CN106706673A - 一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头 - Google Patents

一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，通过X射线能谱分析装置和电阻率测试装置完成重金属污染成分及浓度的测定。X射线能谱分析装置包括X射线发射器，X射线探测器以及高性能滤波片。通过X射线探测分析，检测土壤中重金属污染成分。电阻率测试装置由外周的四个环形电极组成，环形电极之间通过绝缘层隔离，中间两个环形电极为测试电极，上下两个环形电极为发射电极，发射电极用于向土体发射电流，测试电极用于测量电位差，再结合根据欧姆定律可以计算电极周围土体的电阻率大小，通过特定重金属元素的浓度电阻率转换公式计算污染浓度。该发明为环境岩土工程中的重金属污染地基土原位评价提供有力的识别工具。

Description

一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触 探探头
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头。
背景技术
随着经济的快速发展，城市化和工业化进程的加快，场地土污染越来越严重，我们赖以生存的岩土圈环境日益恶化，环境岩土工程问题已成为我国岩土工程和环境工程工作者重要的研究课题。含有重金属元素的沉积物或废料等会对地下土体和地下水造成污染，直接或间接地对人体健康和环境造成严重威胁。当重金属污染物质存在时，对重金属污染物的种类和浓度评估是岩土工程和环境工程场地调查必不可少的内容之一。现有的重金属污染评估方法通常结合了钻孔取样和室内试验，并安装地下水位观测井。然而取样一方面产生扰动误差，另一方面试样与人体的接触会对人体健康产生危害，同时也涉及采集和试验成本过高、分析周期过长等缺点。
静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得污染物性状、温度、甚至影像。国外已将之大量应用于环境岩土工程领域。我国在新型静力触探传感器的研究起步比较晚，目前国内广泛使用的单双桥静力触探仅能够测试的贯入阻力或比贯入阻力，侧壁摩阻力，可确定的土层基本物理力学特性非常有限。
当X射线发射器照射在土样晶体上时，入射电子使内层壳电子激发而产生反射射线的现象，由探测器扫描接收后将X-射线输出形成电压脉冲信号。不同元素发出的特征X-射线具有不同频率，即具有不同能量，只要检测不同光子的能量(频率γ)即可确定元素。同时土体重金属元素浓度检测试验通常较为麻烦，无法快速的得出相应重金属元素浓度，且变异性较大，同一土样不同研究者往往会得出不同结论。而带有特定传感器的静力触探技术毫无疑问是最好的选择。前期研究发现，电阻率对于土体内部的重金属离子敏感度显著，且土壤中不同重金属成分可能影响土的电化学特性、导电性能变化。因此，重金属污染土的电阻率可以作为表征土样重金属污染浓度的指标。通过带有特定传感器的静力触探技术测定土体中电阻率，并通过相应的电阻率与重金属污染浓度的相关关系实现对重金属浓度的预测。评价这些场地的重金属污染特征、成分、浓度、及其发展规律，并采取相应的工程技术处置重金属污染土地基，使其达到再开发利用和耐久的功能，是我国现代化城市建设面临的一个新的重大课题。本发明基于常规的孔压静力触探探头，提出了一种安全、快捷、测试成本低廉的重金属污染场地原位检测仪器，为评价重金属污染岩土体场地提供了快捷、有力的检测工具。
发明内容
发明目的：针对现有技术的上述不足，提出一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探装置，能够在施工现场取得重金属污染场地的污染成分及污染浓度。
技术方案：一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，包括触探杆，触探杆内设置同轴电缆、前置放大器和模数转换器，前置放大器连接模数转换器；所述触探杆上设置X射线能谱分析装置和电阻率测试装置；所述X射线能谱分析装置包括X射线发射器、X射线探测器；所述X射线发射器向土体发射X射线，X射线经土体反射，由X射线探测器扫描接收后将X-射线输出形成电脉冲信号；X射线探测器连接同轴电缆，并通过同轴电缆将电脉冲信号传输至地面能谱分析装置，用以分析得出土体重金属污染物成分；
所述电阻率测试装置包括上下设置于触探杆外周的四个环形电极，环形电极之间通过绝缘层隔离，中间两个环形电极为测试电极，上下两个环形电极为发射电极；所述发射电极由同轴电缆供电，用于向土体发射电流；所述测试电极用于测量电位；所述测试电极的输出依次与所述前置放大器和模数转换器连接，测试电极产生的电脉冲信号，经前置放大器放大后传递至模数转换器，模数转换器将所接收的电脉冲信号转换为数字信号，由同轴电缆传输至地面采集装置，得出所测电位值。
进一步的，其特征在于，触探杆上设有温控调节器，所述温控调节器位于四个环形电极的下方。
进一步的，以两个测试电极之间中点所在平面为对称面，两个发射电极关于所述对称面对称设置，所述发射电极到所述对称面之间的距离与所述测试电极到所述对称面距离的比值为1.5～3。
