CN110439551A - 一种地下水采样器及倾斜式地下水采样系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一种地下水采样器及倾斜式地下水采样系统，地下水采样器设置在倾斜的采样井中，用于对目标地层的地下水进行采样，包括管体、中空取样管、涨紧件、止水件以及过滤部件，管体的外壁前端呈锥状，管体前端的内壁上设置有凸起，中空取样管的两端开口且连通，一端与管体前端的凸起相连，另一端与涨紧件的一端相连，中空取样管内设置有止水室，该止水室具有分别设置在止水室两端的阻挡件，涨紧件设置在管体的内部，涨紧件的一端呈锥状，另一端与管体的后端螺纹连接，止水件活动设置在止水室内，过滤部件设置在中空取样管内的前端，位于中空取样管开口与止水室之间，用于对从管体前端进入中空取样管的水进行过滤。

Description

一种地下水采样器及倾斜式地下水采样系统

技术领域

本发明属于环保领域，具体涉及一种地下水采样器及倾斜式地下水采样系统。

背景技术

目前对地下水的采样，都是采用钻孔构建地下水监测井的方法。钻孔一般是采样钻机在场地垂直地面钻入或推入一定深度，然后置入井管，在井壁与井管之间填充石英砂及膨润土进行过滤及封堵，洗净后再在地下水井中采集地下水样品。这种方法构建的地下水监测井都是垂直于地面的。但很多时候，需要知道一些特殊物体如建筑物、构筑物、填埋场、河流或湖泊、古迹保护区、重要设施等底部的地下水环境状况，却无法或不能从上部进行钻孔建井。对于这种情形，目前尚缺乏对其底部深层地下水取样的技术，导致无法准确判定底部的环境状况，是场地环境调查面临的重要技术难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种地下水采样器以及倾斜式地下水采样系统，解决了目前只能垂直采样的技术难题，实现了地下倾斜式地下水采样，使得在各类填埋场、建筑物、构筑物、湖泊、河流、遗迹、重要设施等底部不同位置处地下水取样成为现实。

本发明提供了一种地下水采样器，设置在倾斜的采样井中，用于对目标地层的地下水进行采样，具有这样的特征，包括管体，呈圆筒状，该管体的外壁前端呈锥状，管体前端的内壁上设置有凸起，管体的后端的内壁和外壁上分别设置有内螺纹和外螺纹，中空取样管，该中空取样管的两端开口且连通，设置在管体内，一端与管体前端的凸起相连，另一端与涨紧件的一端相连，中空取样管内设置有止水室，该止水室具有分别设置在止水室两端的阻挡件，涨紧件，呈圆筒状，设置在管体的内部，涨紧件的一端呈锥状，用于插入中空取样管内，另一端与管体的后端螺纹连接，止水件，活动设置在止水室内，过滤部件，设置在中空取样管内的前端，位于中空取样管开口与止水室之间，用于对从管体前端进入中空取样管的水进行过滤。

另外，在本发明提供的地下水采样器中，还可以具有这样的特征：其中，中空取样管还包括设置在另一端的止水室，止水室内设置有止水件。

另外，在本发明提供的地下水采样器中，还可以具有这样的特征：其中，阻挡件具有设置在中空取样管内壁上的凸起。

另外，在本发明提供的地下水采样器中，还可以具有这样的特征：其中，过滤部件可拆卸地设置在中空取样管内的前端，过滤部件包括多层过滤网、呈圆环形的固定架，过滤网设置在固定架中，固定架的外径与中空取样管的内径相匹配。

一种倾斜式地下水采样系统，用于需要对特殊目标底部的地下水环境进行调查的区域中的至少一个不同深度的各个目标地层的地下水进行采样，其特征在于，包括对应于至少一个不同深度的各个目标地层的采样点设置的至少一个具有不同深度的倾斜的采样井；以及设置在采样井中的地下水取样器，其中，采样点位于目标地层中，采样井的井口位于特殊目标的边界外部，地下水取样器设置在采样井的井底，该井底位于对应的采样点，采样井的轴线与地面的倾斜角度小于15度，地下水取样器为上述的任意一种的地下水采样器。

在本发明提供的倾斜式地下水采样系统中，其特征在于，还包括可移动式钻机，该可移动式钻机机的底部设有底盘，底盘的下方设有履带梁架和安装在履带梁架上的行走机构，底盘的四角分别设有四个液压支架，作业时，液压支架伸出支撑于地面，底盘的上部设置有桅杆，桅杆上设置有动力头组件和夹持固定组件，桅杆固定在滑动座上，滑动座底部与起降杆铰接，通过调节起降杆使得桅杆与地面保持一定的角度。

