CN102706694B - 沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重检测方法及采水器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重的检测方法，包括如下步骤：步骤一：确定采样点及采样深度；步骤二：根据所述步骤一所确定的采样点及采样深度，利用卡盖式采水器采集水样；对所采取水样，在实验室中利用阿基米德原理，根据标准块在空气和水样中重量的变化计算水样容重的方法。本发明面向沉管隧道建设需求，提供了一种在保证对水体扰动较小的基础上，能在指定位置一次性对多个深度采取水样的采样方法，以及对水样容重进行测量的方法，该系统针对不同工况的要求提供数据以支持施工中浮力的计算和控制，提高施工效率、降低工程风险，且该系统及方法操作简单快捷，精度高。

Description

沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重检测方法及采水器

技术领域

本发明涉及沉管隧道管段施工领域，具体地，涉及一种沉管隧道管段浮运沉放中对水体进行取样并检测容重的方法以及采水器。

背景技术

目前，沉管隧道管段浮运沉放过程中，浮力控制靠水箱中蓄水量的调整实现。由于水容重随水文地质情况、水温、水深以及潮汐等因素的变化而变化，水容重的变化会导致施工中水箱中水量控制不准确，从而影响管段的抗浮稳定性，增加施工风险，对水容重的检测与监测在某些情况下会直接关系沉管隧道工程建设的进度与质量。在以往的工程施工中，经常忽视水容重的变化，导致工程风险的增加。在取样及检测手段上，常采用潜水员水下取样的方法，该方法操作不易，且会对水体造成过大扰动，从而影响采样准确性。

发明内容

本发明针对沉管隧道建设的需求以及采样检测方法的缺陷，提供了一种在管段浮运沉放过程中对水体取样及检测的系统和方法，能够在对水体扰动较小的情况下采取任意深度和梯度处的水样，并对水体进行测量，提供较准确的水容重数据，从而对浮运沉放过程中水箱蓄水量的调整提供依据，且根据本发明提供的方法操作简单快捷，工作效率高，准确性高。

根据本发明的一个方面，提供一种沉管隧道管段浮运沉放中采取水样的卡盖式采水器，包括瓶体、卡盖、牵引线、锁扣部、水文绳、挂锤，其中，所述卡盖位于所述瓶体的两端，所述卡盖通过所述牵引线的套箍活动连接于所述锁扣部，所述锁扣部连接所述瓶体，所述挂锤安装于所述水文绳上并能够沿所述水文绳自由滑动，且所述挂锤在滑动路径上能够触及到所述锁扣部的解锁装置；进一步地，当所述套箍连接至所述锁扣部时，所述卡盖处于打开状态，当所述套箍脱离所述锁扣部时，所述卡盖处于关闭状态。

优选地，为横式卡盖式采水器，具体地，所述锁扣部包括套筒、活塞、挂钩，所述套筒连接所述瓶体，所述锁扣部的解锁装置为所述活塞，所述活塞上设置有所述挂钩，所述牵引线的套箍活动连接于所述挂钩，所述活塞的外端连接所述水文绳，所述活塞向所述套筒内运动的动作能够使得所述套箍从所述挂钩上脱离。

优选地，所述活塞的活动方向与所述瓶体的轴向方向相垂直，所述水文绳连接于所述活塞的顶部。

优选地，为竖式卡盖式采水器，具体地，所述锁扣部包括固定座、释放杆帽、连杆，其中，所述固定座连接所述瓶体，所述水文绳连接于所述固定座，所述锁扣部的解锁装置为所述释放杆帽，所述固定座上设置有所述连杆，所述牵引线的套箍活动连接于所述连杆，所述挂锤在滑动路径上能够触及到所述释放杆帽从而触发所述连杆由关闭状态变为打开状态，使得所述套箍从所述连杆上脱离。

优选地，所述水文绳至少有两处连接于所述固定座，所述两处之间的水文绳的延伸方向与所述瓶体的延伸方向平行。

根据本发明的另一个方面，提供一种沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：确定采样点及采样深度；