更进一步的，四个环形电极的纵向宽度均小于所述测试电极到所述对称面距离。
进一步的：所述触探杆自上至下顺序设有侧壁摩擦筒、孔压过滤环、圆锥状探头；在摩擦筒的下面设有孔隙水压力传感器，在侧壁摩擦筒的内侧面上布设有侧壁摩阻力压力传感器，在所述锥状探头上布设有锥尖阻力压力传感器，所述孔压过滤环位于侧壁摩擦筒与圆锥状探头的连接处。
更进一步的，所述圆锥状探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm2，侧壁摩擦筒表面积150cm2，所述孔压过滤环厚度5mm。有益效果：本发明的静力触探探头，通过静力触探探头中间的集成的X射线能谱分析装置进行场地重金属元素检测。然后通过探头上半段杆体的电阻率测试装置，分析该特定重金属元素下的污染浓度。是一种安全、快捷、测试成本低廉的重金属污染场地原位检测仪器，为评价重金属污染岩土体场地提供了快捷、有力的检测工具。
本发明的有益效果为：1、通过触探杆上集成的X射线能谱分析装置分析出待测土体中重金属污染物成分；
2、给出土体重金属污染物浓度与土体电阻率的关系式；
3、通过位置比值设定增加了两组电极之间的有效距离，使得发射电极产生的极化效应无法影响到测试电极的测试效果，该比值可有效的减少发射电极极化效应对测试结果的影响；
4、通过温控调节器使得四个环形电极形成稳定的温度场，防止温度变化引起电阻率的变化，得出真实电阻率数值；
5、根据四个电极之间的位置关系，结合电位差，推导出土体电阻率的计算公式。
附图说明
图1为本发明静力触探探头的结构示意图；
图2为四个环形电极分布示意图；
图中标号：1、同轴电缆；2、数模转化器；3、前置放大器；4、发射电极；5、测试电极；6、绝缘层；7、侧壁摩擦筒；8、孔隙水压力传感器；9、孔压过滤环；(10、圆锥状探头；11、侧壁摩阻力压力传感器；12、锥尖阻力压力传感器；13、大功率高性能微型环形电子X射线管；14、30mm2超大环形优质锂漂移硅探测器(SDD)；15、高性能滤波片；16、温控调节器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明提供的一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，能够用于现场测试重金属污染土体的污染成分，并通过特定成分电阻率反算公式计算该土体的污染浓度数值，从而实现现场快速鉴定。
该探头集成了常规孔压静力触探的功能，可测端阻、摩阻、倾斜和孔压，还具有土电阻率测试功能。如图1所示，在静力触探探头的中央设有同轴电缆1，在上半段杆体的外周包有四个环形电极，环形电极之间通过绝缘层6隔离，中间两个环形电极为测试电极5，上下两个环形电极为发射电极4，发射电极4用于向土体发射电流，电流产生等位线分布，测试电极5用于测量电位差。位于环形电极下方的杆体上设有集成的X射线能谱分析装置。该装置用于测试重金属污染土体的污染成分，具体原件包括大功率高性能微型环形电子X射线管13，30mm2超大环形优质锂漂移硅探测器(SDD)14以及高性能滤波片15。
在该探头下半段自上至下顺序设有侧壁摩擦筒7、孔压过滤环9、圆锥状探头10。在摩擦筒7的下端设有孔隙水压力传感器8，在侧壁摩擦筒7的内侧面上布设有侧壁摩阻力压力传感器11，在锥状探头10上布设有锥尖阻力压力传感器12，孔压过滤环9位于侧壁摩擦筒7与圆锥状探头10的连接处。圆锥探头10的锥角为60°，锥底截面积为10cm2，侧壁摩擦筒7表面积150cm2，所述孔压过滤环9厚度5mm。
该静力触探探头规格符合国际标准：锥角60°，圆锥直径为35.7mm，锥底截面积为10cm2，侧壁摩擦筒面积150cm2。锥尖阻力压力传感器量程为100kN，精度为0.2％。侧摩阻力压力传感器量程为20kN，精度为0.2％。孔隙水压力传感器量程为3.5MPa；精度为0.5％。
X射线发射器照射在土样晶体上时，入射电子使内层壳电子激发而产生反射射线的现象，由探测器扫描接收后将X-射线输出形成电压脉冲信号，并通过同轴电缆将电脉冲信号传输至地面能谱分析装置，分析得出污染物成分。不同元素发出的特征X-射线具有不同频率，即具有不同能量，只要检测不同光子的能量(频率γ)即可确定元素。
另一方面，电阻率对于土体内部的重金属离子敏感度显著，且土体中不同重金属成分可能影响土的电化学特性、导电性能变化。因此，重金属污染土的电阻率可以作为表征土体重金属污染浓度的指标。
由于静力触探探杆周围土中电场的复杂性，且边界条件难于控制，使得由探头所测得的土电学特征很复杂。以垂直杆体并通过两个测试电极5之间中点的平面为对称面，两个发射电极4关于对称面对称设置，发射电极4到对称面之间的距离a与测试电极5到对称面距离b的比值为1.5～3，四个环形电极的纵向宽度均小于测试电极5到对称面距离b。通过比值设定增加了两组电极之间的有效距离，使得发射电极产生的极化效应无法影响到测试电极的测试效果，该比值可有效的减少发射电极极化效应对测试结果的影响。位于环形电极下方的杆体上设有热电温控调节器16。杆体内还设有前置放大器3和模数转换器2，测试电极5的输出依次与前置放大器3和模数转换器2连接。
