張惟河

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510220)

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觸發(fā)器式取樣器在深基槽浮泥取樣中的應(yīng)用

張惟河

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510220)

摘要：本文簡單介紹了幾種常用類型的海底浮泥取樣器的取樣原理和特點(diǎn)，并通過綜合比較分析說明了觸發(fā)器式取樣器是目前在深水基槽槽底浮泥取樣工作中取樣成功率最高的取樣設(shè)備，同時經(jīng)過改造完成后的縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器在深水基槽槽底浮泥取樣中得到了有效的應(yīng)用，能夠很好的滿足深水基槽施工要求。

關(guān)鍵詞：浮泥取樣；原理和特點(diǎn)；觸發(fā)器式取樣器；深水基槽槽底

引 言

河流、海洋水體中挾帶的大量細(xì)顆粒泥沙，在到達(dá)水流流速較緩的區(qū)域時容易沉積凝聚于海底形成浮泥層，浮泥層中的物質(zhì)物性和海水是不同的，浮泥層對于船舶通航和海底隧道沉管安放條件來說，與固結(jié)物質(zhì)構(gòu)成的海底也是不一樣的，因?yàn)樗翘幱诎肓鲃訝顟B(tài)的，某些海岸工程對其物質(zhì)特性是有嚴(yán)格要求的，如在建的港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基槽施工，為確保基槽基礎(chǔ)客觀環(huán)境滿足相應(yīng)要求，保證最后沉管沉放可靠、安全，設(shè)計制定嚴(yán)格的基槽清淤質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：塊石夯平前，當(dāng)隧道基槽底含水率<150 %或密度>1.26 g/cm3的回淤沉積物厚>0.3 m，應(yīng)予清淤；碎石整平前，當(dāng)隧道基槽底密度>1.15 g/cm3的回淤沉積物厚>0.3 m，應(yīng)予清淤；沉管安放前，對隧道墊層頂及以上3 m高度范圍內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行檢測，當(dāng)平均密度>1.05 g/cm3時，應(yīng)予清淤。因此，隧道基槽槽底浮泥探測研究是該工程項(xiàng)目的一項(xiàng)研究重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。如何更好、更全面的分析基槽槽底浮泥各密度層厚度的三維空間分布，對于基槽開挖、清淤施工、沉管安放等關(guān)鍵工序決策的科學(xué)性、正確性、合理性有著重要的指導(dǎo)意義。

為準(zhǔn)確掌握基槽槽底浮泥分布狀態(tài)，除了運(yùn)用泥漿密度儀進(jìn)行基槽槽底浮泥密度檢測外，槽底浮泥取樣作為另一種泥漿密度檢測手段，其存在是十分有必要的，能夠促使運(yùn)用兩種手段對浮泥密度檢測結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，確保最終檢測結(jié)果的可靠性，以滿足高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的工程要求，同時通過對獲取到的浮泥樣品進(jìn)行地質(zhì)實(shí)驗(yàn)，還可以大致分析淤積物的物質(zhì)來源，以便更好的指導(dǎo)回淤監(jiān)測工作。就目前而言深水海底浮泥取樣技術(shù)還尚未成熟，取樣作業(yè)主要分為人工潛水探摸取樣和取樣器取樣，但是人工探摸取樣有較大的局限性，非但取樣費(fèi)用昂貴、效率低下，作業(yè)環(huán)境要求更是嚴(yán)格且取樣質(zhì)量也難以保證，因此能不能高效率、高質(zhì)量的完成取樣工作，很大程度上取決于取樣器的優(yōu)劣。

1 幾種常見取樣器的取樣原理及特點(diǎn)

目前用于海洋地質(zhì)調(diào)查取樣的取樣器類型繁多，但真正能夠適合于海底浮泥取樣的并不多，常用的幾種浮泥取樣器類型主要為蚌式取樣器、法蘭盤式取樣器、重錘式取樣器以及觸發(fā)器式取樣器。

1）蚌式取樣器

蚌式取樣器外形類似于小抓斗，這種類型的取樣器重量較大，蚌體通過兩根鋼繩組合連在一起，取樣器入水下放過程中，受鋼繩拉力和自身重力相互作用，開口始終處于張開狀態(tài)，在觸底后，受向上拉力作用，開口閉合抓取樣品。該類型取樣器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但開口張開和閉合過程不靈敏，在取樣過程中容易發(fā)生取樣器沒能完全閉合的現(xiàn)象。