步骤二：根据所述步骤一所确定的采样点及采样深度，利用权利要求1至5中任一项所述的卡盖式采水器采集水样。

优选地，所述步骤一，具体地：对于管段浮运阶段，采样点沿管段轴线设置，采样深度约为一半管段高度；对于管段沉放阶段，采样点设置在管段四个管角，从碎石层顶面向上，每隔第一深度采取水样，直至水深为管段高度附近。

优选地，对于管段浮运阶段，采样深度为一半管段高度；对于管段沉放阶段，所述第一深度为1.5m。

优选地，所述步骤二包括如下任一个步骤：

-采用所述横式卡盖式采水器于指定深度采集水样，具体地：采样时首先打开两端卡盖，之后通过绳索将所述横式卡盖式采水器放入水中，入水后水流将贯穿瓶体，待沉入指定深度后，下放挂锤令卡盖关闭，从而封闭水样，将取横式卡盖式采水器提出水面，完成采样过程；

-采用所述竖式卡盖式采水器通过串联的方法，同时对不同深度处采集水样，具体为：将若干竖式卡盖式采水器以绳索串联，调整竖式卡盖式采水器间绳索长度，使之符合采样梯度要求，将竖式卡盖式采水器沉入水中，待沉至指定深度，下放挂锤使卡盖关闭，从而实现一次性的多深度取样。

优选地，还包括如下步骤：

步骤三：采用电子密度分析天平测量水容重，具体地：首先将烧杯放在测量台板上进行去皮操作；之后将水样倒入烧杯中，测得水样重量；接着将测锤挂在双钩码上，使测锤全部浸入水中，读取水样密度；对每个采样点处所采取水样进行多次容重检测，取其平均值作为该采样点处水容重。

优选地，步骤四：反馈指导施工

将步骤三中检测结果编制报告反馈给施工方，用于浮力的计算和校核，从而使之能更准确地在施工中调整水箱蓄水量，从而保证不同工况中的抗浮系数，以提高施工效率并降低施工风险。

更为具体地，为达到上述目的，在本发明的一个优选地具体实施方式采用的技术方案如下：

根据管段施工工况要求，确定采样点位置及采样深度的方法；在采样点于任意深度处采取水样的方法；在同一采样点，沿深度方向对若干深度处同时采取水样的方法；在实验室内，检测所采取水样，得到水容重的方法。

步骤一：确定采样点的位置和深度

根据沉管隧道管段浮运沉放具体工况的要求设立采样点。对于管段浮运阶段，产生浮力的水体为深度为管段高度范围内的水体，采样点可设置在管段轴线上的管头、管中、管尾位置，采样深度为管段高度的一半。对于管段沉放阶段，产生浮力的水体从水面到基槽碎石层顶部，采样点可设置在管段的四个管角，从基槽碎石层顶处开始，每向上1.5m作为一个采样点，直到深度为管段高度的一半。

步骤二：采取水样

在每个采样点以卡盖式采水器采取水样。对于在采样点只采集确定深度的水样可采用横式卡盖式采水器，采样时首先打开两端卡盖，之后通过绳索将采水器放入水中，入水后水流将贯穿瓶体，待沉入指定深度后，下放挂锤令卡盖关闭，从而封闭水样，将取水器提出水面，完成采样过程。对于不同深度处的采样点，宜采用竖式卡盖式采水器，将若干采水器以绳索串联，调整采水器间绳索长度，使之符合采样梯度要求，将采水器沉入水中，待沉至指定深度，下放挂锤使卡盖关闭，从而实现一次性的多深度取样。

步骤三：水样的容重检测

在实验室中采用电子密度（比重）分析天平测量水容重。首先将烧杯放在测量台板上进行去皮操作；之后将水样倒入烧杯中，测得水样重量；接着将测锤挂在双钩码上，使测锤全部浸入水中，读取水样密度。对每个采样点处所采取水样进行三次容重检测，取其平均值作为该采样点处水容重。

