胡建平,王年喜
(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,上海200032)
適航水深資源開(kāi)發(fā)是利用淤泥質(zhì)港區(qū)或呈淤泥特性的沿海航道現(xiàn)行水深以下適航層進(jìn)行通航,這樣既可增加航深,又可降低航深的維護(hù)費(fèi)用,延長(zhǎng)港口、航道的疏浚周期[1],在節(jié)約能耗的同時(shí),進(jìn)一步提升港口經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)50年代Inglis等[2]首次提出浮泥(Fluid Mud)的概念,國(guó)外已開(kāi)始在一些港口,如荷蘭鹿特丹港、比利時(shí)擇布勒赫港、曼谷蘇里南等相繼開(kāi)展了適航臨界重度(12.0~13.0 kN/m3)層航行研究,效果顯著。我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行了適航水深研究,2006年發(fā)布了首部《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(JTJ/T 325—2006)[3],并取得了一系列研究成果。
適航水深的關(guān)鍵是測(cè)得回淤層浮泥重度及流變等特性,從而確定適航厚度。規(guī)范中對(duì)適航回淤層取樣主要集中在非接觸走航式和接觸式重力器具[3]二類(lèi),接觸式中也提到現(xiàn)場(chǎng)樣本采集,但未涉及到采樣方法?,F(xiàn)場(chǎng)采樣是進(jìn)行室內(nèi)顆粒組成分析、泥沙沉降、重度、流變特性試驗(yàn)等關(guān)鍵,驗(yàn)證與分析非接觸類(lèi)技術(shù)獲取的數(shù)據(jù),最終確定適航重度值。目前,國(guó)內(nèi)現(xiàn)有針對(duì)適航回淤層取樣方法呈五花八門(mén),良莠不齊,有些取樣結(jié)果甚至造成原本適航的水深,變成了必須疏浚的結(jié)論,以至疏浚周期的縮短,造成浪費(fèi)。
本文圍繞適航水深資源開(kāi)發(fā)采用的接觸與非接觸二類(lèi)技術(shù)展開(kāi)探討,為精確獲取適航回淤層重度等參數(shù),研發(fā)一種具有穩(wěn)定、高效的原狀浮泥取土器,望能推進(jìn)現(xiàn)有適航資源開(kāi)發(fā)接觸類(lèi)勘探技術(shù)科技進(jìn)步,豐富并完善這一領(lǐng)域的取樣手段。
淤泥的準(zhǔn)確名稱(chēng)應(yīng)為淤泥性土,它是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積,根據(jù)孔隙比、天然含水率、重度(又稱(chēng)密度)可細(xì)分為浮泥、流泥、淤泥、淤泥質(zhì)土[4-5],如表1 所示。
表1 淤泥性土分類(lèi)
淤泥性土各層面的劃分標(biāo)準(zhǔn)因不同地區(qū)泥質(zhì)而異,其中按重度劃分較為科學(xué)。適航水深資源開(kāi)發(fā)就是利用淤泥質(zhì)港區(qū)和呈淤泥特性航道適航厚度通航(圖1),適航厚度重度(10.3~15 kN/m3)的準(zhǔn)確測(cè)定成為判別各類(lèi)測(cè)定技術(shù)的優(yōu)劣。
圖1 適航水深界面關(guān)系
為突破大面積走航式適航水深測(cè)量的難題,提高適航水深測(cè)量的可靠性和測(cè)量精度,天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院于2003年成為我國(guó)首家引進(jìn)荷蘭STEMA公司 Silas適航水深測(cè)量系統(tǒng)的單位[6]。STEMA公司開(kāi)發(fā)的Silas系統(tǒng)主體有聲學(xué)數(shù)據(jù)采集及處理軟件、Densitune振動(dòng)密度計(jì);外選設(shè)備有:普通雙頻測(cè)深儀(帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器),帶A/D轉(zhuǎn)換卡的電腦,DGPS定位系統(tǒng)及導(dǎo)航軟件共5部分組成。Silas系統(tǒng)采用雙頻測(cè)深儀向海底發(fā)射高、低頻聲波信號(hào),高頻聲波被反射而低頻聲波則穿透海底一定厚度的浮泥層,發(fā)射回波信號(hào)取決于回淤層的重度變化。這種重度變化被定義為“重度梯度”。反射信號(hào)的幅度大小是由反射層的重度梯度確定的,重度梯度越大,反射信號(hào)越強(qiáng)。