高頻振動取芯系統(tǒng)在冊田水庫底泥取樣中的應用

田杰

（山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002）

高頻振動取芯系統(tǒng)在冊田水庫底泥取樣中的應用

田杰

（山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002）

在冊田水庫底泥污染治理項目中，采用高頻振動取芯系統(tǒng)對現(xiàn)場底泥進行取樣，對采集的巖芯樣品進行了地質(zhì)編錄、巖芯采樣、運輸、保管、化學分析。并對水庫底泥取樣提出了合理建議。實踐證明，高頻振動取芯系統(tǒng)可在類似水利工程作業(yè)中推廣應用。

高頻振動取芯系統(tǒng)；底泥污染；底泥取樣

1 工程概況

冊田水庫位于桑干河中上游，山西省大同縣西冊田村北，屬于海河流域永定河水系，距大同市區(qū)約60 km。壩址以上控制流域面積16 700 km2（包括上游趙家窯、下米莊、薛家營、東榆林、鎮(zhèn)子梁、恒山、十里河等七座中型水庫，流域面積6 618 km2），占下游北京市官廳水庫流域面積的38.5%，其中石山區(qū)3 815 km2，平川區(qū)5 260 km2。干流縱坡1.9%，流域多年平均降水量400 mm。庫總?cè)莘e5.8億m3，其中，死庫容3.6億m3，調(diào)洪庫容1.63億m3，現(xiàn)壩前淤積高程944.2 m。水庫始建于1958年3月，1960年攔洪。建庫以來，多年平均徑流量3.3億m3，平均輸沙量1 200萬t，年均淤積725萬m3。

冊田水庫防洪設計標準為100年一遇，校核標準為2000年一遇，下游河道為20年一遇，設計汛限水位956 m，是一座集城市用水、防洪、灌溉及養(yǎng)殖綜合利用的多年調(diào)節(jié)大型水庫。

水體底泥污染是世界范圍內(nèi)的一個環(huán)境問題，污染物通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖刷進入水體，最后沉積到底泥中并逐漸富集，使底泥受到嚴重污染。底泥中主要的污染物有重金屬、營養(yǎng)元素、難降解有機物。為了研究排入水體的污染物在底泥中的積累、分布、轉(zhuǎn)化和遷移的規(guī)律，需要對水庫底泥樣品進行采集。

目前，大同3 528廠近四十年的嚴重污染，影響了桑干河干流及下游冊田水庫水質(zhì)，因此有必要對水庫底泥污染情況進行取樣調(diào)查，并采取相應措施進行處理。

2 取樣方案

底泥的正確采集在水體環(huán)境研究和底泥污染分析評價中有十分重要的意義；收集非代表性底泥或不正確采集底泥樣品，不僅勞民傷財，而且會造成錯誤的結(jié)論。因此，選擇良好、實用的底泥芯樣采集器對水庫底泥采樣，是污染分析的關鍵。

對冊田水庫的水面、水面萎縮后形成的沙灘和農(nóng)田進行了實地考察，并通過水底聲納掃描，調(diào)查了解水底地形地貌及淤泥結(jié)構(gòu)等情況。從聲吶數(shù)據(jù)來看在頂層淤泥中有一條明顯的分界線，說明分界線上下沉積泥的性質(zhì)完全不同，才會出現(xiàn)明顯的分界。根據(jù)分析白線以上是較為疏松的淤泥質(zhì)粉質(zhì)組成，白線以下逐步變?yōu)榫o密沉積的粉細沙組成。上層疏松的淤泥質(zhì)粉質(zhì)的厚度大約在1～1.4 m左右，接近庫尾逐步減小至0.5 m左右。從整體掃描數(shù)據(jù)來看，沉積底泥的組成結(jié)構(gòu)變化不大，壩前沉積淤泥較厚。

在分析前期調(diào)查數(shù)據(jù)基礎上，研究制定了淤泥采樣方案。由于淤泥沉積較厚，只有采用柱狀樣采樣方案才能夠分析出沉積淤泥污染物的分布情況。需要采集的樣品分為水下沉積淤泥樣品、沙灘樣品和農(nóng)田樣品三種。重點為水下沉積淤泥樣品。