另外，在本发明提供的倾斜式地下水采样系统中，其特征在于，还包括多个钻杆，多个钻杆的长度与采样井的井深相匹配，相邻的钻杆通过螺纹连接。

另外，在本发明提供的倾斜式地下水采样系统中，其特征在于，还包括钻头，具有导向板、导向杆以及信号发射棒，导向板呈板状，导向板的前段呈尖状，导向板的侧壁上设有多个透水孔道，导向杆内设置有探测腔，探测腔内设置有信号发射棒。

另外，在本发明提供的倾斜式地下水采样系统中，还可以具有这样的特征：其中，导向板的前段的两侧分别设置有刀刃，刀刃线与导向板中心线的夹角为45度～80度。

另外，在本发明提供的倾斜式地下水采样系统中，其特征在于，还包括监控仪，用于接收信号发射棒发出的超声波信号，显示钻头的位置、方向以及角度。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种倾斜式地下水采样系统，包括对应于至少一个不同深度的各个目标地层的采样点设置的至少一个具有不同深度的倾斜的采样井；以及设置在采样井中的地下水取样器，实现了地下倾斜式地下水采样，使得在各类填埋场、建筑物、构筑物、湖泊、河流、遗迹、重要设施等底部不同位置处的地下水采集成为现实，解决了目前只能垂直、无法倾斜采样的技术难题，实现了地下倾斜式地下水采样，能在过去无法采样的位置进行采样，是地下水环境采样技术的重要突破。

另外，本发明的倾斜式地下水采样系统，可以一次钻孔在不同点位、不同深度处采集地下水样品，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例中采样剖面示意图；

图2是本发明实施例中钻头侧视示意图；

图3是本发明实施例中钻头俯视示意图；以及

图4是本发明实施例中地下水采样器示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例对本发明的倾斜式地下水采样系统作具体阐述。

实施例一

某垃圾填埋场占地560亩，分为二期，第一期230亩，填埋年代较早，属于非正规垃圾填埋场，底部未设防渗膜。第二期是后期建设而成，占地330亩。填埋场做了相对较规范的底部防渗处理，防渗层底部位于地面以下7m。根据当地的发展规范，该场地需要进一步进行治理修复，首先需要对垃圾填埋场地开展环境调查。由于第一期和第二期填埋场相邻，第一期填埋场未做防渗，垃圾渗滤液可能已经下渗并扩散到二期填埋场地底部，为判断二期填埋场底部的污染情况，需要进行土壤及地下水采样。由于二期做了防渗处理，如果从填埋场的上部钻孔取样，势必会破坏防渗层，造成渗滤液下渗，污染进一步扩散，采用传统的采样技术无法进行采样。

倾斜式地下水采样系统包括对应于至少一个不同深度的各个目标地层的采样点设置的至少一个具有不同深度的倾斜的采样井；以及设置在采样井中的地下水取样器。

对应于垃圾填埋场的范围，对垃圾填埋场的平面划分网格，设定需要设置的网格的数量。

在网格中心设定监测点；对应于监测点正下方的目标地层，设定采样点。

设定倾斜式采样井的数量和钻孔点的数量，倾斜式采样井的数量和钻孔点的数量是相同的。

一个倾斜式采样井对应于至少一个采样点。

如图1所示，实施例中，从垂直于填埋场边界向填埋场中心方向，分别在填埋场底部设置3个不同采样点位。第一个采样点1距离边界20m，采样深度在防渗层底部以下2m处；第二个采样点2距离边界35m，采样深度在防渗层底部以下3m处；第三个采样点3距离边界70m，采样深度在防渗层底部以下5m处，本实施例中，一个倾斜式采样井对应于不同位置处的3个采样点。

从钻孔点向采样点进行倾斜式采样井的施工。

根据采样需求，首先确定倾斜式采样井的倾斜角度，一般该倾斜角度不大于15度。

采样系统包括可移动式钻机、钻杆、导向钻头、监控仪、地下水取样器。

可移动式钻机机的底部设有底盘，在主机底盘的下方设有履带梁架和安装在履带梁架上的行走机构，在底盘的四角设有液压支架，在作业时液压支架伸出支撑于地面，起到固定钻机的作用。在钻机底盘上部设置有桅杆，桅杆上有动力头组件和夹持固定结构，桅杆固定在滑动座上，滑动座底部由起降液压杆与主机底盘铰接固定，调节起降杆可使桅杆与地面保持一定角度。

