沖擊式水庫(kù)深水河床質(zhì)采樣器研制

沖擊式水庫(kù)深水河床質(zhì)采樣器研制黃委水文局三門(mén)峽庫(kù)區(qū)水文水資源局2015.11.牛長(zhǎng)喜1、簡(jiǎn)介水庫(kù)深水河床質(zhì)測(cè)驗(yàn)（沙質(zhì)河床）多使用錨式采樣器，存在問(wèn)題：

一是采樣后儀器不能將口門(mén)封閉，在上提過(guò)程中經(jīng)過(guò)水體中較長(zhǎng)時(shí)間的晃動(dòng)，大部分沙樣被水涮走，留下沙重不夠且失去代表性；

二是庫(kù)底有較厚的泥沙懸浮，濃度較大時(shí)，采樣器難以到達(dá)河床底部或在儀器到達(dá)底部前儀器倉(cāng)已被懸浮泥沙灌滿，采得的泥沙不是真實(shí)的河床質(zhì)，河床質(zhì)采樣失去意義。

我們新研制的沖擊式水庫(kù)深水河床質(zhì)采樣器改善了儀器性能，解決了以往存在的問(wèn)題。錨式采樣器難以到達(dá)河床底部到達(dá)底部前儀器倉(cāng)已滿2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)基本思路（1）儀器用途——水庫(kù)深水河床質(zhì)采樣（2）儀器應(yīng)用平臺(tái)——測(cè)船或操舟機(jī)（3）儀器應(yīng)用條件——5m以上，靜水（4）儀器操作方式——初期，人力；以后，電動(dòng)（5）儀器沉降動(dòng)力——自身重量（6）儀器定向運(yùn)動(dòng)方法——導(dǎo)向尾翼

（7）儀器采樣方法——擠壓使沙樣進(jìn)入儀器倉(cāng)

（8）儀器口門(mén)啟閉方法——自動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉（9）儀器其他輔助措施——沖擊錘輔助口門(mén)關(guān)閉

2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)2.2設(shè)計(jì)要求：（1）技術(shù)要求：1）保證在水深30m以內(nèi)能夠取得河床質(zhì)；2）儀器應(yīng)能突破水庫(kù)懸浮層，保證取樣代表性；3）儀器應(yīng)有口門(mén)啟閉裝置；4）儀器能夠在測(cè)船或操舟機(jī)上使用。（2）技術(shù)指標(biāo)1）采樣水深30m；2）采樣可靠性90%。（3）儀器采樣滿足規(guī)范要求2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求：一、篩析法：1.沙樣中含有大于20mm顆粒時(shí)，沙重應(yīng)大于500g；2.沙樣中大于2mm顆粒占總沙重10%以上時(shí)，沙重不應(yīng)少于80g，沙樣中大于2mm顆粒占總沙重10%以下時(shí)，沙重不應(yīng)少于60g；3.沙樣中粒徑小于2mm時(shí)，沙重不應(yīng)少于50g；4.當(dāng)取樣有困難時(shí)，沙重可適當(dāng)減少，但應(yīng)在備注中說(shuō)明情況。二、用粒徑計(jì)法分析，沙重應(yīng)大于0.3g；三、用吸管法分析，沙重應(yīng)大于1.0g；四、用消光法分析，沙重應(yīng)大于0.03g。”

目前，顆粒分析采用激光粒度儀，需要沙重類似消光法或更少，水文測(cè)站的送樣一般掌握在5g～10g，采樣沙重不少于5g即可。2.3工作原理2.2.1沖擊采樣原理

儀器靠自身重力向河床作加速運(yùn)動(dòng)。儀器頭部接觸河床時(shí)，儀器頭部的河床泥沙擠壓儀器倉(cāng)開(kāi)關(guān)，彈簧壓縮，使儀器倉(cāng)口門(mén)打開(kāi)，泥沙從儀器口門(mén)進(jìn)入儀器倉(cāng)。2.2.2口門(mén)封閉原理