由于聲波的反射和重度梯度之間的關(guān)系是已知的,即每一次反射都是因?yàn)橹囟鹊奶荻茸兓鸬?,這樣就可以對(duì)重度的梯度進(jìn)行定量化處理。利用標(biāo)定過(guò)的聲源信號(hào)來(lái)記錄反射信號(hào)的強(qiáng)度,則可以高精度地測(cè)出重度的梯度值,Densitune音叉密度儀可高精度測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)的絕對(duì)重度,為建立發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和重度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系提供可靠的參考點(diǎn)。近年來(lái),Silas系統(tǒng)在荷蘭、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)和印度等適航水深資源開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。在我國(guó)天津港、連云港、廣州南沙港、洋山深水港、黃浦江隧道等工程應(yīng)用中,該系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、重度測(cè)量的準(zhǔn)確性及作業(yè)效率得到廣泛好評(píng)[7-8]。Silas系統(tǒng)測(cè)定技術(shù)實(shí)際上是音叉密度計(jì)與雙頻測(cè)深儀兩種手段的耦合,是當(dāng)前極具發(fā)展前景的獲取非接觸適航水深的手段。
辛文杰等[9]在研究港珠澳大橋工程伶仃洋水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn),不同的泥沙環(huán)境,對(duì)水下超聲回波信號(hào)的干擾和影響差異有時(shí)會(huì)很大,很多情況下,僅根據(jù)高頻與低頻測(cè)深數(shù)據(jù)的差值,并不一定能劃分出浮、淤泥的層厚。另,由于測(cè)深儀低頻穿透能力有限,當(dāng)浮泥重度或厚度較大,低頻反射面反映的密度會(huì)偏小,導(dǎo)致檢測(cè)的準(zhǔn)確性降低。
適航水深資源開(kāi)發(fā)接觸類(lèi)取樣主要有:測(cè)深砣、三爪砣及回淤層取土器。國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為,“眼見(jiàn)為實(shí)”的勘探仍然是取樣的唯一手段,采用取土器采集原始淤泥樣本,通過(guò)室內(nèi)測(cè)定獲取天然重度等指標(biāo)。目前,國(guó)內(nèi)用于原狀軟粘性土(重度 >15 kN/m3)的取土器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)取得了很大進(jìn)展,具有代表性的有:固定式活塞薄壁取土器、單動(dòng)三重(二重)管取土器等,它們的取土質(zhì)量均較高,滿(mǎn)足了工程地質(zhì)資料分析的需求。由于我國(guó)適航水深資源的開(kāi)發(fā)起步較晚,針對(duì)回淤層取土器的研究與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚有差距,但不乏一些較優(yōu)秀的研發(fā)成果受到關(guān)注。
(1)一種中閉鎖式泥土取樣器[10],采用管狀結(jié)構(gòu),包括上部取土管、中部閉鎖裝置和下部取土管3部分。上部取土管連接中部閉鎖裝置,中部閉鎖裝置由軸閥座和軸閥組成,軸閥鑲嵌在軸閥座中,中部閉鎖裝置連接下部取土管,上部取土管為取土內(nèi)管,外部裝有制動(dòng)外管,制動(dòng)外管下端部有垂直導(dǎo)向槽和弧形制動(dòng)槽,導(dǎo)向槽致使懸掛體僅能垂直向上下移動(dòng),弧形制動(dòng)槽致使軸閥僅能水平軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)一種齒型取樣器封口裝置[11],封口裝置包括卡環(huán)式導(dǎo)桿、可開(kāi)合阻泥片、筒體和齒型封口片;卡環(huán)式導(dǎo)桿固定于取土器下端,導(dǎo)桿滑動(dòng)機(jī)械連接筒體,筒體上端裝有可開(kāi)合阻泥片,筒體下端通過(guò)彈簧連接齒型封口片。提取取土器時(shí),利用泥土的阻力使阻泥片張開(kāi),筒體下移,封口片封閉土樣下端開(kāi)口。
