一種回淤層取土器的研制

胡建平，王年喜

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032)

1 概述

適航水深資源開發(fā)是利用淤泥質(zhì)港區(qū)或呈淤泥特性的沿海航道現(xiàn)行水深以下適航層進行通航，這樣既可增加航深，又可降低航深的維護費用，延長港口、航道的疏浚周期［1］，在節(jié)約能耗的同時，進一步提升港口經(jīng)濟效益。20世紀50年代Inglis等［2］首次提出浮泥(Fluid Mud)的概念，國外已開始在一些港口，如荷蘭鹿特丹港、比利時擇布勒赫港、曼谷蘇里南等相繼開展了適航臨界重度(12.0～13.0 kN/m3)層航行研究，效果顯著。我國自20世紀70年代開始進行了適航水深研究，2006年發(fā)布了首部《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(JTJ/T 325—2006)［3］，并取得了一系列研究成果。

適航水深的關(guān)鍵是測得回淤層浮泥重度及流變等特性，從而確定適航厚度。規(guī)范中對適航回淤層取樣主要集中在非接觸走航式和接觸式重力器具［3］二類，接觸式中也提到現(xiàn)場樣本采集，但未涉及到采樣方法?，F(xiàn)場采樣是進行室內(nèi)顆粒組成分析、泥沙沉降、重度、流變特性試驗等關(guān)鍵，驗證與分析非接觸類技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，最終確定適航重度值。目前，國內(nèi)現(xiàn)有針對適航回淤層取樣方法呈五花八門，良莠不齊，有些取樣結(jié)果甚至造成原本適航的水深，變成了必須疏浚的結(jié)論，以至疏浚周期的縮短，造成浪費。

本文圍繞適航水深資源開發(fā)采用的接觸與非接觸二類技術(shù)展開探討，為精確獲取適航回淤層重度等參數(shù)，研發(fā)一種具有穩(wěn)定、高效的原狀浮泥取土器，望能推進現(xiàn)有適航資源開發(fā)接觸類勘探技術(shù)科技進步，豐富并完善這一領(lǐng)域的取樣手段。

2 淤泥性土定義

淤泥的準確名稱應(yīng)為淤泥性土，它是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，根據(jù)孔隙比、天然含水率、重度(又稱密度)可細分為浮泥、流泥、淤泥、淤泥質(zhì)土［4－5］，如表1 所示。

表1 淤泥性土分類

淤泥性土各層面的劃分標準因不同地區(qū)泥質(zhì)而異，其中按重度劃分較為科學(xué)。適航水深資源開發(fā)就是利用淤泥質(zhì)港區(qū)和呈淤泥特性航道適航厚度通航(圖1)，適航厚度重度(10.3～15 kN/m3)的準確測定成為判別各類測定技術(shù)的優(yōu)劣。

圖1 適航水深界面關(guān)系

3 回淤層取樣機理

3．1 非接觸類取樣技術(shù)

為突破大面積走航式適航水深測量的難題，提高適航水深測量的可靠性和測量精度，天津水運工程勘察設(shè)計院于2003年成為我國首家引進荷蘭STEMA公司 Silas適航水深測量系統(tǒng)的單位［6］。STEMA公司開發(fā)的Silas系統(tǒng)主體有聲學(xué)數(shù)據(jù)采集及處理軟件、Densitune振動密度計;外選設(shè)備有:普通雙頻測深儀(帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)，帶A/D轉(zhuǎn)換卡的電腦，DGPS定位系統(tǒng)及導(dǎo)航軟件共5部分組成。Silas系統(tǒng)采用雙頻測深儀向海底發(fā)射高、低頻聲波信號，高頻聲波被反射而低頻聲波則穿透海底一定厚度的浮泥層，發(fā)射回波信號取決于回淤層的重度變化。這種重度變化被定義為“重度梯度”。反射信號的幅度大小是由反射層的重度梯度確定的，重度梯度越大，反射信號越強。由于聲波的反射和重度梯度之間的關(guān)系是已知的，即每一次反射都是因為重度的梯度變化引起的，這樣就可以對重度的梯度進行定量化處理。利用標定過的聲源信號來記錄反射信號的強度，則可以高精度地測出重度的梯度值，Densitune音叉密度儀可高精度測量標定點的絕對重度，為建立發(fā)射信號強度和重度之間的對應(yīng)關(guān)系提供可靠的參考點。近年來，Silas系統(tǒng)在荷蘭、德國、法國、美國和印度等適航水深資源開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。在我國天津港、連云港、廣州南沙港、洋山深水港、黃浦江隧道等工程應(yīng)用中，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、重度測量的準確性及作業(yè)效率得到廣泛好評［7－8］。Silas系統(tǒng)測定技術(shù)實際上是音叉密度計與雙頻測深儀兩種手段的耦合，是當前極具發(fā)展前景的獲取非接觸適航水深的手段。

