触发器式取样器在深基槽浮泥取样中的应用

张惟河

(中交广州航道局有限公司，广东 广州 510220)



触发器式取样器在深基槽浮泥取样中的应用

张惟河

(中交广州航道局有限公司，广东 广州 510220)

摘要：本文简单介绍了几种常用类型的海底浮泥取样器的取样原理和特点，并通过综合比较分析说明了触发器式取样器是目前在深水基槽槽底浮泥取样工作中取样成功率最高的取样设备，同时经过改造完成后的纵横复合型触发器式取样器在深水基槽槽底浮泥取样中得到了有效的应用，能够很好的满足深水基槽施工要求。

关键词：浮泥取样；原理和特点；触发器式取样器；深水基槽槽底

引 言

河流、海洋水体中挟带的大量细颗粒泥沙，在到达水流流速较缓的区域时容易沉积凝聚于海底形成浮泥层，浮泥层中的物质物性和海水是不同的，浮泥层对于船舶通航和海底隧道沉管安放条件来说，与固结物质构成的海底也是不一样的，因为它是处于半流动状态的，某些海岸工程对其物质特性是有严格要求的，如在建的港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基槽施工，为确保基槽基础客观环境满足相应要求，保证最后沉管沉放可靠、安全，设计制定严格的基槽清淤质量验收标准：块石夯平前，当隧道基槽底含水率<150 %或密度>1.26 g/cm3的回淤沉积物厚>0.3 m，应予清淤；碎石整平前，当隧道基槽底密度>1.15 g/cm3的回淤沉积物厚>0.3 m，应予清淤；沉管安放前，对隧道垫层顶及以上3 m高度范围内的水质进行检测，当平均密度>1.05 g/cm3时，应予清淤。因此，隧道基槽槽底浮泥探测研究是该工程项目的一项研究重点，也是难点。如何更好、更全面的分析基槽槽底浮泥各密度层厚度的三维空间分布，对于基槽开挖、清淤施工、沉管安放等关键工序决策的科学性、正确性、合理性有着重要的指导意义。

为准确掌握基槽槽底浮泥分布状态，除了运用泥浆密度仪进行基槽槽底浮泥密度检测外，槽底浮泥取样作为另一种泥浆密度检测手段，其存在是十分有必要的，能够促使运用两种手段对浮泥密度检测结果进行相互验证，确保最终检测结果的可靠性，以满足高标准、高质量的工程要求，同时通过对获取到的浮泥样品进行地质实验，还可以大致分析淤积物的物质来源，以便更好的指导回淤监测工作。就目前而言深水海底浮泥取样技术还尚未成熟，取样作业主要分为人工潜水探摸取样和取样器取样，但是人工探摸取样有较大的局限性，非但取样费用昂贵、效率低下，作业环境要求更是严格且取样质量也难以保证，因此能不能高效率、高质量的完成取样工作，很大程度上取决于取样器的优劣。

1 几种常见取样器的取样原理及特点

目前用于海洋地质调查取样的取样器类型繁多，但真正能够适合于海底浮泥取样的并不多，常用的几种浮泥取样器类型主要为蚌式取样器、法兰盘式取样器、重锤式取样器以及触发器式取样器。

1）蚌式取样器

蚌式取样器外形类似于小抓斗，这种类型的取样器重量较大，蚌体通过两根钢绳组合连在一起，取样器入水下放过程中，受钢绳拉力和自身重力相互作用，开口始终处于张开状态，在触底后，受向上拉力作用，开口闭合抓取样品。该类型取样器结构简单，成本较低，但开口张开和闭合过程不灵敏，在取样过程中容易发生取样器没能完全闭合的现象。

2）法兰盘式取样器

法兰盘式取样器是通过取样杯体与上下安装的两个法兰盘之间相互作用的原理完成取样的，取样器在入水下放过程中，受两法兰盘自重的作用，开口始终处于关闭状态，在取样器触底后，底端法兰盘受到向上推力，使开口打开，此时样品进入杯体，当取样器被拉上来瞬间，开口又自然闭合。该类型取样器结构简单，操作方便，但由于其底部法兰盘面积较大，下放时，受海水向上的作用力较大，很容易使开口一直处于打开状态，造成杯体中充满海水，无法获取样品。

3）重锤式取样器

重锤式取样器取样原理与法兰盘式取样器原理相似，它比法兰盘式取样器要先进些，其采用球阀装置为控制开关，取样成功率相对较高。

4）触发器式取样器

触发器式取样器取样开关是由人工主动触发被动控制的，在下放前，由人工靠锁环将其开口打开，取样器下放触底后，靠人站在船边将触发器沿触发绳索投入水中击打触发杆，使开口闭合，而获取样品。该类型取样器主体为塑料外壳，质轻，制作成本低，且位置可调。

2 纵横复合型触发器式取样器的应用

纵横复合型触发器式取样器在深水基槽槽底浮泥取样中的成功应用是经过对多种类型的取样器反复的比较筛选研究、多层次的改造创新以及多次试验的最终产物，具体实施流程见图1所示。

