CN101620037A - 小扰动分层底泥原位取样器及其取样方法 - Google Patents

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汪顺才
李磊
朱伟
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Abstract

本发明是一种用于采集水中沉积物的小扰动分层底泥原位取样器及其取样方法，本取样器由C型内管和外管、外管锥头、内外管手柄、充气塞组成。其中外管和内管套在一起，分别由多节固定连接组成，通过顶部内管手柄可以旋转内管使内外管的C型口重合或封闭。取泥时，先旋转内管使C型口封闭，插入到预定深度后，旋转内管使C型口打开，再将内外管一起倾斜一小角度旋转，将底泥旋切入内管中。再放入充气塞至泥面处并进行充气，旋转内管使C型口封闭，最后将内外管提出水面，平放到地面上分层取样。本发明对底泥扰动小，不改变底泥的分层和物化性质；且本发明重量轻、携带和操作方便，适合于江河湖库底泥和疏浚泥吹填堆场的取样工作，具有广泛的推广应用价值。

Description

小扰动分层底泥原位取样器及其取样方法
技术领域
本发明涉及一种分层底泥原位取样器及其取样方法，适用于江河湖库以及海洋底泥的原位取样，属于水利工程、土木工程、环境工程和海洋工程技术领域。
背景技术
在对水体底泥的取样过程中，由于受到水下作业、淤泥流动性和底部封闭问题的限制，很难取到不扰动或小扰动的原状样。
由于淤泥的性质很软，机械钻机钻孔取样方式不适用于取沉积底泥，现有的浅水底泥取样器也大多采用手工操作的方法。在底泥的原位取样中，其核心难题有三个：(1)如何降低取样器插入泥中时对底泥的摩擦扰动；(2)如何封闭取样器底端防止泥样泄出；(3)如何减小取样器上提时管中水下泄对泥面的冲刷。经过专利检索，现有可用于底泥取样的取样器在这三点上都或多或少的存在问题，中国专利申请号为200720095447.7，发明名称为用于超软土地基上的便携式原位土地取样器，虽然下部为圆锥形探头，但取样管为顶在直径稍大于取样管的圆锥头上，只可以起到托起软土的作用，但对于水下呈流动状态的流动底泥却不能奏效。而且各段的连接和插入方式也只能用于人可以站在上面进行操作的软土地基上，而不适用于水下底泥的取样场合。中国专利申请号为200520026080，发明名称为淤泥取样器的下部为尺寸比较大的滚动式取样头，在海底取样时通过使滚动轴和外壳的纵向通孔重合将淤泥挤入取样管中，而且在将泥取出海面后，又用下部带孔的有机玻璃管从取样器有机玻璃管中取样，这样做存在三个问题，第一、滚动式取样头尺寸太大，在沉入泥底时已经对底泥的分层产生不可忽视的扰动；第二、取泥时，底泥是挤入取样器中，也会对分层产生扰乱；第三、取泥出水后，双再次放入有机下部带孔的有机玻璃管进行取泥，又会对底泥的分层产生较大的扰动。中国专利申请号为03210082.5，发明名称为浅水水体沉积物的分层样品取样器，仍为筒式压入取样器，尽管取样器可以取到柱状样，但器壁在压底泥中时已经对底泥的分层产生了扰动，而且在利用叶片将淤泥推进到分隔舱中时，又对底泥产生了扰动，影响了底泥分层的精度。综上所述，现有可用于底泥取样的取样器都存在着取样器插入泥中时对底泥分层的扰动，在向上提出时也都没有考虑管中水下泄对泥面的冲刷。
发明内容：
本发明针对底泥取样中的三个难题，提供一种小扰动分层底泥取样器，可以有效的克服底泥取样的三个核心难题。
本发明的小扰动分层底泥原位取样器，包括外管、内管，外管包括外管联接段、外管取样段，外管联接段和外管取样段以螺纹连接，所述内管包括内管联接段、内管取样段，内管联接段和内管取样段以凸头和凹槽结构相嵌连接，内管联接段套接在外管联接段内，内管取样段套接在外管取样段内，所述外管取样段、内管取样段分别为开有C型缺口的C形管段，内管联接段上端设置手柄，外管取样段下端焊接外管锥头。
进一步的根据取样现场情况，本发明外管联接段，外管取样段分别由以螺纹连接的多节组成，内管联接段、内管取样段分别由以凸头和凹槽结构相嵌连接的多节组成。
本发明还包括充气塞，充气塞由充气塞框架、薄膜、导气管、单向充气阀和排气阀组成，所述充气塞框架呈圆柱状，上下为圆形板片，上下板片间由板条相接，板片的直径小于所述内管的内径，薄膜包裹在充气塞框架板条外围并通过该薄膜上下端固定在充气塞框架的上下板片上，导气管通入充气塞框架内，导气管的上端设置所述单向充气阀和排气阀。
本发明的外管取样段在C型缺口处设置外管C型缺口加强筋，所述内管取样段在C型缺口处设置内管C型缺口加强筋。
一种基于上述小扰动分层底泥原位取样器的工作方法，包括如下步骤：
