CN113865938A - 一种整管沉积物保真取样器 - Google Patents

Abstract

一种整管沉积物保真取样器，包括竖直设置的半圆内管，底端外侧设有限位凸台，下缘外侧分别连接四个密封器，限位凸台和封口片之间设有扭转弹簧，当到达预定深度，半圆外管旋转180°后，密封器上的封口片向内转动，半圆内管一侧设有翼翅板，有与半圆内管同圆心的水平导向弧一端连接于翼翅板侧面，半圆外管顶部设有一跨越所述固定板的固定架，固定架的顶部正中设有螺纹连接头，螺纹连接头与连接杆相连，翼翅板根部设有竖直的通气管，通气管底端安装弹性伞帽。本发明在钻进沉积物过程中不会对沉积物产生纵向压实，保证软弱沉积层能够进入取样管中，而不造成关键层位的缺失，解决了上提时的负压问题，显著提高柱状沉积物的取样准确率和完整性。

Description

一种整管沉积物保真取样器

技术领域

本发明涉及沉积物取样技术领域，具体涉及一种整管沉积物保真取样器，保证在沉积物取样过程中不会造成沉积物的压实和软弱层的缺失。

背景技术

在科学研究过程中，经常需要从河口、海岸、沙滩、湿地、黄土等沉积物中获取沉积物样品，某些学科领域的研究对取样和沉积物的要求很高，比如要求必须是整管沉积物样品、且在沉积物取样过程中不能发生沉积物压缩、沉积层缺失、沉积层序变化等，由于这些区域的沉积物易出现蠕变、液化、扰动等问题，因此，沉积物的保真取样技术和方法一直是地质学研究中亟待解决的问题。

公告号为CN 105823646A的中国专利公开了一种“滨海潮滩未扰动土壤柱样取样方法及取样器”，公告号为CN 109596381A的中国专利公开了“一种保持沉积物原位特性的土芯分层采集器”，沉积物直接从取样管的底端进入取样器中的样品室，从而获得沉积物样品，但在实际应用中，从底部获取沉积物的取样器在保持沉积物原位特性、分层和压缩等方面存在一系列问题：比如在沉积物进入取样器的过程中必然会造成沉积物压缩，如果遇到沉积物中有软弱夹层，夹层可能进入不到取样器中，造成沉积物序列的缺失。在实际应用中，从底部进入的取样器的取心率基本都在70%以下，也就是说，取样器每进入沉积物中1米，取样器中获得的沉积物高度基本都在0.7米以下，申请人团队曾利用CN 105823646A所述的装置在泰国红树林湿地进行了取样效果测试，除了个别站位的取芯率可以达到70~80%外，大部分站位的取芯率均在40%以下，这主要是由于钻入过程中沉积物发生压实、沉积物中树枝等物体的阻挡导致下伏沉积物无法进入取样管、某一层或多层软弱沉积层未能进入取样器等因素造成的。

公告号为CN206479350U的中国专利公开了一种“泥炭土取样钻头及泥炭土取样器”的装置，有效解决了沉积物进入取样器过程中出现的沉积物压缩和软弱沉积层缺失等问题，但在钻进过程中仍会对周边沉积物产生挤压，且只能进行半管沉积物取样，不能满足部分学科对样品的需求。

因此，设计一种整管沉积物保真取样器，解决目前整管沉积物取样过程中普遍存在的沉积物压缩、软弱沉积层缺失以及样品进入取样器后出现的沉积序列破坏等亟待解决的技术问题，为科学研究、尤其是对沉积物取样有特殊要求的学科和领域提供可靠的沉积物样品。

发明内容

本发明的目的是提供一种整管沉积物保真取样器，以克服现有技术的不足。

一种整管沉积物保真取样器，其特征在于该取样器包括竖直设置的半圆内管，半圆内管外侧设有可绕其旋转的半圆外管；所述半圆内管和半圆外管的底端外侧设有限位凸台，限位凸台下缘外侧通过水平转轴分别连接四个密封器，密封器由下部的扇形封口片和上部的受力片组成，且每个封口片的圆心角为45°；限位凸台底端外侧和封口片之间的水平转轴上设有扭转弹簧，当取样器到达预定深度，半圆外管旋转180°后，密封器上的封口片在扭转弹簧的作用下向内转动，且在限位凸台和水平转轴的作用下，封口片设计为最多旋转90°，取样器上提过程中，受力片受到取样器周边沉积物向下的阻力可以进一步保证封口片呈水平状态，以保护取样器内沉积物的完整性。