图1 取样器制作应用实施流程

2.1 不同类型取样器运用情况对比

本阶段不同类型的取样器在深水基槽槽底浮泥取样试验工作，我们均安排在平潮时段或潮水流速低于0.5 m/s时段内进行。选取具有代表性的隧道基槽E7-E9管节段槽底区段作为取样试验区域，该区域槽底分布有较厚的浮泥层（经双频测深仪和泥浆密度仪检测确认），水下高程约为-28~-35 m，共完成取样试验点位10个，点位分布情况如图2所示。

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图2 取样试验点位分布

本阶段取样试验中操作人员是经过专业培训的，取样过程严格按照外业取样操作章程进行，在深水基槽槽底浮泥取样过程中不同类型的取样器的表现是不同的，具体情况统计如表1、表2所示。

表1 各类型取样器的表现情况统计

表2 各类型取样器成功率统计

由表1、表2可知，在深水基槽槽底浮泥取样工作中，重锤式取样器和触发器式取样器的浮泥取样成功率远超过了其它两种类型取样器的取样成功率，其中触发器式取样器取样效率尤为突出。重锤式取样器虽然取样成功率较高，但是由于它采用的是球阀装置控制开关，在实际浮泥取样应用中，我们发现倘若基槽槽底底质中夹杂有较粗颗粒物质，很可能造成球阀装置损坏或开关不灵敏等现象，因此经比较分析发现触发器式取样器是目前在深水基槽槽底浮泥取样工作中成功率最高的取样设备。

2.2 纵横复合型触发器式取样器应用分析

触发器式取样器在深水基槽槽底浮泥取样试验中取样成功率很高，但这还足以满足高效率、高质量的工程要求，因此针对工程需要，我们对取样器反复的进行改造和试验，在已有的触发器式取样器设备基础上，添加了另外一个取样器，其中两个取样器采用纵横方向安装在自制水砣载体（在外海深水区域用于控制取样器和泥浆密度仪姿态，同时对仪器设备还具有保护作用）上并且取样开关采用联动开关控制，同时它们在水砣载体上的安装位置均是可调的，这些方面的改造成功一定程度上实现了定位定层取样且取样质量好的目的，更好的达到了高效率、高质量的槽底浮泥取样要求，纵横复合型触发器式取样器实物如图3。

图3 纵横复合型触发器式取样器

为了证明改造完成后的纵横复合型触发器式取样器能够很好的完成深水基槽槽底浮泥取样工作，2013年3月，组织实施了深水基槽槽底浮泥取样和泥浆密度仪密度测试试验，两者是同步进行的，本次共完成12个点位的取样试验任务，其中仅失败1次，取样成功率高达92 %。在试验过程中，纵横复合型触发器式取样器和泥浆密度仪均固定安装在水砣载体上，其中横向取样器两端口位置与密度仪音叉头基本平行。利用泥浆密度仪检测结果（泥浆密度仪在测量前已进行了标定和校准等步骤，其密度检测结果是准确可靠的）对横向取样器的取样质量进行评估，针对取到的样品，进行实验分析，样品密度测定以及实验结果统计，具体统计情况见图4、表3。

图4 试验结果统计

表3 样品密度误差分析统计

通过图4和表3可知，横向取样器采集到的样品密度测定值与密度仪测定的密度值偏差较小，样品密度测试误差值绝大部分可控制在3.0 %以内，该统计分析结果同时也说明了纵横复合型触发器式取样器的取样质量是可靠的。

3 结 语

1）触发器式取样器在深水基槽槽底浮泥取样中成功率高，经改造完成后的纵横复合型触发器式取样器能够在一定程度上实现定位定层采样且采样质量好的目的，同时采集到的样品通过实验分析，其结果能够与泥浆密度仪检测结果进行相互验证，保证密度检测结果的可靠性，还可大致分析淤积物的物源情况，对基槽槽底回淤监测和回淤控制起到一定作用。

2）触发器式取样器还可以应用于河口及邻近海域水体样品的采集，分析水体中悬浮体的空间分布情况及影响因素，对了解河口沉积学过程和阐明河流控制下的现代陆架的沉积物“Source to sink”过程具有重要的意义。

3）纵横复合型触发器式取样器浮泥取样还可应用于适航水深研究中，在疏浚工程方向具有一定的参考价值。

4）目前改造完成的纵横复合型触发器式取样器在深水基槽槽底浮泥取样应用中还有一定的缺陷，如该取样器采用的是人工被动性控制取样开关，自动化程度不高，操作相对复杂，在海况较差的深水区域进行取样作业很难保证取样效率，因此若能够对其进一步改造，真正实现取样器的自动化是未来海洋勘察取样技术研究努力的方向。

参考文献：

[1] 张平波，郑昌武. 差压式海底浮泥层密度测量[J]. 上海水利，1997，（2）:17-22.

[2] 段新胜，鄢泰宁，陈劲，等. 发展我国海底取样技术的几点设想[J]. 地质与勘探, 2003, 39（2）:69-73.

[3] 邵和宾，范德江，张晶，等. 三峡大坝启用后长江口及邻近海域秋季悬浮体、叶绿素分布特征及影响因素[J].中国海洋大学学报，2012，42（5）：94-104.

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

作者简介：张惟河（1986-），男，助理工程师，主要从事水运工程勘测工作。

收稿日期：2015-04-30

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160116

中图分类号：U655.3+1

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）01-0067-04