2）法蘭盤式取樣器

法蘭盤式取樣器是通過取樣杯體與上下安裝的兩個法蘭盤之間相互作用的原理完成取樣的，取樣器在入水下放過程中，受兩法蘭盤自重的作用，開口始終處于關(guān)閉狀態(tài)，在取樣器觸底后，底端法蘭盤受到向上推力，使開口打開，此時樣品進(jìn)入杯體，當(dāng)取樣器被拉上來瞬間，開口又自然閉合。該類型取樣器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但由于其底部法蘭盤面積較大，下放時，受海水向上的作用力較大，很容易使開口一直處于打開狀態(tài)，造成杯體中充滿海水，無法獲取樣品。

3）重錘式取樣器

重錘式取樣器取樣原理與法蘭盤式取樣器原理相似，它比法蘭盤式取樣器要先進(jìn)些，其采用球閥裝置為控制開關(guān)，取樣成功率相對較高。

4）觸發(fā)器式取樣器

觸發(fā)器式取樣器取樣開關(guān)是由人工主動觸發(fā)被動控制的，在下放前，由人工靠鎖環(huán)將其開口打開，取樣器下放觸底后，靠人站在船邊將觸發(fā)器沿觸發(fā)繩索投入水中擊打觸發(fā)桿，使開口閉合，而獲取樣品。該類型取樣器主體為塑料外殼，質(zhì)輕，制作成本低，且位置可調(diào)。

2 縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器的應(yīng)用

縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器在深水基槽槽底浮泥取樣中的成功應(yīng)用是經(jīng)過對多種類型的取樣器反復(fù)的比較篩選研究、多層次的改造創(chuàng)新以及多次試驗(yàn)的最終產(chǎn)物，具體實(shí)施流程見圖1所示。

圖1 取樣器制作應(yīng)用實(shí)施流程

2.1 不同類型取樣器運(yùn)用情況對比

本階段不同類型的取樣器在深水基槽槽底浮泥取樣試驗(yàn)工作，我們均安排在平潮時段或潮水流速低于0.5 m/s時段內(nèi)進(jìn)行。選取具有代表性的隧道基槽E7-E9管節(jié)段槽底區(qū)段作為取樣試驗(yàn)區(qū)域，該區(qū)域槽底分布有較厚的浮泥層（經(jīng)雙頻測深儀和泥漿密度儀檢測確認(rèn)），水下高程約為-28~-35 m，共完成取樣試驗(yàn)點(diǎn)位10個，點(diǎn)位分布情況如圖2所示。

在眾多網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中，OPNET是較好的一款[4]。與別的仿真軟件相比，它提供了階層性的模擬方式、開放易用的軟件環(huán)境、便捷友好的結(jié)果分析界面[5]。利用OPNET仿真技術(shù)，可以搭建虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺，模擬真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、協(xié)議、通信量仿真及網(wǎng)絡(luò)流量在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸、交換等過程，并能夠通過搜集分析網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，升級和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，還能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)故障分析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)等[6]。

圖2 取樣試驗(yàn)點(diǎn)位分布

本階段取樣試驗(yàn)中操作人員是經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的，取樣過程嚴(yán)格按照外業(yè)取樣操作章程進(jìn)行，在深水基槽槽底浮泥取樣過程中不同類型的取樣器的表現(xiàn)是不同的，具體情況統(tǒng)計如表1、表2所示。

表1 各類型取樣器的表現(xiàn)情況統(tǒng)計

表2 各類型取樣器成功率統(tǒng)計

由表1、表2可知，在深水基槽槽底浮泥取樣工作中，重錘式取樣器和觸發(fā)器式取樣器的浮泥取樣成功率遠(yuǎn)超過了其它兩種類型取樣器的取樣成功率，其中觸發(fā)器式取樣器取樣效率尤為突出。重錘式取樣器雖然取樣成功率較高，但是由于它采用的是球閥裝置控制開關(guān)，在實(shí)際浮泥取樣應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)倘若基槽槽底底質(zhì)中夾雜有較粗顆粒物質(zhì)，很可能造成球閥裝置損壞或開關(guān)不靈敏等現(xiàn)象，因此經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)觸發(fā)器式取樣器是目前在深水基槽槽底浮泥取樣工作中成功率最高的取樣設(shè)備。