电阻率测试频率为1000Hz，标定范围为0-10000ohm-m。本探头通过外力压入土体预定深度后，首先控制该探头上的热电温控调节器工作，该温控调节器可以控制温度范围0-100℃，工作电源：AC90～242V 50Hz/60Hz，功耗小于4W，距上部环状电极10cm。待四个环形电极形成稳定的温度场后再进行发射电极放电，通过该温度的校正补偿与土层温度的测试，用以修正不同温度下电阻率的变化，得出真实电阻率数值。
电阻率ρ定义为：
其中几何因素K取决于探头四个电极的几何排列，I为测量电流，V为电位差。
用四电极几何排列探头测定土体电阻率时，电法勘测的物质基础是岩石、矿石具有导电性差异，对于电阻率法是利用土体电阻率的差异，因此在实际工作中就要测定土体电阻率。测定时，供电电流通过同轴电缆由第一发射电极和第二发射电极发射接收，在地下建立起两个异性点电源的稳定电场。
以A表示第一发射电极，B表示第二发射电极，N表示第一测试电极，M表示第二测试电极，O为电极之间的对称面。根据电位叠加原理得到发射电极中间任意两点第一测试电极N和第二测试电极M的电位VM、VN：
式中，I由测试电极M，N测得，AM、BM、AN、BN分别为各电极之间的距离。根据电位VM、VN得到第一测试电极N和第二测试电极M的电位差ΔVMN：
根据上式可以得到测定膨胀土地基电阻率的公式如下：
其中，
a＝OA＝OB＝AB/2 (7)
b＝OM＝ON＝MN/2 (8)
将a、b分别代入(6)中，则有：
K＝π(a2-b2)/2b (9)
将K分别代入(5)中，得出了触探试验的理论方程：
现有技术研究表明，电阻率与重金属污染浓度之间有很好的相关性。通过标定得出电阻率与目标重金属污染土体浓度之间的相关关系，计算得出污染场地的污染浓度。具体电阻率数值拟合为指数函数模型，其电阻率污染浓度之间的关系式为：
ρ＝xNy (10)
式中，N为重金属污染浓度；x、y为参考系数。
通过室内标定试验确定不同重金属污染物对应的具体的参考系数x、y的数值，用以进行现场重金属污染浓度的测试工作。同时标定地表载荷系统通过同轴电缆输入交流电压。电阻率测试产生的电脉冲，经前置放大器放大后传递至模数转换器，模数转换器将所接收的模拟信号转换为数字信号，再将所有的信号集成在同一根同轴电缆上进行传输，由地表的微机采集和存储系统保存，并绘出实时连续的剖面图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，包括触探杆，触探杆内设置同轴电缆、前置放大器和模数转换器，前置放大器连接模数转换器；其特征在于，所述触探杆上设置X射线能谱分析装置和电阻率测试装置；
所述X射线能谱分析装置包括X射线发射器、X射线探测器；所述X射线发射器向土体发射X射线，X射线经土体反射，由X射线探测器扫描接收后将X-射线输出形成电脉冲信号；X射线探测器连接同轴电缆，并通过同轴电缆将电脉冲信号传输至地面能谱分析装置，用以分析得出土体重金属污染物成分；
所述电阻率测试装置包括上下设置于触探杆外周的四个环形电极，环形电极之间通过绝缘层隔离，中间两个环形电极为测试电极，上下两个环形电极为发射电极；所述发射电极由同轴电缆供电，用于向土体发射电流；所述测试电极用于测量电位；所述测试电极的输出依次与所述前置放大器和模数转换器连接，测试电极产生的电脉冲信号，经前置放大器放大后传递至模数转换器，模数转换器将所接收的电脉冲信号转换为数字信号，由同轴电缆传输至地面采集装置，得出所测电位值。
2.根据权利要求1所述的一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，其特征在于，触探杆上设有温控调节器，所述温控调节器位于四个环形电极的下方。
3.根据权利要求1所述的一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，其特征在于，以两个测试电极之间中点所在平面为对称面，两个发射电极关于所述对称面对称设置，所述发射电极到所述对称面之间的距离与所述测试电极到所述对称面距离的比值为1.5～3。
4.根据权利要求3所述的一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，其特征在于，所述四个环形电极的纵向宽度均小于所述测试电极到所述对称面距离。
5.根据权利要求1所述的一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，其特征在于：所述触探杆自上至下顺序设有侧壁摩擦筒、孔压过滤环、圆锥状探头；在摩擦筒的下面设有孔隙水压力传感器，在侧壁摩擦筒的内侧面上布设有侧壁摩阻力压力传感器，在所述锥状探头上布设有锥尖阻力压力传感器，所述孔压过滤环位于侧壁摩擦筒与圆锥状探头的连接处。
6.根据权利要求5所述的一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头，其特征在于，所述圆锥状探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm2，侧壁摩擦筒表面积150cm2，所述孔压过滤环厚度5mm。
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