祁敏敏，曾寶慶，陸　波，邢　宏

(1．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江　杭州　310016；3.浙江省河海測(cè)繪院，浙江　杭州　310008)

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維克輕便型高頻振動(dòng)鉆機(jī)在灘涂底質(zhì)取樣中的應(yīng)用

祁敏敏1,2,3，曾寶慶1,2,3，陸波1,2,3，邢宏3

(1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310016；3.浙江省河海測(cè)繪院，浙江杭州310008)

加拿大維克便攜式高頻振動(dòng)取樣鉆機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)維克鉆機(jī))采用高頻方式鉆進(jìn)，當(dāng)振動(dòng)頻率接近于土體自然頻率時(shí)，以切削工藝快速穿透土層，很好地解決了傳統(tǒng)取樣器難以在灘涂取出完整的、不被擾動(dòng)的底質(zhì)樣品的難題。實(shí)踐表明，維克鉆機(jī)具有便攜、鉆進(jìn)速率快、取樣質(zhì)量高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，借助維克鉆機(jī)探測(cè)技術(shù)，可以極大地提升工作效率，同時(shí)結(jié)合淺地層剖面儀等設(shè)備，將更好地服務(wù)于浙江省“灘涂資源調(diào)查”、“圍墾施工”等相關(guān)項(xiàng)目。

維克鉆機(jī)；高頻振動(dòng)；灘涂；機(jī)理分析；工藝特點(diǎn)

1　問(wèn)題的提出

近年來(lái)，浙江省內(nèi)多數(shù)河道、水庫(kù)、淺海由于長(zhǎng)期受到水土流失、垃圾排放以及周邊農(nóng)藥廠、造紙廠等排放污染物的影響，造成淤積嚴(yán)重，對(duì)水源質(zhì)量、河道的泄洪能力以及水庫(kù)正常庫(kù)容帶來(lái)嚴(yán)重的影響[1]。因此，有必要對(duì)沉積層進(jìn)行采集探測(cè)，分析底質(zhì)性狀，從而為灘涂圍墾的建設(shè)提供基礎(chǔ)資料。

由于受水深、潮流、淤泥硬度等因素的影響，傳統(tǒng)沖擊取樣器自動(dòng)化程度較差，取樣厚度較淺，最為關(guān)鍵的是取樣過(guò)程中河道、水庫(kù)、淺海淤積層被強(qiáng)烈的擾動(dòng)，不能達(dá)到樣品要求。維克鉆機(jī)能很好地解決傳統(tǒng)取樣器面臨的困擾[2-3]。本文分析了維克鉆機(jī)高頻振動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)理及其工藝特點(diǎn)，介紹了在浙江省某工程近區(qū)灘涂取樣中的實(shí)例應(yīng)用，總結(jié)了維克鉆機(jī)的推廣意義。

2　維克鉆機(jī)高頻振動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)理分析

維克鉆機(jī)由振動(dòng)頭、動(dòng)力裝置、4.8m長(zhǎng)的撓性軸和提引器組成(見(jiàn)圖1)。振動(dòng)頭是關(guān)鍵性構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。動(dòng)力裝置為Honda汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)離合器轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶帶動(dòng)減速箱，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)撓性軸傳送到給進(jìn)機(jī)構(gòu)。借助振動(dòng)頭的振動(dòng)作用以及鉆桿自身重力穿透淤泥沉積層[4-6]。鉆桿配有特殊設(shè)計(jì)的螺紋和端部有凹槽使得旋轉(zhuǎn)變得非常容易，鉆桿之間結(jié)合緊密，鉆桿樣式見(jiàn)圖2。鉆桿有BQ、NQ和HQ三種規(guī)格，其參數(shù)見(jiàn)表1。鉆桿下面連接1個(gè)經(jīng)過(guò)熱處理、高強(qiáng)度的鋼材料鉆頭，不需要回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1　維克鉆機(jī)組成構(gòu)件圖

圖2　鉆桿樣式示意圖

規(guī)格長(zhǎng)度/m外徑/mm內(nèi)徑/mmHQ1.5288.977.7NQ1.5269.860.5BQ1.5255.646.0

高頻振動(dòng)鉆機(jī)主要運(yùn)用于較軟地層，其作用機(jī)理包括2方面[7-10]：

(1)當(dāng)振動(dòng)頭振動(dòng)頻率接近于鉆桿頻率而共振時(shí)，鉆桿便產(chǎn)生強(qiáng)烈的縱向振動(dòng)而加快鉆桿速率；

(2)當(dāng)振動(dòng)頭振動(dòng)頻率與土體顆粒自然諧振頻率疊合時(shí)，鉆桿鉆進(jìn)速度加快。

前者是使鉆桿處于劇烈振動(dòng)而加快土層擾動(dòng)，后者是直接使土體處于強(qiáng)烈振動(dòng)，兩者所需要的振動(dòng)頻率是不一樣的。