2.2 縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器應(yīng)用分析

觸發(fā)器式取樣器在深水基槽槽底浮泥取樣試驗(yàn)中取樣成功率很高，但這還足以滿足高效率、高質(zhì)量的工程要求，因此針對工程需要，我們對取樣器反復(fù)的進(jìn)行改造和試驗(yàn)，在已有的觸發(fā)器式取樣器設(shè)備基礎(chǔ)上，添加了另外一個取樣器，其中兩個取樣器采用縱橫方向安裝在自制水砣載體（在外海深水區(qū)域用于控制取樣器和泥漿密度儀姿態(tài)，同時對儀器設(shè)備還具有保護(hù)作用）上并且取樣開關(guān)采用聯(lián)動開關(guān)控制，同時它們在水砣載體上的安裝位置均是可調(diào)的，這些方面的改造成功一定程度上實(shí)現(xiàn)了定位定層取樣且取樣質(zhì)量好的目的，更好的達(dá)到了高效率、高質(zhì)量的槽底浮泥取樣要求，縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器實(shí)物如圖3。

圖3 縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器

為了證明改造完成后的縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器能夠很好的完成深水基槽槽底浮泥取樣工作，2013年3月，組織實(shí)施了深水基槽槽底浮泥取樣和泥漿密度儀密度測試試驗(yàn)，兩者是同步進(jìn)行的，本次共完成12個點(diǎn)位的取樣試驗(yàn)任務(wù)，其中僅失敗1次，取樣成功率高達(dá)92 %。在試驗(yàn)過程中，縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器和泥漿密度儀均固定安裝在水砣載體上，其中橫向取樣器兩端口位置與密度儀音叉頭基本平行。利用泥漿密度儀檢測結(jié)果（泥漿密度儀在測量前已進(jìn)行了標(biāo)定和校準(zhǔn)等步驟，其密度檢測結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的）對橫向取樣器的取樣質(zhì)量進(jìn)行評估，針對取到的樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，樣品密度測定以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計，具體統(tǒng)計情況見圖4、表3。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計

表3 樣品密度誤差分析統(tǒng)計

通過圖4和表3可知，橫向取樣器采集到的樣品密度測定值與密度儀測定的密度值偏差較小，樣品密度測試誤差值絕大部分可控制在3.0 %以內(nèi)，該統(tǒng)計分析結(jié)果同時也說明了縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器的取樣質(zhì)量是可靠的。

3 結(jié) 語

1）觸發(fā)器式取樣器在深水基槽槽底浮泥取樣中成功率高，經(jīng)改造完成后的縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)定位定層采樣且采樣質(zhì)量好的目的，同時采集到的樣品通過實(shí)驗(yàn)分析，其結(jié)果能夠與泥漿密度儀檢測結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，保證密度檢測結(jié)果的可靠性，還可大致分析淤積物的物源情況，對基槽槽底回淤監(jiān)測和回淤控制起到一定作用。

2）觸發(fā)器式取樣器還可以應(yīng)用于河口及鄰近海域水體樣品的采集，分析水體中懸浮體的空間分布情況及影響因素，對了解河口沉積學(xué)過程和闡明河流控制下的現(xiàn)代陸架的沉積物“Source to sink”過程具有重要的意義。

3）縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器浮泥取樣還可應(yīng)用于適航水深研究中，在疏浚工程方向具有一定的參考價值。

4）目前改造完成的縱橫復(fù)合型觸發(fā)器式取樣器在深水基槽槽底浮泥取樣應(yīng)用中還有一定的缺陷，如該取樣器采用的是人工被動性控制取樣開關(guān)，自動化程度不高，操作相對復(fù)雜，在海況較差的深水區(qū)域進(jìn)行取樣作業(yè)很難保證取樣效率，因此若能夠?qū)ζ溥M(jìn)一步改造，真正實(shí)現(xiàn)取樣器的自動化是未來海洋勘察取樣技術(shù)研究努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張平波，鄭昌武. 差壓式海底浮泥層密度測量[J]. 上海水利，1997，（2）:17-22.

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Flip-flop Sampler Applying to Floating Sludge Sampling at the Bottom of Deepwater Foundation Trench

Zhang Weihe
(CCCC Guangzhou Dredging Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510220, China)

Abstract:a briefing introduction has been given to the principle and characteristics of several common samplers that are used to collect the sample of floating sludge above seabed, and the comprehensive comparison and analysis have been made to show that flip-flop sampler serves as a sampling device with the highest mission success rate applying to floating sludge sampling at the bottom of deepwater foundation trench. In addition, the vertical /horizontal compound flip-flop sampler has been reformed and effectively used to sample the floating sludge at the bottom of deepwater foundation trench, which meets the requirements for the construction of deepwater foundation trench.

Key words:floating sludge sampling; principle and characteristics; flip-flop sampler; deepwater trench bottom

作者簡介：張惟河（1986-），男，助理工程師，主要從事水運(yùn)工程勘測工作。

收稿日期：2015-04-30

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160116

中圖分類號：U655.3+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）01-0067-04