钻杆为中空钢管，一端有外螺纹，另一端有与外螺纹相匹配的内螺纹，钻杆与钻杆之间通过螺纹连接。

钻杆的最前端安装钻头10，如图2、3所示，钻头10包括导向板11和钻杆12，导向板11呈板状，导向板11与钻杆12的轴线的夹角a为45度，导向板11前段呈尖状，两侧刃线与导向板11中心线的夹角为45度～80度。钻头10中设置有探测腔室14，内置信号发射棒。导向板11前端及侧壁设有多个透水孔道13。导向板11采用钨钢、锰合金等材质制成，具有强度高，耐磨性好的特点。

监控仪与发射棒通信连接，监控仪设置在地面上，可以接收导向钻头10中发射棒发出的超声波信号，通过监控仪上的屏幕可以监控导向钻头10的位置、方向以及角度，通过旋转导向钻头的钻板11角度可以控制钻杆旋进的方向。

如图4所示，地下水取样器30包括管体31、中空取样管32、涨紧件33、止水件34以及过滤部件35。

实施例中，管体31为一段中空钢管，钢管外壳的前端略微收口，呈锥状，有利于在土中挤压推进。实施例中，管体31前端的内壁上设置有两个凸起，管体31的后端的内壁和外壁上分别设置有内螺纹、外螺纹，通过外螺纹可以与钻杆螺纹连接。

中空取样管32的两端开口且连通，设置在管体31内，一端与管体31前端的凸起相连，另一端与涨紧件33的一端相连，中空取样管内设置有止水室，该止水室包括分别设置在止水室两端的阻挡件321，阻挡件321为设置在中空取样管32内壁上的凸起。实施例中，阻挡件321为两个相对设置在中空取样管32内壁上的凸起，两个凸起之间具有空隙，中空取样管32采用塑料或金属制成。

进一步地，中空取样管32还包括设置在另一端的止水室，止水室内设置有止水件。

涨紧件33呈圆筒状，设置在管体31的内部，涨紧件33的一端呈锥状，用于插入中空取样管32内，另一端设置有与管体的内螺纹相匹配的外螺纹，与管体31的后端螺纹相连。实施例中，涨紧件33的一端呈扁口状，可方便旋转，另一端具有外螺纹，涨紧件33内具有沿轴线设置的通孔，涨紧件33呈扁口状的一端设置在中空取样管32内，另一端通过外螺纹与管体31的内螺纹螺纹连接，中空取样管32的一端被管体31前端的凸起卡住，另一端与涨紧件33相连，中空取样管32通过涨紧件33固定在管体31内，中空取样管22的一端与管体31的前端连通。

止水件34，设置在止水室内，可以在止水室内活动，实施例中，止水件34为球体，该球体的直径大于两个凸起之间的缺口。

过滤部件35，设置在中空取样管32内，实施例中，过滤部件35包括多层过滤网、固定架，固定架呈圆环形，多层过滤网设置在固定架中，其外壁与中空取样管32内壁紧配合，可拆卸更换。实施例中，过滤部件35设置在管体前端，位于管体31开口与止水室之间，用于对从管体31前端进入中空取样管32的水进行过滤。

取样时，地下水从管体31前端开口处经过滤部件35过滤后流入中空取样管32内，止水件34打开，地下水取样器30回抽时，止水件34下移与两个凸起之间契合，阻止水流出地下水取样器30。

地下水取样时，具体操作方法包括以下步骤：

第一步骤，对应于特殊目标的范围，对特殊目标的平面划分网格，设定需要设置的网格的数量；

第二步骤，在网格中心设定监测点；

第三步骤，对应于监测点正下方的目标地层，设定采样点；

第四步骤，设定倾斜式采样井的数量和钻孔点的数量；

第五步骤，从钻孔点向采样点进行倾斜式采样井的作业；

第六步骤，洗管操作，洗井约5-7次；

第七步骤，安装地下水采样器，将地下水抽到地下水采样器中；

第八步骤，回旋抽出地下水采样器，得到目标地层的采样地下水。

第九步骤，取样完成后，向倾斜式采样井内注入膨润土或水泥浆，对倾斜式采样井进行封堵。

根据采样需求，先绘制钻头行进的轨迹，确定倾斜角度。选定钻机停放位置，应保证停放区域比较平坦坚实，将移动式钻机驶入停放地点，桅杆朝向钻进方向，伸出支撑架固定钻机。调整桅杆底部液压支架，将桅杆与水平地面形成一定倾斜角度，并将桅杆滑出至地面。在钻杆上旋入导向钻头，将钻杆固定在夹持装置上，并将后端连接到动力组件上。开动马达旋转钻杆推进，当一根钻杆钻进到地下之后，连接下一根钻杆，钻杆逐级螺接，钻杆的连接或分离通过卸扣板实现。每进一杆，都要实时监控钻头的位置及深度。