維克鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)思想很獨(dú)特，代表當(dāng)今世界創(chuàng)新性技術(shù)，采用高頻振動(dòng)方式鉆進(jìn)，振動(dòng)頭振動(dòng)頻率為7 000～12 000次/min。當(dāng)振動(dòng)頻率接近于土體自然頻率時(shí)，可以將極大的能量直接傳送到鋼材料鉆頭。高頻振動(dòng)使鉆頭以切削形式穿過(guò)土層，甚至引起土體液化，讓鉆進(jìn)變得非常迅速。

3　維克鉆機(jī)工藝特點(diǎn)

3.1便攜

維克鉆機(jī)各組成部件重量見(jiàn)表2。從表2可以看出，與具有同等鉆進(jìn)能力的普通鉆機(jī)相比，維克鉆機(jī)是最小的一種，使用這種鉆機(jī)對(duì)灘涂進(jìn)行淤泥層探測(cè)是非常理想的，鉆機(jī)總重量和尺寸易于使用汽車(chē)整體搬運(yùn)到邊遠(yuǎn)地方，移動(dòng)運(yùn)輸便捷迅速。

表2　維克鉆機(jī)組成部件重量表

3.2鉆進(jìn)速率快

鉆機(jī)鉆進(jìn)速率主要由土層類(lèi)型決定，實(shí)際應(yīng)用中，在含水率較大的地層，維克鉆機(jī)鉆進(jìn)速度較快，能夠達(dá)到1.5m/min甚至更快?？梢?jiàn)維克鉆機(jī)非常適合灘涂底質(zhì)探測(cè)。取樣過(guò)程時(shí)間主要花費(fèi)在鉆機(jī)安裝、提取鉆桿和取出樣品套管上。

3.3取樣質(zhì)量高

維克鉆機(jī)運(yùn)用了日益成熟的高頻振動(dòng)切削工藝，在鉆進(jìn)過(guò)程中該優(yōu)勢(shì)明顯，表現(xiàn)為能夠采集到連續(xù)的擾動(dòng)較小的樣品，而且取樣過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生二次污染。實(shí)踐證明，在某些地層特別是淤泥沉積層常規(guī)取樣器往往難以取出樣品，而維克鉆機(jī)已成功采集到連續(xù)完整的樣品，從而能夠準(zhǔn)確分析土層情況，樣品的性狀及成分。

3.4適用領(lǐng)域廣

維克鉆機(jī)鉆具不需回轉(zhuǎn)即可穿透土層，陸地和水下都可以順利完成采樣，尤其是對(duì)于較軟地層維克鉆機(jī)應(yīng)用是沒(méi)有限制的，可用于湖(庫(kù))水淤泥層調(diào)查、農(nóng)業(yè)土壤地質(zhì)調(diào)查、淺海水底取樣等探測(cè)工作。溫度從-40～43℃和濕度的情況下，維克鉆機(jī)都能有效采集樣品。

4　實(shí)例應(yīng)用

使用維克鉆機(jī)在浙江省某工程近區(qū)進(jìn)行取樣，根據(jù)項(xiàng)目要求，在沙灘海床上布設(shè)15個(gè)底質(zhì)鉆孔取樣點(diǎn)進(jìn)行顆粒分析，了解該區(qū)域地層構(gòu)造特征，為該地區(qū)域沙灘修復(fù)研究提供基礎(chǔ)資料。各點(diǎn)的鉆孔深度在1～2m，其中DZ1～DZ12位于某港外海側(cè)，DZ13～DZ15位于內(nèi)側(cè)圍區(qū)。底質(zhì)取樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

圍區(qū)DZ13～DZ15以及外海側(cè)DZ1、DZ5、DZ9采用HQ型規(guī)格鉆桿，其余取樣點(diǎn)采用NQ型鉆桿，鉆桿內(nèi)部使用硬質(zhì)塑料樣品管(見(jiàn)圖4)。收集土體樣品，對(duì)應(yīng)有B、N、H三種規(guī)格，該管便于保存和運(yùn)輸樣品。且在樣品管兩端有橡皮蓋，具有保持樣品水分和確保樣品不被擾動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖3　底質(zhì)取樣點(diǎn)位置示意圖

