新型錐式河床質(zhì)采樣器研制與應(yīng)用

郎 毅，陳明廠，胡豐收

（黃委河南水文水資源局，河南 鄭州 450004）

新型錐式河床質(zhì)采樣器研制與應(yīng)用

郎 毅，陳明廠，胡豐收

（黃委河南水文水資源局，河南 鄭州 450004）

簡要介紹一款新型錐式河床質(zhì)采樣器，分析工作原理、主要優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合花園口、夾河灘水文站實(shí)際應(yīng)用情況，探討該采樣器存在的一些問題及解決方法。新型錐式河床質(zhì)采樣器可實(shí)現(xiàn)黃河下游河段在水深大、流速急、河床硬的條件下河床質(zhì)采樣，在流速平穩(wěn)的情況下，能有效地依照規(guī)范要求采到距河底淤泥表層 10～20 cm 深度的河床質(zhì)，解決黃河下游河段過去采樣儀器采樣工作量大且歷時(shí)長，以及大水深、大流速條件下難以采樣等難題，適用于黃河全河流域和其他多沙性河流的河床質(zhì)沙樣采取。

黃河；河床質(zhì)；采樣器；錐式；采樣

河床質(zhì)采樣的主要目的是進(jìn)行河床泥沙的顆粒分析。河床質(zhì)是了解、把握懸移質(zhì)含沙量和推移質(zhì)基本輸沙率的斷面橫向分布及變化情況，研究河床沖淤變化和糙率的基本資料[1]。由于各條河流條件尤其是河床的組織構(gòu)成不同，到目前為止，國內(nèi)及水利行業(yè)沒有專用的河床質(zhì)采樣器具，因此需要成為創(chuàng)新的必然要求。尤其是近年來，經(jīng)黃河十多次調(diào)水調(diào)沙應(yīng)用，黃河小浪底以下各站河道刷深，流速加大，河床堅(jiān)硬，這對靠臨時(shí)替代器件采取河床質(zhì)的作業(yè)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此提出利用“鉛魚底下一根針”的取樣方式，使在水深大、流速急[2]、河床硬的條件下河床質(zhì)采樣成為現(xiàn)實(shí)。

黃河下游河段過去采用的采樣儀器（包括懸移質(zhì)橫式采樣器[3]）大都靠人力持桿完成，這在小水深、流速不大的情況下方便易行?？捎龅剿盍骷鼻樾?，往往出現(xiàn)作業(yè)異常艱辛，采樣難以實(shí)現(xiàn)的狀況。在總結(jié)眾多成果適應(yīng)性優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，尤其針對近年來黃河水利委員會（以下簡稱黃委）花圓口和夾河灘兩水文站調(diào)水調(diào)沙期間大水深、大流速、河床硬的特性，研制了新型錐式河床質(zhì)采樣器。

1 新型錐式河床質(zhì)采樣器工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

新型錐式河床質(zhì)采樣器主體由 2 根內(nèi)徑不同、長短不一的鋼管套裝組成。內(nèi)管相應(yīng)位置鏤刻一長方形豁口，管底旋接一內(nèi)窩形錐體，另一端用連接鋼板封死，外管下沿焊一固定圓形托盤，采樣器 3D示意圖如圖 1 所示。

圖 1 錐式河床質(zhì)采樣器 3D 示意圖

1.2 工作原理

采樣器主要工作原理：當(dāng)重鉛魚下降至河底時(shí)，錐體靠鉛魚自重壓入泥沙層，這時(shí)外鋼管在托盤的作用下上移，露出豁口，河底泥沙自動擠入內(nèi)鋼管體內(nèi)。升起鉛魚后，水壓壓下外鋼管托盤封閉內(nèi)鋼管腔體，保證采集到的河床質(zhì)不遺失。具體過程如下：

1）將采樣器經(jīng)連接件牢固安裝至重鉛魚底重心處，啟動相應(yīng)船用或纜道控制臺，將重鉛魚平穩(wěn)放入水中，放開制動裝置，使重鉛魚依靠自重沉入河底，采樣器由重鉛魚壓入河底泥沙層中，淤泥頂起托盤使與之連接的外鋼管向上，露出豁口，河底泥沙主動擠進(jìn)內(nèi)鋼管腔體，此時(shí)狀態(tài)如圖 2 所示。

圖 2 初入河底采樣器狀態(tài)

