土，采用三轴剪切试验确定底质参数；

根据获取的区域土壤参数、船锚参数及船锚触底速度设计缩放比例，具体过程如下：

为使评估装置正确的反映出原型锚的贯入深度，埋深评估装置模型除几何参数外，还要动力相似，模型设计时需要满足主要作用力相似。试验设计采用佛汝德相似准则进行相似模型试验的设计。

式中：v为流速；h为水深；g为重力加速度。

佛汝德准则要求海底电缆埋深评估装置与原型的佛汝德数相等，即(fr)m＝fr，(fr)m和fr分别表示模型和原型的物理量。

速度比尺λ为几何比尺。

锚重满足下式：

接触面积满足下式：

土强度满足下式：

λsu＝λv(4)

缩放比例如下表所示：

s4，采用海底电缆埋深评估装置获取模型船锚42在试验沙箱中的模拟贯入深度；

海底电缆埋深评估装置的操作步骤为：

s4.1，调整试验沙箱中的底质参数以满足缩放后的海底底质土壤参数，调整尺寸杆431的位置，使得尺寸杆431的零点位置与试验底质的上表面处于同一平面内，转动绕线轮31缩短连接绳5自由端的长度，使得限位平台41带动模型船锚42至一定高度，并使模型船锚42正对试验沙箱中试验底质；模型船锚42的高度为刻度指针411所指的刻度监督指针与船锚重心处的距离；

s4.2，限位平台41释放模型船锚42，并采用测速模块对模型船锚42进行测速，连接绳5的直径为1mm，绕线轮31直径为50mm，单层可绕线8m，在模型船锚42下落时，绕线轮31的绕线直径保持52mm，可换算成出线速度，也就是模型船锚42落入试验底质中的速度；启动步进电机6回收连接绳，再采用气缸7将模型船锚42限位，再调整模型船锚42的高度，直至模型船锚42落入试验底质的速度与缩放后的船锚触底时的最大速度一致；

s4.3，开启步进电机6，使绕线轮31转动以回收连接绳5，调节滑动平台3的位置，将落锚位置露出；

s4.4，测量落锚位置处模型船锚42的模拟贯入深度；

s5，根据s4的缩放比例和模拟贯入深度计算船锚的贯入深度，获得海底电缆埋设深度最低要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。

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