首先根据水深和底泥厚度，选择取样段和联接段长度，从下往上将取样器外管取样段、外管联接段分节连接，内管取样段、内管联接段分节连接，然后将内管置入外管中；
取泥时，先旋转内管使C型缺口封闭，插入到预定深度后，旋转内管使C型缺口打开，再将内外管一起倾斜一小角度旋转，可以将底泥旋切入内管中。再从手柄处内管上端口放入充气塞至泥面处并进行充气，旋转内管使C型缺口封闭，再将内外管缓慢提出水面，排出充气塞上部水，平放到地面上进行分层取样。
本发明方法中优选的外管、内管一起倾斜的角度为3~5度。
通过采用以上的技术方案，可实现以下的有益技术效果：
(1)先将取样器一次插入全部泥中，将淤泥稍微向外排外，不会扰乱淤泥的分层，避免了现有自上往下插入的筒式取样器对底泥分层的摩擦扰动；
(2)下部锥形头与外管为封闭连接，取样器在提出水中时为封闭状态，底泥不会泄出；
(3)取样器在插入水中底泥取样时，由于封闭问题，泥面以上不可避免的会进入水，在上提时，由于水的下泄，会冲刷泥面，本发明采用柔性充气活塞来保护泥面，不会对泥面产生破坏；
(4)取样器取泥时为旋切方式将各层泥同时切入取样器中，不会扰乱泥层的分布，泥面分层准确；
(5)取样器取泥出水后，平放在地面上打开C缺口，可以精确的取到分层的泥样。
附图说明
图1是本发明小扰动分层底泥原位取样器内、外管结构示意图；
图2是本发明小扰动分层底泥原位取样器内、外管结构B-B向示意图；
图3是本发明小扰动分层底泥原位取样器内、外管结构A局部剖视图；
图4是本发明小扰动分层底泥原位取样器充气塞结构示意图。
图中1.外管上端手柄；2.内管上端手柄；3.外管连接内螺纹；4.外管连接外螺纹；5.内管凸接头；6.内管凹槽；7.外管联接段；8.内管联接段；9.外管取样段；10.内管取样段；11.外管C型缺口加强筋；12.内管C型缺口加强筋；13.外管锥头；14.单向充气阀；15.导气管；16.充气塞框架；17.薄膜；18.排气阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1、图2所示，本发明的小扰动分层底泥取样器包括外管、内管组成。外管由多段组成，最上端的一段带有手柄1，与最上端联接的是无C型缺口外管联接段7，与外管联接段7联接的是带C型缺口外管取样段9，最下端的取样段也带有C型缺口，并在下端带有外管锥头13；为了提高带C型缺口取样段的强度，在缺口上设置了外管C型缺口加强筋11。本发明的加强筋是通过在管壁上开C型缺口的同时，在C型缺口处留有几小段未去除管壁作为C型缺口的加强筋，内管最上端也带有手柄2，最上端与无C型缺口内管联接段8相联，与内管联接段8联接的是带C型缺口内管取样段10，内管最下端的取样段也带有C型缺口，为了提高带C型缺口内管取样段的强度，在C型缺口上设置了内管C型缺口加强筋12。内管取样段10的最下端顶在外管锥头13的平面上；如图3所示，外管各段间的联接依靠内外螺纹3、4相联，内管各段之间的联接为凸接头5和凹槽6的嵌联方式，如图4所示，本发明为防止水下泄还设置有充气塞，充气塞的充气塞框架16呈圆柱状，上下为圆形不锈钢片，上下钢片间为四根钢条相接，钢片的直径小于内管的内径，可在内管内轻易穿过，在充气塞框架外包裹着薄膜17，薄膜17材料为橡胶，橡胶膜上下固定在充气塞框架的上下钢片上，周边在充气时可以膨胀鼓起。与橡胶膜相通的是导气管15，导气管的上端为单向充气阀14和排气阀18，单向充气阀14可以实现向橡胶膜中充气，停止气体也不会外泄，而排气阀18是在取样器取样完成后排出橡胶膜中的空气。
基于本发明的小扰动分层底泥原位取样器的工作方法，包括如下步骤：
第一步：探测水深和底泥厚度，选择合适的取样段和联接段长度。从下往上分段将取样器外管连接内螺纹3和外管连接外螺纹4拧紧，并使内管凸接头5和内管凹槽6相嵌，然后将内管置入外管中；
第二步：固定外管上端手柄1，旋转内管上端手柄2，使外管取样段9、内管取样段10缺口错开，从而封闭内管取样段10的C型缺口，将取样器缓慢向下压入泥中至预定深度，旋转内管上端手柄2使外管取样段9和内管取样段10的C型缺口旋转从而打开内管取样段10的C型缺口，手持外管手柄1、内管手柄2将取样器倾斜一小角度并旋转，使淤泥被旋切进入带C型缺口内管取样段10；
第三步：提着单向充气阀14和排气阀18利用导气管15把充气塞框架16和薄膜17从内管上端开口放至泥面，旋转内管上端手柄2使外管取样段9、内管取样段10的C型缺口错开，从而封闭内管取样段10，关闭排气阀18，从单向充气阀14向橡胶膜中吹入空气；将内外管一起提出水面，排出充气塞上部水，平放在地上测量长度进行分层取样。