圖4　硬質(zhì)塑料樣品管圖

圍區(qū)內(nèi)取樣點(diǎn)高程(1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同)約1.5m，退潮后，淤泥層露出，屬于無(wú)水作業(yè)。外海側(cè)取樣點(diǎn)高程在-5.5～-1.5m，需利用船只進(jìn)行取樣工作，為保證測(cè)船航行水深使取樣順利、快速、高效開(kāi)展，結(jié)合潮汐漲落，控制取樣水深在3.0～5.0m，通過(guò)4只錨將船固定于取樣點(diǎn)位，在船舷上焊接操作平臺(tái)，并安裝安全護(hù)欄。整個(gè)取樣過(guò)程比較順利，但也碰到了一些問(wèn)題：鉆桿鉆進(jìn)土層深度大于樣品長(zhǎng)度，即樣品被壓縮，當(dāng)然市場(chǎng)上鉆機(jī)幾乎都存在樣品被壓縮的情況，采取鉆進(jìn)一根取出一根再鉆進(jìn)一根增加回次取樣的方法可以最大程度地減小樣品的壓縮率；樣品采集完成后，提引器難以將整個(gè)鉆桿取出，可以用改裝船上的起錨機(jī)將鉆桿吊起，在吊起的過(guò)程中，繼續(xù)發(fā)動(dòng)動(dòng)力裝置，控制油門(mén)保持鉆桿輕微振動(dòng)，使得土層和鉆桿表面不完全接觸，摩擦力大幅度減小，就比較容易提起鉆桿，但振動(dòng)頻率不宜過(guò)大，否則將導(dǎo)致部分或全部樣品流失；隨著采樣深度的增加，底部淤泥越積越密，硬質(zhì)塑料樣品管與鉆桿內(nèi)壁摩擦力越來(lái)越大，尤以沙質(zhì)土最為明顯，使得樣品管難以取出。針對(duì)此問(wèn)題，項(xiàng)目小組設(shè)計(jì)了助推器，助推器一端為與鉆桿內(nèi)徑吻合、表面光滑的鐵塊，另一端為與鐵塊相焊接的鋼管，通過(guò)敲擊鋼管可以輕松取出樣品管，且不會(huì)對(duì)樣品造成擾動(dòng)。

傳統(tǒng)柱狀取樣器主要以沖擊的方式鉆進(jìn)土層，受風(fēng)浪、潮流、淤泥硬度影響較大，自動(dòng)化程度較差，最為關(guān)鍵的是難以取出河道、水庫(kù)相對(duì)柔軟、含水率大的黑色淤泥質(zhì)，且取出的樣品被強(qiáng)烈擾動(dòng)，不能達(dá)到樣品要求。實(shí)踐證明，維克鉆機(jī)操作簡(jiǎn)單、需要人員少，從安裝到完成取樣平均需要0.5h，與傳統(tǒng)重力取樣器相比，維克鉆機(jī)具有鉆進(jìn)更深的能力，且能克服重力取樣器難以垂直取樣的缺點(diǎn)；與沖擊式鉆機(jī)相比，維克鉆機(jī)具有效率高、鉆進(jìn)施工安全性好的特點(diǎn)，能夠采集到較小擾動(dòng)的樣品。

5　結(jié)　語(yǔ)

維克鉆機(jī)采用高頻方式鉆進(jìn)，當(dāng)振動(dòng)頻率與土體自然頻率疊合時(shí)，以切削形式快速穿透軟土層和淤泥沉積層，具有便攜、鉆進(jìn)速率快、取樣質(zhì)量高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，借助維克鉆機(jī)底質(zhì)探測(cè)技術(shù)，能很好地解決傳統(tǒng)取樣器難以在河道、水庫(kù)、淺海取出完整的、不被擾動(dòng)樣品的困擾，可以極大地提升工作效率，同時(shí)結(jié)合淺地層剖面儀等設(shè)備，更好地服務(wù)于浙江省“灘涂資源調(diào)查”、“圍墾施工”等相關(guān)項(xiàng)目。

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(責(zé)任編輯姚小槐)

ApplicationofVicPortableHigh-frequencyVibrationDrillinBeachSedimentSampling

QiMin-min1,2,3,ZENGBao-qing1,2,3,LUBo1,2,3,XINGHong3

(1．ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,Zhejiang,China; 2．ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofEstuaryandCoast,Hangzhou310016,Zhejiang,China; 3．ZhejiangSurveyInstituteofEstuaryandCoast,Hangzhou310008,Zhejiang，China)

CanadianVicportablehighfrequencyvibrationsamplingdrill(hereafterVicdrill)useshighfrequencymodefordrilling.Whenthevibrationfrequencywasclosetothesoilnaturalfrequency,thesoillayerwillrapidlybepenetratedbycuttingtechnology,wellsolvingtheproblemsofremovingtheentireandunperturbedsedimentsamplewhenusingtraditionalsampler.ThepracticeshowedthattheVicdrillhasadvantagesofportability,fastdrillingspeed,highsamplingqualityandwideapplicationrange,etc.TheworkefficiencywillbegreatlyimprovedbyusingdetectiontechnologyofVicdrill.Meanwhile,combinedwithshallowbottomprofilerandotherequipment,itwillprovidebetterservicefor“beachresourcesinvestigation”,“reclamationconstruction”andotherrelatedprojectsinZhejiangprovince.

Vicdrill;highfrequencyvibration;shoal;mechanismanalysis;technologicalcharacteristics

2016-02-25

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015F10004)。

祁敏敏(1984-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋測(cè)繪和工程測(cè)量工作。

TE922

A

1008-701X(2016)03-0048-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.014