2）采樣器由重鉛魚繼續(xù)向下壓入距河底淤泥表層 10～20 cm 深度，此時(shí)外鋼管升至連接板處，托盤阻止采樣器繼續(xù)向下，淤泥則自行擠滿內(nèi)鋼管，完成河床質(zhì)采集，此時(shí)狀態(tài)如圖 3 所示。

圖 3 河底采樣器穩(wěn)定狀態(tài)

3）當(dāng)鉛魚提升，在水體內(nèi)，托盤會受水體壓力向下，直至采樣器底部錐體部分，封閉豁口，保證內(nèi)鋼管內(nèi)采集到的河床質(zhì)不外溢，采樣器內(nèi)鋼管內(nèi)充滿河床質(zhì)，此時(shí)狀態(tài)如圖 4 所示。采樣器整體隨鉛魚提出水面后，外鋼管及托盤連接體更會在重力的作用下，封閉好豁口，確保采集到的河床質(zhì)不流失，采樣器內(nèi)鋼管內(nèi)充滿河床質(zhì)，此時(shí)狀態(tài)如圖 5所示。

4）鉛魚提出水面，轉(zhuǎn)到船上或岸上后，測驗(yàn)人員可方便地旋下螺旋錐體，從內(nèi)鋼管下端取出河床質(zhì)，立即裝入專用采樣瓶供后期研究使用，此時(shí)狀態(tài)如圖 6 所示。

圖 4 采樣器隨鉛魚升起

圖 5 采樣器提出水面

圖 6 取出采樣器中的河床質(zhì)

2 新型錐式河床質(zhì)采樣器使用情況

采樣器自研制成型后，先后在花園口、夾河灘水文站試用，試用現(xiàn)場圖如圖 7 所示。試用期間針對取樣深度、規(guī)范取樣精度、取樣歷時(shí)、內(nèi)外鋼管密閉測試等 4 個(gè)方面進(jìn)行比測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）在花園口水文站，新型錐式河床質(zhì)采樣器使用的鉛魚質(zhì)量為 250 kg，采樣深度為測船有效測深 15 m，在流速 ≤ 5 m/s 以內(nèi)均能保證采樣位置精確；手持式采樣器有效取樣深度為 10 m，且受流速影響極大，流速稍大將無法有效保證采樣位置精確。

2）錐式采樣器有采樣深度限制設(shè)計(jì)，因此在流速平穩(wěn)的情況下，能有效依照規(guī)范要求采到距河底淤泥表層 10～20 cm 深度的河床質(zhì)；而傳統(tǒng)手持式采樣器沒有限位設(shè)計(jì)。

3）取樣歷時(shí)方面，起初先用鉛魚打深，再裝上錐式采樣器，這樣較耗時(shí)。后來將錐式采樣器裝上鉛魚后，量取長度，通過多次試驗(yàn)，得到加權(quán)系數(shù)，推算出精確水深。這樣取樣、打深一次性完成，取樣歷時(shí)大大縮短，且在取樣過程中可同時(shí)進(jìn)行流速測驗(yàn)；而手持采樣器則需多人進(jìn)行操作才能同時(shí)完成采樣、測速工作。

4）因?yàn)楹哟操|(zhì)質(zhì)地迥異，錐式采樣器采樣過程中難免會遇到大的顆粒，出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象。對此，多次嘗試在不同地點(diǎn)采樣，在取 10 次沙樣中，沒有發(fā)生一次卡殼情況。

圖 7 在黃河上進(jìn)行河床質(zhì)取樣

3 新型錐式河床質(zhì)采樣器主要優(yōu)點(diǎn)

新型錐式河床質(zhì)采樣器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）能夠很好地結(jié)合現(xiàn)有測驗(yàn)設(shè)施同步進(jìn)行，不影響正常水文測驗(yàn)。

2）利用測驗(yàn)使用的重鉛魚重量將采樣器壓入河底河床中，節(jié)省人力，保證人身安全。

3）重鉛魚自身抗擊水深流急的特性保證采樣器作業(yè)穩(wěn)定、可靠。

4）為了取到規(guī)范要求的河底淤泥表層 10～20 cm河床質(zhì)沙樣，采樣器設(shè)計(jì)上做到充分考慮，對底部錐體部分，內(nèi)鋼管和開槽及外鋼管托盤的尺寸都做了反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)。

5）采樣器整體設(shè)計(jì)充分利用了力學(xué)原理，沒有其他助力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，可靠實(shí)用。