辛文杰等［9］在研究港珠澳大橋工程伶仃洋水沙運動規(guī)律發(fā)現(xiàn)，不同的泥沙環(huán)境，對水下超聲回波信號的干擾和影響差異有時會很大，很多情況下，僅根據(jù)高頻與低頻測深數(shù)據(jù)的差值，并不一定能劃分出浮、淤泥的層厚。另，由于測深儀低頻穿透能力有限，當浮泥重度或厚度較大，低頻反射面反映的密度會偏小，導(dǎo)致檢測的準確性降低。

3．2 接觸類取樣技術(shù)

適航水深資源開發(fā)接觸類取樣主要有:測深砣、三爪砣及回淤層取土器。國內(nèi)外普遍認為，“眼見為實”的勘探仍然是取樣的唯一手段，采用取土器采集原始淤泥樣本，通過室內(nèi)測定獲取天然重度等指標。目前，國內(nèi)用于原狀軟粘性土(重度 ＞15 kN/m3)的取土器設(shè)計與制造技術(shù)取得了很大進展，具有代表性的有:固定式活塞薄壁取土器、單動三重(二重)管取土器等，它們的取土質(zhì)量均較高，滿足了工程地質(zhì)資料分析的需求。由于我國適航水深資源的開發(fā)起步較晚，針對回淤層取土器的研究與國際標準尚有差距，但不乏一些較優(yōu)秀的研發(fā)成果受到關(guān)注。

(1)一種中閉鎖式泥土取樣器［10］，采用管狀結(jié)構(gòu)，包括上部取土管、中部閉鎖裝置和下部取土管3部分。上部取土管連接中部閉鎖裝置，中部閉鎖裝置由軸閥座和軸閥組成，軸閥鑲嵌在軸閥座中，中部閉鎖裝置連接下部取土管，上部取土管為取土內(nèi)管，外部裝有制動外管，制動外管下端部有垂直導(dǎo)向槽和弧形制動槽，導(dǎo)向槽致使懸掛體僅能垂直向上下移動，弧形制動槽致使軸閥僅能水平軸向轉(zhuǎn)動。

(2)一種齒型取樣器封口裝置［11］，封口裝置包括卡環(huán)式導(dǎo)桿、可開合阻泥片、筒體和齒型封口片;卡環(huán)式導(dǎo)桿固定于取土器下端，導(dǎo)桿滑動機械連接筒體，筒體上端裝有可開合阻泥片，筒體下端通過彈簧連接齒型封口片。提取取土器時，利用泥土的阻力使阻泥片張開，筒體下移，封口片封閉土樣下端開口。

(3)一種逆止封閉式取土器［12］，包括活塞、土樣管、逆止封閉管和活動管靴;活塞依次連接土樣管、逆止封閉管、活動管靴，活塞、土樣管、逆止封閉管固定相連在一起，活動管靴與逆止封閉管為滑動式機械連接結(jié)構(gòu)，逆止封閉管內(nèi)裝有活動管靴觸動的逆止片。提取取土器時，利用泥土的阻力使活動管靴下滑，帶動逆止片封閉土樣。

上述3種取土器都可用于水下回淤層浮泥采集，但具有局限性，第1種取土器下部結(jié)構(gòu)采用真空負壓取樣，為現(xiàn)行勘探技術(shù)普遍采用，適用于具有形態(tài)的軟—可塑土取樣。第2、3種取土器采用了封口裝置，對成功采集浮泥是一項進步，但由于封口裝置由若干逆止(封口)片組成，封口片實施同步關(guān)閉較為困難及封口片間隙等因素，均會造成高含水量浮泥中水的滲漏，造成測定的重度值偏大，影響數(shù)據(jù)準確性。再者，現(xiàn)有技術(shù)均未涉及采樣時試樣上部開口封蓋，難以保證整個樣本原狀性。由此引發(fā)開發(fā)一種全封閉回淤層浮泥取土器的設(shè)想。

3．3 全封閉回淤層取樣裝置實現(xiàn)

首先使翻蓋張開，翻蓋下端支撐在控制圈上，使取土器處于待采樣狀態(tài)。將本裝置連接在鉆桿下面，插入水下回淤泥層中，隨著取土器不斷下降，上部浮泥依次經(jīng)過控制圈內(nèi)壁，取樣筒的下端開口、上端開口，由通孔排出，直到指定深度。然后，將空氣壓縮機的氣壓或高壓水泵的水壓通過鉆桿內(nèi)孔壓入缸套中，推動活塞向下運動，使耳朵蓋板向下運動，封閉取樣筒的上端開口;同時，控制圈隨之下移，控制圈與翻蓋脫離接觸，翻蓋在扭簧作用下瞬間關(guān)閉，將取樣筒下端開口封閉。這樣，浮泥樣本就被密封在取樣筒中，提起鉆桿，在勘探平臺上完成取土器中取樣筒的取出操作。