当需要调整钻头行进方向时，通过监控仪观察导向钻头的朝向。导向板朝向十二点钟方向时，停止旋转，推进钻杆，则钻杆往上行进；同理，调整导向板的指向如九点钟、三点钟、六点钟等方向，可以控制钻杆在地下向左、右及下方向行进。当深度较大钻头遇到阻力无法推进时，启动钻机上的加压泵，将去离子水通过钻杆中空孔道注入到钻头，经钻头上的通水孔流出，促进钻头钻进，防止钻头抱死，泥浆从钻杆外侧沿钻孔流出地面。

当导向钻头到达采样位置时，将钻杆反向旋转稍微退出一定距离，启动抽水装置，利用钻杆将钻孔中的泥浆抽出，然后静置，反复抽水5-7次进行进行洗管的洗井操作。然后回抽钻杆将钻杆全部提出。将最后一根钻杆上的导向钻头卸掉，更换地下水取样器30，按同样方式推入到采样点，地下水取样器30前端与孔中的土壤最底部保持一定空隙，便于集水，此时地下水取样器30与周边土壤密合较好，地下水取样器30上部的地下水不容易进入到下部孔隙，启动抽水泵，使钻杆内部形成微负压，地下水取样器30最前端的地下水经过滤部件35中的过滤层过滤后流入地下水取样器30，可通过负压控制方式置换2-3倍取中空取样管32体积的地下水。回抽钻杆时，中空取样管32内水外流带动止水件34进入密封座形成密封，地下水无法流出采样管。逐根抽回钻杆，卸掉地下水取样器30，取出取水管，转移到采样瓶中保存，完成地下水采样。

根据设定的钻头行进轨迹，继续钻进到下一采样位置，按照上述操作，开展采样。可以一次性在不同位置、不同深度处采集地下水样品。

为防止倾斜式钻孔可能会导致不同位置处的污染物迁移扩散，在取样完成后，再将钻杆推入钻孔，通过钻杆中空孔道注入膨润土或水泥泥浆，一边将钻杆逐根抽出时，一边逐次注入膨润土或水泥浆，直至地面，完成封堵。

实施例中，将三个采样点连线与填埋场边界交点的外侧4.7m处作为钻机安放点，将移动式钻机驶入停放地点，桅杆朝向采样点，伸出支撑架固定钻机。调整桅杆底部液压支架，将桅杆与水平地面呈20度倾角，并将桅杆滑出至地面。在钻杆上旋入导向钻头，将钻杆固定在夹持装置上，将后端连接到动力组件上。开动马达旋转钻杆推进，当一根钻杆钻进到地下之后，螺接下一根钻杆，每进一杆，都要实时监控钻头的位置及深度。钻进时通过钻杆中空通道向钻头注入去离子水。当导向钻头钻进26.3m时，到达第一采样位置时，即地下水9m处，将钻杆反向旋转退出约30cm距离，启动抽水装置，利用钻杆将钻孔中的泥浆抽出。然后回抽钻杆将钻杆全部移出。将最后一根钻杆上的导向钻头卸掉，更换为地下水采样器，进行地下水采样。

进行第二个点位的采样，通过监控仪观察导向钻头的朝向，将钻头导向板朝向十二点钟方向，停止旋转，推进钻杆，则钻杆往上行进，直至将钻杆调整至与水平线夹角为3.8度；停止推进，旋转钻杆钻进15.03m，达到第二采样点，按照上述同样的方法进行土壤及地下水采样。完成第二个采样点时，要调整导向板方向往上约0.54度，旋进推进35.06m即达到第三个采样点，按同样方法采用。