半圆内管的其中一侧边缘设有翼翅板，有与半圆内管同圆心的水平导向弧位于半圆内管下部外侧面，水平导向弧的一端连接于翼翅板，导向弧略长于半圆内管的两侧边缘；所述翼翅板的与水平导向弧相对的一侧，还设有一个与水平导向弧位于同一高度的弧形凸起，与水平导向弧配合可以对旋转后的半圆外管起到限位和固定作用；半圆内管外表面、与翼翅板相对的一侧下部设有卡舌，以保证半圆内管与半圆外管合拢后不发生反向旋转；半圆内管的顶部安装有固定板，固定板的顶部正中位置装有竖向转轴、下部设有水平转轴，固定板的两侧各设有一半圆形盖板，盖板可绕所述水平转轴上下翻动，且固定板和盖板之间设有限位器，以使盖板的打开角度不超过设定值。

半圆外管的一侧边缘设有刀口，半圆外管顶部设有一跨越所述固定板的固定架，所述竖向转轴自下向上连接于固定架底面中部，而使半圆外管围绕半圆内管转动，固定架的顶部正中设有螺纹连接头，螺纹连接头与连接杆相连。

翼翅板根部设有竖直的通气管，通气管底端突出于翼翅板底部，通气管上部通过固定板、竖向转轴、连接杆顶端与大气连通；将取样器压入沉积物前，在通气管底端安装一次性使用的弹性伞帽，取样器完成取样后，在上提过程中，弹性伞帽在周边沉积物摩擦力和负压的双重作用下留在原位，通气管进气，保证取样器上提时取样器底部和沉积物之间的空隙不会产生负压。

所述连接杆由一段或多段螺纹连接杆组成，可以根据取样深度将螺纹连接杆连接至所需的长度，连接杆最下方的螺纹连接杆则通过底部的螺帽与所述螺纹连接头进行连接；连接杆最上方的螺纹连接杆则通过顶端的螺纹与T形连接杆进行连接。

所述螺纹连接头、螺纹连接杆、T形连接杆均为中空结构，且T形连接杆的顶部正中设有通气口，从而形成一条从T形连接杆顶部到通气管底部的进气通道。

所述螺纹连接杆上还标有刻度尺。

所述连接杆上每隔一段固定距离设有一个用于固定横杆的横杆固定圈，所述横杆用于将取样管压入沉积物中或从沉积物中拔出；所述固定距离的取值范围是25cm~100cm。

所述固定横杆包括固定环，固定环由两个半圆环相互扣合而成，两个半圆环的其中一端是通过旋转轴进行连接，另一端是通过固定卡扣进行连接，两个半圆环的外侧各连接一根水平杆；使用时通过固定卡扣将固定环固定在所需高度的横杆固定圈上，在将取样器压入或拔出沉积物的过程中，通过所述横杆上的水平杆可起到助力和保持取样器姿态的作用。

在取样器到达预定深度，旋转T形连接杆进行取样时，所述螺纹连接杆与T形连接杆之间、螺纹连接杆与螺纹连接杆之间、以及螺纹连接杆与螺纹连接头之间螺纹的紧固方向与取样器的旋转方向一致，以起到越拧越紧的效果。

所述卡舌是一段固定在半圆内管外侧表面的弧形弹性钢片。

相比于现有取样设备和技术方法，本发明所述的取样器具有以下显著优点：

1、相比其他类型取样器，本发明提供了一种高保真、不丢沉积层的整管柱状沉积物取样器。在钻进沉积物过程中，尤其是钻进深度方向上沉积不均一或有高含水率软弱夹层沉积物时，可以保证不会对沉积物产生纵向压实，保证软弱沉积层能够进入取样管中，而不造成关键层位的缺失，显著提高柱状沉积物的取样准确率；

2、在取样器上设计了一种取样器上提时的进气装置，解决了取样器上提时的负压问题；同时，在底部设计了封口装置，巧妙利用扭转弹簧和取样器周边沉积物对受力片向下的阻力，使封口片完成对取样管的密封，底部封口和消除负压设计使得在取样器上提过程中，沉积物不会从底部漏出，保证了沉积物的完整性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是取样器主体部分的结构示意图。