(3)一種逆止封閉式取土器[12],包括活塞、土樣管、逆止封閉管和活動(dòng)管靴;活塞依次連接土樣管、逆止封閉管、活動(dòng)管靴,活塞、土樣管、逆止封閉管固定相連在一起,活動(dòng)管靴與逆止封閉管為滑動(dòng)式機(jī)械連接結(jié)構(gòu),逆止封閉管內(nèi)裝有活動(dòng)管靴觸動(dòng)的逆止片。提取取土器時(shí),利用泥土的阻力使活動(dòng)管靴下滑,帶動(dòng)逆止片封閉土樣。
上述3種取土器都可用于水下回淤層浮泥采集,但具有局限性,第1種取土器下部結(jié)構(gòu)采用真空負(fù)壓取樣,為現(xiàn)行勘探技術(shù)普遍采用,適用于具有形態(tài)的軟—可塑土取樣。第2、3種取土器采用了封口裝置,對(duì)成功采集浮泥是一項(xiàng)進(jìn)步,但由于封口裝置由若干逆止(封口)片組成,封口片實(shí)施同步關(guān)閉較為困難及封口片間隙等因素,均會(huì)造成高含水量浮泥中水的滲漏,造成測(cè)定的重度值偏大,影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。再者,現(xiàn)有技術(shù)均未涉及采樣時(shí)試樣上部開(kāi)口封蓋,難以保證整個(gè)樣本原狀性。由此引發(fā)開(kāi)發(fā)一種全封閉回淤層浮泥取土器的設(shè)想。
首先使翻蓋張開(kāi),翻蓋下端支撐在控制圈上,使取土器處于待采樣狀態(tài)。將本裝置連接在鉆桿下面,插入水下回淤泥層中,隨著取土器不斷下降,上部浮泥依次經(jīng)過(guò)控制圈內(nèi)壁,取樣筒的下端開(kāi)口、上端開(kāi)口,由通孔排出,直到指定深度。然后,將空氣壓縮機(jī)的氣壓或高壓水泵的水壓通過(guò)鉆桿內(nèi)孔壓入缸套中,推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng),使耳朵蓋板向下運(yùn)動(dòng),封閉取樣筒的上端開(kāi)口;同時(shí),控制圈隨之下移,控制圈與翻蓋脫離接觸,翻蓋在扭簧作用下瞬間關(guān)閉,將取樣筒下端開(kāi)口封閉。這樣,浮泥樣本就被密封在取樣筒中,提起鉆桿,在勘探平臺(tái)上完成取土器中取樣筒的取出操作。
具體步驟如下:
(1)先使控制圈朝上,鉆桿接頭朝下,整個(gè)取土器與勘探平臺(tái)基本垂直;
(2)卸下控制桿下端的兩個(gè)螺帽,往上取出控制圈,旋下翻板架;
(3)在取樣筒的下端開(kāi)口處(當(dāng)前朝上)旋上一個(gè)密封蓋;
(4)然后將取土器倒過(guò)來(lái),使取樣筒上的密封蓋朝下,鉆桿接頭朝上;
(5)旋開(kāi)活塞桿,取出耳朵蓋板,旋開(kāi)中間筒;
(6)在取樣筒的上端開(kāi)口處也旋上一個(gè)密封蓋,然后分開(kāi)半合管的左右兩個(gè)半圓管;
(7)取出取樣筒,寫(xiě)上編號(hào)、入土深度等標(biāo)識(shí),貼在取樣筒上,在取樣筒與密封蓋之間的縫隙處繞上密封帶并進(jìn)行蠟封,儲(chǔ)存在樣本箱內(nèi),統(tǒng)一運(yùn)送至試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。
設(shè)計(jì)一個(gè)取土器,核心部件有驅(qū)動(dòng)缸、取樣筒、翻蓋控制等,通過(guò)勘探平臺(tái)上現(xiàn)有的動(dòng)力泵施加水或氣壓力,使驅(qū)動(dòng)缸實(shí)施翻蓋,達(dá)到取樣筒上下端開(kāi)口封閉,克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷[13]。設(shè)計(jì)原理如圖2所示。
圖2 取土器設(shè)計(jì)原理
一種淤泥質(zhì)浮泥取土器[14],主要包括以下部件:驅(qū)動(dòng)缸、外套筒、取樣筒、耳朵蓋板、翻蓋、控制圈和控制桿等。驅(qū)動(dòng)缸包括缸套、活塞和活塞桿等;外套筒固定連接在缸套下方;取樣筒可拆卸地安裝在外套筒內(nèi)部;耳朵蓋板與活塞桿的下端固定連接,并可以封閉所述取樣筒的上端開(kāi)口;翻蓋可翻轉(zhuǎn)地安裝在外套筒下端,并可以封閉取樣筒的下端開(kāi)口;控制圈位于取樣筒的下方,用于擋住呈打開(kāi)狀態(tài)的翻蓋;控制桿上端與耳朵蓋板相連接,下端與控制圈相連接,剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動(dòng)缸利用水或氣壓力帶動(dòng)耳朵蓋板和翻蓋分別封閉取樣筒的上端開(kāi)口和下端開(kāi)口,在取樣筒封閉之前,無(wú)需提升采樣裝置,從而可以很好地實(shí)現(xiàn)泥樣的原狀性;并且不受環(huán)境、水深等影響。