當(dāng)儀器慣性消失后，儀器倉(cāng)內(nèi)被壓縮的彈簧反彈將儀器封閉桿向前頂，使封閉桿的圓錐頭頂緊儀器口門(mén)。2.2.3位置定向原理

儀器尾部均勻分布4片導(dǎo)向尾翼，儀器下落過(guò)程中水流與尾翼的相互作用保證各方向的受力均勻，能夠沿著預(yù)定的方向下落，取得預(yù)定位置的河床質(zhì)。2.4技術(shù)設(shè)計(jì)（1）

總體設(shè)計(jì)

主要是解決水庫(kù)深水無(wú)流速情況下河床質(zhì)采樣問(wèn)題，設(shè)計(jì)采樣水深10m以上。不考慮水深小于5m情況下使用，因?yàn)樗钐?，采用其他方法采樣要?jiǎn)單、方便的多；水深5m～10m情況下使用，采樣器達(dá)不到應(yīng)有的慣性，可以多沖擊采樣幾次；水深大于10m，可以正常使用。水深使用上限主要看繩索及提升設(shè)備，理論上，對(duì)于有限的水庫(kù)水深，水深越大，到達(dá)河床的沖擊力越大，采樣效果越好。儀器受到的阻力隨下降速度的增大而增大，最終可能會(huì)趨于勻速下降，但這是極限分析的情況，其速度不會(huì)小于我們?cè)囼?yàn)已經(jīng)達(dá)到的速度。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)采樣器總體圖

2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)采樣器剖視圖2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（2）儀器重量設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)重量按不超過(guò)20kg考慮，盡可能重一些。（3）采樣倉(cāng)設(shè)計(jì)

采樣倉(cāng)設(shè)計(jì)為圓筒狀。圓筒外徑60mm，長(zhǎng)250mm。圓筒兩側(cè)設(shè)計(jì)用直徑8mm的圓鋼制作的弧形側(cè)翼。采樣倉(cāng)進(jìn)口為收縮形喇叭口，最小進(jìn)沙口直徑30mm。采樣倉(cāng)內(nèi)徑52mm，長(zhǎng)度238mm。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（4）導(dǎo)向尾翼設(shè)計(jì)

導(dǎo)向尾翼設(shè)計(jì)為有一個(gè)帶底的圓筒和筒側(cè)均勻分布的四個(gè)翼片組成，見(jiàn)圖5。圓筒直徑80mm，長(zhǎng)度350mm，壁厚5mm。圓筒底部有一園孔，孔徑30mm。圓筒底部壁厚10mm。尾翼厚度4mm。導(dǎo)向尾翼內(nèi)部只是一個(gè)直徑70mm的空倉(cāng)，筒口處距口30mm長(zhǎng)范圍設(shè)計(jì)為M70螺紋，以便和封閉桿后座連接。

2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（5）封閉桿后座設(shè)計(jì)封閉桿后座設(shè)計(jì)為有一個(gè)帶底的圓筒和一個(gè)直通園管組成。圓筒直徑70mm，距圓筒頂30mm以內(nèi)為M70，與定向尾翼的接口配合。內(nèi)壁距口30mm以內(nèi)為M60，與采樣倉(cāng)的上端配合。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（6）錐形封閉桿設(shè)計(jì)錐形封閉桿設(shè)計(jì)為一根園桿，前部為一圓錐。園桿設(shè)計(jì)采用Φ12不銹鋼園管，長(zhǎng)度410mm。圓錐錐頂角度設(shè)計(jì)為45°。圓錐底端下方設(shè)計(jì)厚5mm，Φ32園板。園板與圓錐底端設(shè)計(jì)有寬4mm，槽底直徑18mm。該槽用于安裝和限位密封膠墊。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)錐形封閉桿的作用主要是利用錐形對(duì)采樣倉(cāng)的進(jìn)口進(jìn)行開(kāi)啟和密封。錐形封閉桿上提時(shí)，泥沙在儀器相對(duì)河床的慣性力的作用下，從采樣倉(cāng)口和錐形面間進(jìn)入采樣倉(cāng)。當(dāng)泥沙進(jìn)入采樣倉(cāng)后，錐形封閉桿向下頂緊采樣倉(cāng)口，將采樣倉(cāng)密封，泥沙不能從采樣倉(cāng)口流出。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（7）