图3是取样器内管的结构示意图。

图4是取样器内管下部的详细结构示意图。

图5是取样器外管的结构示意图。

图6是本发明螺纹连接杆（11）的结构示意图。

图7是本发明横杆（13）的结构示意图。

其中，1、半圆内管，2、半圆外管，3、密封器，4、固定板，5、竖向转轴，6、盖板，7、翼翅板，8、导向弧，9、固定架，10、螺纹连接头，11、螺纹连接杆，12、T形连接杆，13、横杆，14、外侧凸台，15、水平转轴，16、扭转弹簧，17、刀口，18、卡舌，19、通气管，20、弹性伞帽，31、封口片，32、受力片，111、横杆固定圈，112、螺帽，113、螺栓，131、固定环，132、固定卡扣，133、水平杆，134、旋转轴。

具体实施方式

如图1-5所示，一种整管沉积物保真取样器，其特征在于该取样器包括竖直设置的半圆内管1，半圆内管1外侧设有可绕其旋转的半圆外管2；所述半圆内管1和半圆外管2的底端外侧设有限位凸台14，限位凸台14的下缘外侧通过水平转轴15分别连接四个密封器3，密封器3由下部的扇形封口片31和上部的受力片32组成，且每个封口片31的圆心角为45°；底端外侧凸台14和封口片3之间的水平转轴15上设有扭转弹簧16，当取样器到达预定深度，半圆外管2旋转180°后，密封器3的封口片31在扭转弹簧16的作用下向内转动，且封口片31设计为最多旋转90°，取样器上提过程中，受力片32受到取样器周围沉积物向下的阻力可以进一步保证封口片31呈水平状态，以保护取样器内沉积物的完整性；

半圆内管1的其中一侧边缘设有翼翅板7，有与半圆内管1同圆心的水平导向弧8位于半圆内管1下部外侧面，水平导向弧8的一端连接于翼翅板7，导向弧8略长于半圆内管1的两侧边缘；所述翼翅板7的与水平导向弧8相对的一侧，还设有一个与水平导向弧8位于同一高度的弧形凸起，其与水平导向弧8配合可以对旋转后的半圆外管2起到限位和固定作用；半圆内管1的下部外表面与翼翅板7相对的一侧底部设有卡舌18，以保证半圆内管1与半圆外管2合拢后不发生反向旋转；半圆内管1的顶部安装有固定板4，固定板4的顶部正中位置装有竖向转轴5、下部设有水平转轴，固定板4的两侧各设有一半圆形盖板6，盖板6可绕所述水平转轴上下翻动，且固定板4和盖板6之间设有限位器，以使盖板6的打开角度不超过设定值；

半圆外管2的一侧边缘设有刀口17，半圆外管2顶部设有一跨越所述固定板4的固定架9，所述竖向转轴5自下向上连接于固定架9底面中部，而使半圆外管2围绕半圆内管1转动，固定架9的顶部正中设有螺纹连接头10，螺纹连接头10与连接杆相连；

翼翅板7根部设有竖直的通气管19，通气管19底端突出于翼翅板7底部，通气管19上部通过固定板4、竖向转轴5、连接杆顶端与大气相连通；将取样器压入沉积物前，在通气管19底端安装一次性使用的弹性伞帽20，取样器上提时，弹性伞帽20在周边沉积物摩擦力和负压的双重作用下留在原位，通气管19进气，保证取样器上提时取样器底部和沉积物之间的空隙不会产生负压。

所述卡舌18是一段固定在半圆内管1外侧表面的弧形弹性钢片。

如图6、7所示，所述连接杆由一段或多段螺纹连接杆11组成，可以根据取样深度将螺纹连接杆11连接至所需的长度，连接杆最下方的螺纹连接杆则通过底部的螺帽112与所述螺纹连接头10进行连接；连接杆最上方的螺纹连接杆则通过顶端的螺纹113与T形连接杆12进行连接。

所述螺纹连接头10、螺纹连接杆11、T形连接杆12均为中空结构，且T形连接杆12的顶部正中设有通气口，从而形成一条从T形连接杆12顶部到通气管19底部的进气通道；