Claims (6)

1、一种小扰动分层底泥原位取样器，其特征是：包括外管、内管，所述外管包括外管联接段(7)、外管取样段(9)，外管联接段(7)和外管取样段(9)以螺纹连接，所述内管包括内管联接段(8)、内管取样段(10)，内管联接段(8)和内管取样段(10)以凸头和凹槽结构相嵌连接，内管联接段(8)套接在外管联接段(7)内，内管取样段(10)套接在外管取样段(9)内，所述外管取样段(9)、内管取样段(10)分别为开有C型缺口的C形管段，内管联接段(8)上端设置手柄，外管取样段(9)下端焊接外管锥头(13)。
2、根据权利要求1所述的小扰动分层底泥原位取样器，其特征是：所述外管联接段(7)，外管取样段(9)分别由以螺纹连接的多节组成，内管联接段(8)、内管取样段(10)分别由以凸头和凹槽结构相嵌连接的多节组成。
3、根据权利要求1所述的小扰动分层底泥原位取样器，其特征是：还包括充气塞，所述充气塞由充气塞框架(16)、薄膜(17)、导气管(15)、单向充气阀(14)和排气阀(18)组成，所述充气塞框架(16)呈圆柱状，上下为圆形板片，上下板片间由板条相接，板片的直径小于所述内管的内径，薄膜(17)包裹在充气塞框架(16)外围并通过该薄膜(17)上下端固定在充气塞框架(16)的上下板片上，导气管(15)通入充气塞框架(16)内，导气管(15)的上端设置所述单向充气阀(14)和排气阀(18)。
4、根据权利要求1至3任一项所述的小扰动分层底泥原位取样器，其特征是：所述外管取样段(9)在C型缺口处设置外管C型缺口加强筋(11)，所述内管取样段(10)在C型缺口处设置内管C型缺口加强筋(12)。
5、一种基于权利要求1所述的小扰动分层底泥原位取样器的工作方法，其特征是包括如下步骤：
首先根据水深和底泥厚度，选择取样段和联接段长度，将取样器外管取样段(9)、外管联接段(7)连接，内管取样段(10)、内管联接段(8)连接，然后将内管置入外管中；
取泥时，先旋转内管使C型缺口封闭，插入到预定深度后，旋转内管使C型缺口打开，再将内外管一起倾斜一小角度旋转，将底泥旋切入内管中，再从手柄处内管上端口放入充气塞至泥面处并进行充气，旋转内管使C型缺口封闭，再将内外管缓慢提出水面，排出充气塞上部水，平放到地面上进行分层取样。
6、根据权利要求5所述的基于小扰动分层底泥原位取样器的工作方法，其特征是：所述外管、内管一起倾斜角度3~5度。
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