對于水下淤泥和沙灘沙土應通過柱狀樣進行采樣，因為需要采集的樣品主要為水下沉積淤泥，采樣器使用高頻振動取芯系統(tǒng)。

高頻振動取芯系統(tǒng)是一款既可以運用于沙灘沙土采樣也可以運用于水下淤泥取樣的采樣器。

高頻振動取芯系統(tǒng)由加重高頻振動頭，樣芯管連接器，樣芯管，并可以配置PVC樣芯內(nèi)承管。該裝置可以在很短的時間內(nèi)手工安裝完成。振動取芯系統(tǒng)，能夠快速鉆穿（因此能保證巖芯質(zhì)量）所有常見未固結(jié)的沉積地層，包括致密砂巖、硬粘土巖和未固結(jié)的石灰?guī)r等。

3 現(xiàn)場作業(yè)

對采集的巖芯樣品進行地質(zhì)編錄、巖芯采樣、運輸、保管、化學分析。

鉆探施工開始后，地質(zhì)編錄人員隨施工進度在現(xiàn)場及時進行巖芯編錄。首先檢查巖芯擺放有無拉長，順序有無顛倒等；然后開始詳細記錄，內(nèi)容包括鉆孔編號、位置、深度、巖性描述取樣位置及樣號等。

試驗樣品從巖芯中采集，采取方法采用連續(xù)采樣法。取樣原則為不同層位變層采樣；相同層位間隔0.5 m左右采樣。樣品采集好后，由專人逐項檢查、核對。對采樣孔號、采樣深度、樣品描述、樣品總數(shù)、采樣時間、采樣人等如實記錄。樣品包裝使用可密封的塑料袋，樣品保存使用冷藏柜，溫度不高于4℃。

從野外采集回的樣品經(jīng)登記，核對，編號后，將樣品攤在聚乙烯塑料盤中，在通風避光的室內(nèi)自然風干，經(jīng)磨細至200目，混勻，分裝，制成待測樣品送到檢測室。

樣品檢測采用內(nèi)部監(jiān)控和外部比對的質(zhì)量控制辦法。內(nèi)部監(jiān)控首先采用組內(nèi)檢測人員平行檢測，自檢率達100%，并在每30個樣品中加插4個國家標準物質(zhì)進行質(zhì)量監(jiān)控；其次按不同鉆孔、深度、地層層位，均勻合理選取內(nèi)檢樣品，并由不同人員重復檢測，內(nèi)檢樣品占樣品總數(shù)的20%，準確度和精密度符合規(guī)范要求。

在外部比對質(zhì)量控制上，項目部從全部樣品中隨機抽取10個樣品，送國土資源部太原礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中芯檢測，檢測后的數(shù)據(jù)，與基本分析數(shù)據(jù)進行比對，系統(tǒng)誤差滿足置信度95%的要求。

4 結(jié)論和建議

在現(xiàn)場取樣中因為需要在水面以上進行作業(yè)，因此要搭建較為穩(wěn)定的作業(yè)平臺，保證作業(yè)人員安全及取樣設備正常工作，平臺可采用簡易船體搭建，外側(cè)固定浮筒以增加浮力。

目前，大于5 m深的水下淤泥取芯樣的采取并進行分層分析在國內(nèi)并不多見。此次采樣選用了加拿大維克輕便型高頻震動鉆機。該取樣系統(tǒng)用6.5 Ps的汽油機作為動力，振動頭產(chǎn)生每分鐘7 000～12 000次的震動頻率，當振動頻率與地層的自然諧振頻率疊合時，能把極大的能量直接傳遞給鉆頭。高頻振動作用使鉆頭以切削、剪切、斷裂的方式鉆進地層中，甚至還會引起周圍土粒液化，讓鉆進變得非常容易。

通過現(xiàn)場作業(yè)可以看出，高頻振動取芯系統(tǒng)適合水下泥沙層、軟巖或淤泥等沉積物環(huán)境的鉆探取樣。特別適合水庫、河流、湖泊水下沉積物無擾動取樣。同時該鉆機鉆進速度快，能夠達到1.5 m/min，鉆進施工安全性好、適應地層范圍廣、能夠進行連續(xù)取樣，保證采集到不被擾動的樣品，并且鉆進過程不會產(chǎn)生二次污染。

維克鉆機整機設計新穎、性能可靠，代表了世界先進技術；設備操作簡單，通過簡單培訓就可以掌握，易損件少、維修方便；同時，設備整機重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，適合地形陡峭、交通不便地區(qū)和狹小區(qū)域開展工作，運輸成本非常低，同時也方便在水面開展作業(yè)。可在同類工程實踐中推廣應用。

TQ075+.2

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1004-7042（2017）04-0030-02

田杰（1980-），男，2002年畢業(yè)于太原理工大學水利工程專業(yè)，工程師。

2016-02-03；

2016-03-15