所述螺纹连接杆11上还标有刻度尺。

所述连接杆上每隔一段固定距离设有一个用于固定横杆13的横杆固定圈111，所述横杆13用于将取样管压入沉积物中或从沉积物中拔出；所述固定距离的取值范围是25cm~100cm。

所述固定横杆13包括固定环131，固定环131由两个半圆环相互扣合而成，两个半圆环的其中一端是通过旋转轴134进行连接，另一端是通过固定卡扣132进行连接，两个半圆环的外侧各连接一根水平杆133；使用时通过固定卡扣132将固定环131固定在所需高度的横杆固定圈111上，在将取样器压入或拔出沉积物的过程中，通过所述横杆13上的水平杆133可起到助力和保持取样器状态的作用。

在取样器到达预定深度，旋转T形连接杆12进行取样时，所述螺纹连接杆11与T形连接杆12之间、螺纹连接杆11与螺纹连接杆11之间、以及螺纹连接杆11与螺纹连接头10之间螺纹的紧固方向与取样器的旋转方向一致，以起到越拧越紧的效果。

以利用本发明所述取样器进行潮滩沉积物取样为例，整管沉积物保真取样器的工作过程如下：

（1）在预定取样位置，根据取样深度，通过固定架9上的螺纹连接头10，在取样器上连接合适数量的螺纹连接杆11，螺纹连接杆11顶部连接T形连接杆12；

（2）将横杆13固定在横杆固定圈111的合适位置上，将取样器放置于取样点，利用螺纹连接杆11和横杆13使取样器处于竖直状态，在通气管19底端盖上弹性伞帽20；

（3）先将半圆内管1与半圆外管2转至相互重叠的位置，半圆外管2位于半圆内管1与水平导向弧8之间，半圆外管2下端密封器3的受力片32被半圆内管1下部的水平导向弧8所约束而使密封器3保持竖直状态；半圆内管1下端密封器3的受力片32则被半圆外管2内侧面所约束而同样保持竖直状态，便于在下一步操做中插入沉积物；

（4）采用多人按压横杆13或一人站在横杆13上跳跃的方式使取样器在沉积物中下行，根据螺纹连接杆11进入沉积物的深度，随时向上调节横杆13在螺纹连接杆11上的位置，直至取样器钻至沉积物中的预定深度，在此过程中保持取样器的竖直状态；

（5）取样器到达预定深度后，在水平方向上顺时针旋转T形连接杆12至少180°，保证半圆内管1和半圆外管2合拢为一个整管，密封器3上的封口片31在扭转弹簧16的作用下向内转动；

（6）利用横杆13将取样器上提，上提过程中，弹性伞帽20在周边沉积物摩擦力和负压的双重作用下留在原位，通气管19进气，保证取样器上提时取样器底部和沉积物之间的空隙不会产生负压；

（7）在取样器上提过程中，受力片32受取样器周围沉积物向下的阻力可以进一步保证封口片31呈水平状态，进一步保证了取样器内沉积物的完整性；

（8）在上提过程中，随时向下调整横杆13在螺纹连接杆11上的位置，直至取样器完全从沉积物中拔出；

（9）可现场打开取样器，对获得的沉积物样品进行分样，也可直接将取样器连带内部的沉积物妥善保存后带回实验室进行处理。

Claims (8)

1.一种整管沉积物保真取样器，其特征在于该取样器包括竖直设置的半圆内管（1），半圆内管（1）外侧设有可绕其旋转的半圆外管（2）；所述半圆内管（1）和半圆外管（2）的底端外侧设有限位凸台（14），限位凸台（14）下缘外侧通过水平转轴（15）分别连接四个密封器（3），密封器（3）由下部的扇形封口片（31）和上部的受力片（32）组成，且每个封口片（31）的圆心角为45°；限位凸台（14）底端外侧和封口片（3）之间的水平转轴（15）上设有扭转弹簧（16），当取样器到达预定深度，半圆外管（2）旋转180°后，密封器（3）上的封口片（31）在扭转弹簧（16）的作用下向内转动，取样器上提过程中，受力片（32）受到取样器周边沉积物向下的阻力可以进一步保证封口片（31）呈水平状态，以保护取样器内沉积物的完整性；