采样完成后，再将钻杆推入钻孔，通过钻杆中空注入膨润土或水泥泥浆，一边将钻杆逐根抽出时，一边逐次注入膨润土或水泥浆，直至地面，完成封堵。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种倾斜式地下水采样系统，解决了目前只能垂直、无法倾斜采样的技术难题，实现了地下倾斜式地下水采样，使得在各类填埋场、建筑物、构筑物、湖泊、河流、遗迹、重要设施等底部不同位置处地下水取样成为现实，能在过去无法采样的位置进行采样，是地下水环境采样技术的重要突破，极大扩展了场地环境调查的范围和关键区域的采样。

另外，本实施例的倾斜式地下水采样系统，可以一次钻孔在不同点位、不同深度处采集地下水样品，提高了工作效率。

进一步地，本实施例的倾斜式地下水采样系统，采样后对钻孔实施了封堵，避免了污染物沿钻孔扩散转移的风险。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地下水采样器，设置在倾斜的采样井中，用于对目标地层的地下水进行采样，其特征在于，包括：

管体，呈圆筒状，该管体的外壁前端呈锥状，所述管体前端的内壁上设置有凸起，所述管体的后端的内壁和外壁上分别设置有内螺纹和外螺纹，

中空取样管，该中空取样管的两端开口且连通，设置在所述管体内，一端与所述管体前端的凸起相连，另一端与所述涨紧件的一端相连，所述中空取样管内设置有止水室，该止水室具有分别设置在所述止水室两端的阻挡件，

涨紧件，呈圆筒状，设置在所述管体的内部，所述涨紧件的一端呈锥状，用于插入所述中空取样管内，另一端与所述管体的后端螺纹连接，

止水件，活动设置在所述止水室内，

过滤部件，设置在所述中空取样管内的前端，位于所述中空取样管开口与所述止水室之间，用于对从所述管体前端进入中空取样管的水进行过滤。

2.根据权利要求1所述的地下水采样器，其特征在于：

其中，所述中空取样管还包括设置在另一端的所述止水室，所述止水室内设置有所述止水件。

3.根据权利要求1所述的地下水采样器，其特征在于：

其中，所述阻挡件具有设置在所述中空取样管内壁上的凸起。

4.根据权利要求1所述的地下水采样器，其特征在于：

其中，所述过滤部件可拆卸地设置在所述中空取样管内的前端，

所述过滤部件包括多层过滤网、呈圆环形的固定架，所述过滤网设置在固定架中，固定架的外径与所述中空取样管的内径相匹配。

5.一种倾斜式地下水采样系统，用于需要对特殊目标底部的地下水环境进行调查的区域中的至少一个不同深度的各个目标地层的地下水进行采样，其特征在于，包括：

对应于至少一个不同深度的各个目标地层的采样点设置的至少一个具有不同深度的倾斜的采样井；以及

设置在所述采样井中的地下水取样器，

其中，所述采样点位于所述目标地层中，所述采样井的井口位于特殊目标的边界外部，

所述地下水取样器设置在所述采样井的井底，该井底位于对应的所述采样点，

所述采样井的轴线与地面的倾斜角度小于15度，

所述地下水取样器为权利要求1-4中任意一种所述的地下水采样器。

6.根据权利要求1所述的倾斜式地下水采样系统，其特征在于，还包括：

可移动式钻机，该可移动式钻机机的底部设有底盘，所述底盘的下方设有履带梁架和安装在履带梁架上的行走机构，所述底盘的四角分别设有四个液压支架，作业时，所述液压支架伸出支撑于地面，所述底盘的上部设置有桅杆，所述桅杆上设置有动力头组件和夹持固定组件，所述桅杆固定在滑动座上，所述滑动座底部与起降杆铰接，通过调节所述起降杆使得所述桅杆与地面保持一定的角度。

7.根据权利要求1所述的倾斜式地下水采样系统，其特征在于，还包括：

多个钻杆，多个钻杆的长度与所述采样井的井深相匹配，

相邻的所述钻杆通过螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的倾斜式地下水采样系统，其特征在于，还包括：

钻头，具有导向板、导向杆以及信号发射棒，

所述导向板呈板状，所述导向板的前段呈尖状，所述导向板的侧壁上设有多个透水孔道，

所述导向杆内设置有探测腔，所述探测腔内设置有信号发射棒。

9.根据权利要求4所述的倾斜式地下水采样系统，其特征在于：

其中，所述导向板的前段的两侧分别设置有刀刃，所述刀刃线与所述导向板中心线的夹角为45度～80度。

10.根据权利要求4所述的倾斜式地下水采样系统，其特征在于，还包括：

监控仪，用于接收信号发射棒发出的超声波信号，显示所述钻头的位置、方向以及角度。