本发明提供的方案解决了沉管隧道管段浮运沉放过程中水体的采样和容重检测问题。沉管隧道管段浮运沉放过程中对浮力的控制和调整是关系到施工进度与质量的关键因素之一，其中水容重的变化对浮力的计算有重要影响。现有管段浮运沉放浮力的控制由水箱注水排水控制，如忽略水容重变化的影响，水箱注水排水量的控制会出现偏差。采用本发明提供的方案对水容重的变化进行检测和监测，能够更准确地指导水箱注排水量的控制。本发明提供的技术方案至少具有以下几个优点：

1．降低工程风险：通过检测与监测水体容重的变化，能够更准确地在施工过程中对浮力进行预判和控制，降低工程风险，加快施工进度，提高施工质量。

2.采样更为准确可靠：本发明提供的技术方案根据沉管隧道管段浮运沉放各工序的不同要求提出了具有针对性采样点布置方案，能够更有效地反映水容重对浮力的影响，使检测结果更有针对性。相比潜水员水下采取水样的方法，本技术方案中采用的利用卡盖式采水器采取水样的方法能更有效地减小水体扰动，使所采取水样与实际情况更为接近，得到检测结果更为可靠。

3.提高工作效率：相比潜水员潜水取样的方法，本发明提供的方案中提出的采样方法操作更为简单快捷，且对于需沿深度梯度方向上的取样，本发明提供的方案提出的采水器串联取样方法能一次性地采取同一采样点不同深度的水样，大大提高了工作效率。

4.检测结果精度较高：本技术方案提出采用基于阿基米德浮力原理的电子密度（比重）分析天平进行水容重的测量，原理明确，操作简单，且具有较高的测量精度，一般的电子密度分析天平可达到±0.0005g/cm³的测量精度，有些精度可达到±0.0002g/cm³，能够较好地满足工程需要。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的实际操作框图；

图2为横式卡盖式采水器的结构示意图；

图3为竖式卡盖式采水器的结构示意图；

图4为水容重测量原理图。

具体实施方式

在图1中，首先根据具体情况确定需采样的位置及深度要求，之后按照采样要求安装采样器并采取水样，采样后在实验室中利用电子密度分析天平测量水样的容重值，并编制检测报告，最后将报告提交相关单位，对相应施工、设计等部门工作提供指导。

图2中所示横式卡盖式采水器适合在采样点只在一定深度采取水样。采水时，将卡盖2经牵引线3（优选尼龙丝）上的套箍挂在活塞4上的挂钩6上，此时卡盖2打开，瓶体1可采水。由水文绳5将瓶体1沉至指定深度，沿水文绳5下放挂锤，挂锤击中活塞4，活塞4沿钢套筒7下沉，使挂钩6沉入套筒7内部，套箍脱开，卡盖2合上，瓶体1闭合，水样被封闭于瓶体内。回收采水器。打开气嘴13，水样自水嘴12采集，完成采样。

图3所示竖式卡盖式采水器适合在同一采样点采取若干不同深度处的水样。采水前，用水文绳5将若干卡盖式采水器串联在一起，以螺栓9固定；卡盖2打开，以牵引线3（优选尼龙丝）上的套箍固定在固定座10中的连杆14上；每个采水器上在固定座10的连杆14处安装挂锤。采水时，将串联的一系列采水器沉入水中预定高度，待水样充满瓶体1后，沿水文绳5放下挂锤；挂锤击中连杆上的释放杆帽8，弹簧11缩短，使固定座上连杆14打开，套箍脱出，使卡盖2闭合，从而封闭瓶体1，保存水样；同时，连杆14处的挂锤脱出，沿水文绳5下坠，击中下一个采水器的释放杆帽8，从而封闭下一个采水器瓶体1。由此，可一次性沿水深方向采得不同深度处的水样。回收采水器后，打开气嘴13，自水嘴12采集水样，完成采样。