具體步驟如下:

(1)先使控制圈朝上，鉆桿接頭朝下，整個取土器與勘探平臺基本垂直;

(2)卸下控制桿下端的兩個螺帽，往上取出控制圈，旋下翻板架;

(3)在取樣筒的下端開口處(當前朝上)旋上一個密封蓋;

(4)然后將取土器倒過來，使取樣筒上的密封蓋朝下，鉆桿接頭朝上;

(5)旋開活塞桿，取出耳朵蓋板，旋開中間筒;

(6)在取樣筒的上端開口處也旋上一個密封蓋，然后分開半合管的左右兩個半圓管;

(7)取出取樣筒，寫上編號、入土深度等標識，貼在取樣筒上，在取樣筒與密封蓋之間的縫隙處繞上密封帶并進行蠟封，儲存在樣本箱內(nèi)，統(tǒng)一運送至試驗室進行試驗。

4 回淤層取土器研制

4．1 設(shè)計原理

設(shè)計一個取土器，核心部件有驅(qū)動缸、取樣筒、翻蓋控制等，通過勘探平臺上現(xiàn)有的動力泵施加水或氣壓力，使驅(qū)動缸實施翻蓋，達到取樣筒上下端開口封閉，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷［13］。設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 取土器設(shè)計原理

4．2 設(shè)計方案

一種淤泥質(zhì)浮泥取土器［14］，主要包括以下部件:驅(qū)動缸、外套筒、取樣筒、耳朵蓋板、翻蓋、控制圈和控制桿等。驅(qū)動缸包括缸套、活塞和活塞桿等;外套筒固定連接在缸套下方;取樣筒可拆卸地安裝在外套筒內(nèi)部;耳朵蓋板與活塞桿的下端固定連接，并可以封閉所述取樣筒的上端開口;翻蓋可翻轉(zhuǎn)地安裝在外套筒下端，并可以封閉取樣筒的下端開口;控制圈位于取樣筒的下方，用于擋住呈打開狀態(tài)的翻蓋;控制桿上端與耳朵蓋板相連接，下端與控制圈相連接，剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動缸利用水或氣壓力帶動耳朵蓋板和翻蓋分別封閉取樣筒的上端開口和下端開口，在取樣筒封閉之前，無需提升采樣裝置，從而可以很好地實現(xiàn)泥樣的原狀性;并且不受環(huán)境、水深等影響。

圖3 取土器剖面結(jié)構(gòu)示意

4．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了限制活塞的運動范圍，在缸套的下端固定連接一個塞蓋，塞蓋與缸套的內(nèi)壁螺紋配合，塞蓋上設(shè)有供活塞桿穿過的中心孔，還設(shè)有排氣孔，在活塞的運動過程中，排氣孔可以起到平衡活塞下方壓力的作用(圖4)。

圖4 驅(qū)動缸結(jié)構(gòu)示意

(1)驅(qū)動缸內(nèi)活塞柱面上設(shè)有密封圈與缸套內(nèi)壁密封配合，并可在缸套的內(nèi)腔中上下運動，活塞桿的上端通過螺紋與活塞固定連接，活塞桿的下端延伸到一個外套筒并與一個耳朵蓋板通過螺紋固定連接;活塞桿的中段可以設(shè)置為方形截面或六邊形截面，以便于利用扳手擰螺紋。缸套的上端通過螺紋與一個鉆桿接頭連接，鉆桿接頭呈中空管狀，與缸套的內(nèi)腔相通，可以將外部的氣或水壓力壓入缸套的內(nèi)腔中，推動活塞向下運動。鉆桿接頭上端設(shè)有外螺紋，可以螺紋連接若干長度的鉆桿，鉆桿長度從勘察平臺垂直延伸到水面，再延伸到采樣點。

(2)外套筒內(nèi)部還可拆卸地安裝一個取樣筒，取樣筒的上、下兩端均設(shè)有開口，其中取樣筒的上端開口與所述耳朵蓋板正對，并可以被耳朵蓋板的底面封閉，耳朵蓋板的底面上設(shè)有O形密封圈，可與取樣筒的上端開口密封配合。