控制圓板錐形封閉桿在采樣倉(cāng)中上下移動(dòng)時(shí)，雖然上部安裝的封閉桿后座有控制作用，但由于距離較遠(yuǎn)，錐形頭在封堵采樣倉(cāng)口門(mén)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏離。為了保證錐形頭在封堵采樣倉(cāng)口門(mén)時(shí)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)口門(mén)，在錐形封閉桿上設(shè)計(jì)加裝了控制圓板，使錐形封閉桿在采樣倉(cāng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到采樣倉(cāng)邊壁的控制。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)控制圓板與錐形封閉桿的配合主要考慮采樣倉(cāng)可容納泥沙的數(shù)量。泥沙密度（ρ）按2.3，采樣倉(cāng)內(nèi)徑（D）52mm，園桿直徑（d）12mm，采樣泥沙質(zhì)量按200g，則控制圓板與錐形頭后園板間的距離為43mm：考慮到采樣倉(cāng)采樣時(shí)存在空隙，錐形封閉桿需要運(yùn)動(dòng)空間，以及較大采樣泥沙需求量的要求，設(shè)計(jì)控制圓板與錐形頭后園板間的距離為120mm。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（8）

彈簧設(shè)計(jì)錐形封閉桿對(duì)采樣倉(cāng)進(jìn)口的開(kāi)啟和密封設(shè)計(jì)用彈簧自動(dòng)控制。當(dāng)錐形頭受力后，彈簧壓縮，錐形封閉桿向上抬起；當(dāng)錐形頭受力消失后，彈簧恢復(fù)，錐形封閉桿向下恢復(fù)原位。彈簧設(shè)計(jì)采用不銹鋼材料，避免生銹影響彈簧性能。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（9）

加重塊設(shè)計(jì)為了調(diào)節(jié)采樣器的重量設(shè)計(jì)了加重塊。加重塊套裝在封閉桿后座的圓管上。加重塊設(shè)計(jì)為中間有圓孔的圓柱體，外徑70mm，中間圓孔直徑19mm，高100mm。加重塊有外殼和內(nèi)部灌鉛組成。外殼采用厚度1mm不銹鋼加工，向上的一端因不受外力可不封閉。2、項(xiàng)目設(shè)計(jì)（10）

沖擊錘設(shè)計(jì)彈簧的彈力與采樣倉(cāng)開(kāi)啟的能力存在矛盾。彈簧彈力大時(shí)，采樣倉(cāng)開(kāi)啟存在困難；彈簧彈力小時(shí)，采樣倉(cāng)采樣后無(wú)法達(dá)到密封。為了解決這種矛盾，設(shè)計(jì)了沖擊錘，在儀器沖擊河床時(shí)，首先是彈簧產(chǎn)生作用，方便的開(kāi)啟采樣倉(cāng)口門(mén)進(jìn)行采樣，泥沙進(jìn)入采樣倉(cāng)。采樣倉(cāng)慣性消失后，沖擊錘運(yùn)行至錐形封閉桿尾部，沖擊錘慣性作用在錐形封閉桿上，使錐形封閉桿向前運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于增加了彈簧的彈力。3、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（1）潼關(guān)水文站試驗(yàn)2013年12月11日下午在潼關(guān)水文站潼關(guān)（七）斷面的死水區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)位置水深5.0m。試驗(yàn)時(shí)，在測(cè)船甲板上將采樣器懸空放下，讓采樣器自由落體落入水中。至河床后，拉出水面，打開(kāi)采樣倉(cāng)，檢查采樣倉(cāng)泥沙采樣情況。以采樣倉(cāng)內(nèi)有沙，且數(shù)量滿足采樣要求（5g）以上為“合格”，否則為“不合格”。30次試驗(yàn)全部合格。