图4所示为利用阿基米德原理测量水样容重的原理图。取体积、密度固定的标准块93作为参照物，首先用弹簧秤94测量标准块93在空气中的重量W₁(N)；之后将所采水样92倒入烧杯91，将标准块93完全沉入水中，用弹簧秤94测量其在水中的重量W₂(N)，由此可得到标准块在水中所受浮力，为W₁-W₂。由阿基米德原理知，浸在液体（或气体）里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于该物体排开的液体的重力，所以标准块所受浮力可表示为：

W₁-W₂=ρgV_s

其中，V_s为标准块排开水的体积，即其自身体积（m³）；ρ为水样的密度（kg/m³）；g为重力加速度。

由此可计算得到水样的密度，进而得到其容重。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种沉管隧道管段浮运沉放中采取水样的卡盖式采水器，其特征在于，包括瓶体（1）、卡盖（2）、牵引线（3）、锁扣部、水文绳（5）、挂锤，其中，所述卡盖（2）位于所述瓶体（1）的两端，所述卡盖（2）通过所述牵引线（3）的套箍活动连接于所述锁扣部，所述锁扣部连接所述瓶体（1），所述挂锤安装于所述水文绳（5）上并能够沿所述水文绳（5）自由滑动，且所述挂锤在滑动路径上能够触及到所述锁扣部的解锁装置；进一步地，当所述套箍连接至所述锁扣部时，所述卡盖（2）处于打开状态，当所述套箍脱离所述锁扣部时，所述卡盖（2）处于关闭状态；

所述的沉管隧道管段浮运沉放中采取水样的卡盖式采水器，为横式卡盖式采水器，具体地，所述锁扣部包括套筒（7）、活塞（4）、挂钩（6），所述套筒（7）连接所述瓶体（1），所述锁扣部的解锁装置为所述活塞（4），所述活塞（4）上设置有所述挂钩（6），所述牵引线（3）的套箍活动连接于所述挂钩（6），所述活塞（4）的外端连接所述水文绳（5），所述活塞（4）向所述套筒（7）内运动的动作能够使得所述套箍从所述挂钩（6）上脱离。

2.根据权利要求1所述的沉管隧道管段浮运沉放中采取水样的卡盖式采水器，其特征在于，所述活塞（4）的活动方向与所述瓶体的轴向方向相垂直，所述水文绳（5）连接于所述活塞（4）的顶部。

3.一种沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定采样点及采样深度；

步骤二：根据所述步骤一所确定的采样点及采样深度，利用权利要求1或2所述的卡盖式采水器采集水样；

所述步骤二包括如下步骤：

采用所述横式卡盖式采水器于指定深度采集水样，具体地：采样时首先打开两端卡盖，之后通过绳索将所述横式卡盖式采水器放入水中，入水后水流将贯穿瓶体，待沉入指定深度后，下放挂锤令卡盖关闭，从而封闭水样，将取横式卡盖式采水器提出水面，完成采样过程。

4.根据权利要求3所述的沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重的检测方法，其特征在于，所述步骤一，具体地：对于管段浮运阶段，采样点沿管段轴线设置，采样深度为一半管段高度；对于管段沉放阶段，采样点设置在管段四个管角，从碎石层顶面向上，每隔第一深度采取水样，直至水深为管段高度附近。

5.根据权利要求4所述的沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重的检测方法，其特征在于，对于管段浮运阶段，采样深度为一半管段高度；对于管段沉放阶段，所述第一深度为1.5m。

6.根据权利要求3所述的沉管隧道管段浮运沉放中水体取样容重的检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤三：采用电子密度分析天平测量水容重，具体地：首先将烧杯放在测量台板上进行去皮操作；之后将水样倒入烧杯中，测得水样重量；接着将测锤挂在双钩码上，使测锤全部浸入水中，读取水样密度；对每个采样点处所采取水样进行多次容重检测，取其平均值作为该采样点处水容重。

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