外套筒可以由中間筒、半合管和翻板架連接而成，其中中間筒的上端與缸套的下端螺紋連接;而半合管由兩片半圓管拼合而成，半合管的上端與中間筒的下端螺紋連接，半合管的下端與翻板架螺紋連接;所述翻蓋通過銷軸安裝在翻板架上，銷軸上套有扭簧，扭簧作用于翻蓋上一個閉合扭矩，也就是對翻蓋施加使其向內(nèi)翻轉(zhuǎn)(閉合)的作用力(圖5)。

圖5 外套筒上下控制結(jié)構(gòu)示意

(3)取樣筒的下端超過外套筒的下端，在外套筒的下端安裝有可翻轉(zhuǎn)的翻蓋。在取樣筒外壁的上、下兩端各設(shè)有凸緣，而半合管的兩端位于所述凸緣之間，從而將取樣筒軸向限位(圖6)。

在中間筒的側(cè)壁上開有矩形的通孔，耳朵蓋板可以從通孔放入中間筒的內(nèi)部，耳朵蓋板兩端的凸耳從通孔中伸到中間筒的外部，并與控制桿相連接。當耳朵蓋板在活塞桿的帶動下向下運動時，通孔也可以為耳朵蓋板兩端的凸耳提供活動空間。

圖6 取樣筒結(jié)構(gòu)示意

(4)翻蓋有2個，左右對稱地安裝在外套筒下端。當翻蓋向內(nèi)翻轉(zhuǎn)時，可以封閉取樣筒的下端開口，2個翻蓋的上表面各設(shè)有一層半圓形密封墊，以保證密封效果。在取樣筒的下方間隔一定距離設(shè)有一個內(nèi)徑與取樣筒相同的控制圈，當翻蓋向外翻開時，翻蓋的下端可以被控制圈擋住，使其保持打開狀態(tài);控制圈與控制桿的下端相連接，控制桿的上端與耳朵蓋板相連接。

2個翻蓋的端部都設(shè)有斜面，閉合狀態(tài)下，所述2個翻蓋的端部通過斜面相搭接，這樣可以增加接觸面，增強密封效果。但這種搭接，需要控制2個翻蓋先后完成翻轉(zhuǎn)，即右側(cè)的翻蓋需要先翻上去，然后，左側(cè)的翻蓋再翻上去，使它們的斜面相重疊，形成搭接。本設(shè)計通過合理地設(shè)置控制圈的形狀，來達到這種效果(如圖7所示)。右側(cè)的翻蓋相接觸的控制圈右側(cè)軸向長度短一些，而與左側(cè)的翻蓋相接觸的控制圈左側(cè)軸向長度要長一些，也就是說，控制圈左側(cè)的上邊緣高于右側(cè)的上邊緣，這樣，當控制圈在控制桿的帶動下向下運動時，右側(cè)的翻蓋先與控制圈右側(cè)脫離接觸，會先翻上去;然后左側(cè)的翻蓋再與控制圈左側(cè)脫離接觸，后翻上去，形成搭接。

5 裝置測試驗證

為了保證實際工程中應(yīng)用，我們設(shè)計了一個3 m×3 m攪拌水池，逼真模擬現(xiàn)場河床沉積環(huán)境，采用研制的回淤層浮泥取土器產(chǎn)品進行了近百次取樣測試及室內(nèi)數(shù)據(jù)驗證。

(1)按照規(guī)范［4－5］配置成不同砂、粉、粘粒含量的浮、流泥土，進行土工顆粒組成分析、重度等物理試驗，部分測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 室內(nèi)測試數(shù)據(jù)

(2)回淤層取土器裝置密閉性測試，取土后大于1 h時間滲漏現(xiàn)象(圖8)，模擬取土后，浮泥取土器裝置提升到甲板，打開裝置取出樣本筒，整套過程密封性檢測。實驗說明，適航水深回淤層取樣裝置完全達到了設(shè)計要求。

圖7 取樣后裝置密封性滲漏測試

6 結(jié)語

(1)以測深砣、三爪砣為代表的接觸式回淤層取樣手段對環(huán)境和人員要求較高，取樣精度受水動力、浮泥發(fā)育情況和作業(yè)人員感知、熟練程度等綜合影響，所獲取的數(shù)據(jù)與實際誤差較大。

(2)不同水域的回淤層泥質(zhì)差別較大，采用非接觸類技術(shù)確定浮淤泥上下界面重度時須進行現(xiàn)場取樣，對泥沙顆粒、級配、狀態(tài)等進行試驗室數(shù)據(jù)驗證及分析，才能確保適航厚度數(shù)據(jù)的準確。

(3)現(xiàn)場定點取樣是室內(nèi)準確獲取顆粒組成分析、泥沙沉降分析、重度、淤泥流變特征等唯一手段，開發(fā)回淤層浮泥采集裝置是非接觸走航式檢測手段的補充與完善，具有廣闊的應(yīng)用市場和發(fā)展前途。

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