半圆内管（1）的其中一侧边缘设有翼翅板（7），有与半圆内管（1）同圆心的水平导向弧（8）位于半圆内管（1）下部外侧面，水平导向弧（8）的一端连接于翼翅板（7）；所述翼翅板（7）的与水平导向弧（8）相对的一侧，还设有一个与水平导向弧（8）位于同一高度的弧形凸起；半圆内管（1）的外表面、与翼翅板（7）相对一侧的下半部设有卡舌（18），以保证半圆外管（2）与半圆内管（1）合拢后不发生反向转动；半圆内管（1）顶部安装有固定板（4），固定板（4）顶部正中位置装有竖向转轴（5）、下部设有水平转轴，固定板（4）的两侧各设有一半圆形盖板（6），盖板（6）可绕所述水平转轴上下翻动，且固定板（4）和盖板（6）之间设有限位器，以使盖板（6）的打开角度不超过设定值；

半圆外管（2）的一侧边缘设有刀口（17），半圆外管（2）顶部设有一跨越所述固定板（4）的固定架（9），所述竖向转轴（5）自下向上连接于固定架（9）底面中部，而使半圆外管（2）围绕半圆内管（1）转动，固定架（9）的顶部正中设有螺纹连接头（10），螺纹连接头（10）与连接杆相连；

翼翅板（7）根部设有竖直的通气管（19），通气管（19）底端突出于翼翅板（7）底部，通气管（19）上部通过固定板（4）、竖向转轴（5）以及连接杆顶端与大气连通；将取样器压入沉积物前，在通气管（19）底端安装一次性使用的弹性伞帽（20），取样器完成取样后，在上提过程中，弹性伞帽（20）在周边沉积物摩擦力和负压的双重作用下留在原位，通气管（19）进气，保证取样器上提时取样器底部和沉积物之间的空隙不会产生负压。

2.如权利要求1所述的一种整管沉积物保真取样器，其特征在于所述连接杆由一段或多段螺纹连接杆（11）组成，可以根据取样深度将螺纹连接杆（11）连接至所需的长度，连接杆最下方的螺纹连接杆则通过底部的螺帽（112）与所述螺纹连接头（10）进行连接；连接杆最上方的螺纹连接杆则通过顶端的螺纹（113）与T形连接杆（12）进行连接。

3.如权利要求2所述的一种整管沉积物保真取样器，其特征在于所述螺纹连接头（10）、螺纹连接杆（11）、T形连接杆（12）均为中空结构，且T形连接杆（12）的顶部正中设有通气口，从而形成一条从T形连接杆（12）顶部到通气管（19）底部的进气通道。

4.如权利要求2所述的一种整管沉积物保真取样器，其特征在于所述螺纹连接杆（11）上还标有刻度尺。

5.如权利要求1所述的一种整管沉积物保真取样器，其特征在于所述连接杆上每隔一段固定距离设有一个用于固定横杆（13）的横杆固定圈（111），所述横杆（13）用于将取样管压入沉积物中或从沉积物中拔出；所述固定距离的取值范围是25cm~100cm。

6.如权利要求1所述的一种整管沉积物保真取样器，其特征在于所述横杆（13）包括固定环（131），固定环（131）由两个半圆环相互扣合而成，两个半圆环的其中一端是通过旋转轴（134）进行连接，另一端是通过固定卡扣（132）进行连接，两个半圆环的外侧各连接一根水平杆（133）；使用时通过固定卡扣（132）将固定环（131）固定在所需高度的横杆固定圈（111）上，在将取样器压入或拔出沉积物的过程中，通过所述横杆（13）上的水平杆（133）可起到助力和保持取样器姿态的作用。

7.如权利要求1所述的一种整管沉积物保真取样器，其特征在于在取样器到达预定深度，旋转T形连接杆（12）进行取样时，所述螺纹连接杆（11）与T形连接杆（12）之间、螺纹连接杆（11）与螺纹连接杆（11）之间、以及螺纹连接杆（11）与螺纹连接头（10）之间螺纹的紧固方向与取样器的旋转方向一致，以起到越拧越紧的效果。

8.如权利要求1所述的一种整管沉积物保真取样器，其特征在于所述卡舌（18）是一段固定在半圆内管（1）外侧表面的弧形弹性钢片。

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