4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在黃河潼關(guān)水文站潼關(guān)（八）斷面的流水中進(jìn)行，水流速度在0.5～1.0m/s之間。試驗(yàn)結(jié)果：多數(shù)情況下很難取到沙樣，個(gè)別情況下能取到沙樣。取得的河床質(zhì)沙樣泥沙粒徑是比較粗的。說(shuō)明流動(dòng)水流中，很難保證采樣倉(cāng)口對(duì)準(zhǔn)河床，取樣的成功率不高。4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)試驗(yàn)也采取加大高度的方法，在船舶二層平臺(tái)上將儀器拋下。試驗(yàn)結(jié)果，也不是很好的。因此，建議本儀器不在動(dòng)水中使用。儀器原本設(shè)計(jì)也沒(méi)考慮在動(dòng)水中使用。4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（2）黃河三門(mén)峽會(huì)興渡口河段試驗(yàn)2013年12月1日下午在黃河三門(mén)峽會(huì)興渡口河段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)在三門(mén)峽市港檢船上進(jìn)行，試驗(yàn)范圍在會(huì)興渡口約2km的河段內(nèi)，試驗(yàn)水深5m～15m，風(fēng)力約1～2級(jí)。試驗(yàn)前先觀測(cè)水深，在船上布置好合適的繩長(zhǎng)。儀器從船測(cè)放下，讓儀器自由下落。4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)當(dāng)儀器落到河底后，通過(guò)拉升將儀器拉出水面，提到船上。為了增大儀器采樣的成功率，在儀器落到河底后，提離河床5m左右，再放開(kāi)，讓儀器再落到河床采樣。該方法主要在水庫(kù)蓄水的主流區(qū)域采用。4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)黃河三門(mén)峽會(huì)興渡口試驗(yàn)共進(jìn)行33次采樣。采樣位置分布于水庫(kù)的中心和邊灘，邊灘水深5m左右，水庫(kù)中心區(qū)域水深15m左右。33次試驗(yàn)全部能采集到河床沙樣，僅1次少于5g，1次沙重剛好5g外，其他沙重全部在5g以上。33次試驗(yàn)，最小采樣沙重4.18g，最大沙重120.65g。小于7%的測(cè)次沙重在5g以下，30%的測(cè)次沙重在10g以下，有一半測(cè)次沙重可達(dá)到15g，最大沙重為120.65g。

4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀察，水庫(kù)邊灘部分容易采集到沙樣，一般采集到的泥沙較多。水庫(kù)主河槽部分采集較困難，一般采集到的泥沙較少。本儀器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以連續(xù)進(jìn)行多次采樣，泥沙在采樣倉(cāng)累積儲(chǔ)存。因此，當(dāng)遇到采樣困難的地方可以在采樣后，將儀器拉起一定高度后再放開(kāi)，讓儀器進(jìn)行再次取樣。序號(hào)采樣沙重頻率%序號(hào)采樣沙重頻率%序號(hào)采樣沙重頻率%14.1831212.66362322.787024.9861312.83392424.637335.7291413.04422528.487647.19121513.45452630.697957.44151613.63482731.488267.92181715.65522857.568578.24211815.84552959.778888.73241919.78583060.5691910.05272021.64613179.87941010.45302121.99643292.86971112.24332222.436733120.651005、結(jié)論與建議（1）水庫(kù)深水情況下的河床質(zhì)采樣存在的問(wèn)題，一是采樣后儀器不能將口門(mén)封閉，留下沙重不夠且失去代表性；二是水庫(kù)底部水層有較多的泥沙懸浮，采得的泥沙不是真實(shí)的河床質(zhì)。沖擊式水庫(kù)深水河床質(zhì)采樣器改善了儀器性能，解決了以往存在的