4 新型錐式河床質(zhì)采樣器存在問題及解決方法

4.1 存在問題

采樣器經(jīng)過花園口、夾河灘水文站近 1a 多的試用，存在的問題逐漸顯現(xiàn)出來，具體如下：

1）比測試驗(yàn)中出現(xiàn)遭遇大顆粒河床質(zhì)的情況，外鋼管卡殼后沒有閉合上豁口，采到的樣品在上提過程中有流失。

2）水淺區(qū)域無法有效采樣，因?yàn)殂U魚無法得到有效浮力支撐，發(fā)生側(cè)倒現(xiàn)象，采樣器隨之側(cè)翻，采到沙樣沒能充盈內(nèi)艙。

4.2 解決方法

針對出現(xiàn)卡殼的現(xiàn)象，暫無好的解決方法，因?yàn)槌霈F(xiàn)頻率相對較低，且為不可控現(xiàn)象，因此遇到卡殼現(xiàn)象時(shí)，提出采樣器用清水清洗后，再次下水取樣。對于水淺區(qū)域采樣，考慮使用與手持采樣器結(jié)合方式解決。

5 結(jié)語

新型錐式河床質(zhì)采樣器是針對黃河調(diào)水調(diào)沙以來黃河干流逐年堅(jiān)硬的泥沙河床特點(diǎn)研發(fā)的。該成果研發(fā)成功后，經(jīng)過 1a 試驗(yàn)運(yùn)用改進(jìn)，從 2013年開始至今，一直在黃委河南水文水資源局夾河灘、花園口水文站調(diào)水調(diào)沙期間進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。特別是在 3 000 m3/s 左右流量，水深 3.0～12.5 m，流速2.00～5.00 m3/s 水流條件下，均能有效采取河床質(zhì)沙樣，解決了測站水文測驗(yàn)中長期存在的技術(shù)難題，為進(jìn)一步研究黃河下游的河床泥沙運(yùn)動規(guī)律、河道沖淤變化特性、河床糙率分析等提供了可靠保證。新型錐式河床質(zhì)采樣器自身結(jié)構(gòu)簡單，加工制作難度小，安裝拆卸便捷，制作成本低廉，操控只需依靠現(xiàn)有鉛魚起降設(shè)施，省時(shí)、省力，根據(jù)需要可以方便地使用到動船法和過河纜道水文測驗(yàn)的測站中。新型錐式河床質(zhì)采樣器適用推廣到黃河全河流域和其他多沙性河流，實(shí)用性強(qiáng)，既減輕了水文職工的勞動強(qiáng)度，又從根本上保證了職工人身安全，而且成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，便于就地加工制造，用很少的資金即可獲得很好的生產(chǎn)效益。

[1] 中華人民共和國水利部. 河流推移質(zhì)泥沙及床沙測驗(yàn)規(guī)程：SL 43—92[S]. 北京：中華人民共和國水利部，1993: 714-717.

[2] 陶祖昶. 介紹兩種沙質(zhì)河床質(zhì)采樣器[J]. 人民黃河，1985 (3): 47-48.

[3] 中華人民共和國水利部. 水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備管理規(guī)范：SL 276—2002[S]. 北京：中國水利水電出版社，2002: 33-34.

Developmentandapplication ofa new cone type bed material sampler

LANG Yi, CHEN Mingchang, HU Fengshou
(Henan Hydrologyand Water Resources Bureau, Yellow River Conservancy Commission, Zhengzhou 450004, China)

Thearticle briefly introducesa new cone type of bed load sampler,analyzes the working principle, mainadvantages,and combining theactual Application in the Huayuankouand Jiahetan hydrological station, discusses some problemsand solutions of the existing sampler. The new cone type bed material sampler realizes the bed material sampling under the conditions of deep water depth high, flow velocityand hard riverbed in the downstream of the Yellow River. In the case of smooth flow, it can effectively follow requirements of the specificationand collect to the riverbed silt from the surface depth of 10～20cm. The new sampler can solve the problems of difficulty of sampling in the conditions of large workloadand long durationand deep water, large flow rate of past sampling instrument in Yellow River downstream,and is suitable for river bed sand sampling of the Yellow River Basinand other river.

the Yellow River; bed material load; sampler; cone; sampling

P335

A

1674-9405(2017)02-0042-03

10.19364/j.1674-9405.2017.02.009

2016-08-23

郎 毅（1978-），男，河南滎陽人，工程師，主要從事水利水文科技應(yīng)用研究及推廣應(yīng)用工作。