圖3 取土器剖面結(jié)構(gòu)示意
為了限制活塞的運(yùn)動(dòng)范圍,在缸套的下端固定連接一個(gè)塞蓋,塞蓋與缸套的內(nèi)壁螺紋配合,塞蓋上設(shè)有供活塞桿穿過(guò)的中心孔,還設(shè)有排氣孔,在活塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,排氣孔可以起到平衡活塞下方壓力的作用(圖4)。
圖4 驅(qū)動(dòng)缸結(jié)構(gòu)示意
(1)驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)活塞柱面上設(shè)有密封圈與缸套內(nèi)壁密封配合,并可在缸套的內(nèi)腔中上下運(yùn)動(dòng),活塞桿的上端通過(guò)螺紋與活塞固定連接,活塞桿的下端延伸到一個(gè)外套筒并與一個(gè)耳朵蓋板通過(guò)螺紋固定連接;活塞桿的中段可以設(shè)置為方形截面或六邊形截面,以便于利用扳手?jǐn)Q螺紋。缸套的上端通過(guò)螺紋與一個(gè)鉆桿接頭連接,鉆桿接頭呈中空管狀,與缸套的內(nèi)腔相通,可以將外部的氣或水壓力壓入缸套的內(nèi)腔中,推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)。鉆桿接頭上端設(shè)有外螺紋,可以螺紋連接若干長(zhǎng)度的鉆桿,鉆桿長(zhǎng)度從勘察平臺(tái)垂直延伸到水面,再延伸到采樣點(diǎn)。
(2)外套筒內(nèi)部還可拆卸地安裝一個(gè)取樣筒,取樣筒的上、下兩端均設(shè)有開(kāi)口,其中取樣筒的上端開(kāi)口與所述耳朵蓋板正對(duì),并可以被耳朵蓋板的底面封閉,耳朵蓋板的底面上設(shè)有O形密封圈,可與取樣筒的上端開(kāi)口密封配合。
外套筒可以由中間筒、半合管和翻板架連接而成,其中中間筒的上端與缸套的下端螺紋連接;而半合管由兩片半圓管拼合而成,半合管的上端與中間筒的下端螺紋連接,半合管的下端與翻板架螺紋連接;所述翻蓋通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在翻板架上,銷(xiāo)軸上套有扭簧,扭簧作用于翻蓋上一個(gè)閉合扭矩,也就是對(duì)翻蓋施加使其向內(nèi)翻轉(zhuǎn)(閉合)的作用力(圖5)。
圖5 外套筒上下控制結(jié)構(gòu)示意
(3)取樣筒的下端超過(guò)外套筒的下端,在外套筒的下端安裝有可翻轉(zhuǎn)的翻蓋。在取樣筒外壁的上、下兩端各設(shè)有凸緣,而半合管的兩端位于所述凸緣之間,從而將取樣筒軸向限位(圖6)。
在中間筒的側(cè)壁上開(kāi)有矩形的通孔,耳朵蓋板可以從通孔放入中間筒的內(nèi)部,耳朵蓋板兩端的凸耳從通孔中伸到中間筒的外部,并與控制桿相連接。當(dāng)耳朵蓋板在活塞桿的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)時(shí),通孔也可以為耳朵蓋板兩端的凸耳提供活動(dòng)空間。
圖6 取樣筒結(jié)構(gòu)示意
(4)翻蓋有2個(gè),左右對(duì)稱(chēng)地安裝在外套筒下端。當(dāng)翻蓋向內(nèi)翻轉(zhuǎn)時(shí),可以封閉取樣筒的下端開(kāi)口,2個(gè)翻蓋的上表面各設(shè)有一層半圓形密封墊,以保證密封效果。在取樣筒的下方間隔一定距離設(shè)有一個(gè)內(nèi)徑與取樣筒相同的控制圈,當(dāng)翻蓋向外翻開(kāi)時(shí),翻蓋的下端可以被控制圈擋住,使其保持打開(kāi)狀態(tài);控制圈與控制桿的下端相連接,控制桿的上端與耳朵蓋板相連接。
2個(gè)翻蓋的端部都設(shè)有斜面,閉合狀態(tài)下,所述2個(gè)翻蓋的端部通過(guò)斜面相搭接,這樣可以增加接觸面,增強(qiáng)密封效果。但這種搭接,需要控制2個(gè)翻蓋先后完成翻轉(zhuǎn),即右側(cè)的翻蓋需要先翻上去,然后,左側(cè)的翻蓋再翻上去,使它們的斜面相重疊,形成搭接。本設(shè)計(jì)通過(guò)合理地設(shè)置控制圈的形狀,來(lái)達(dá)到這種效果(如圖7所示)。右側(cè)的翻蓋相接觸的控制圈右側(cè)軸向長(zhǎng)度短一些,而與左側(cè)的翻蓋相接觸的控制圈左側(cè)軸向長(zhǎng)度要長(zhǎng)一些,也就是說(shuō),控制圈左側(cè)的上邊緣高于右側(cè)的上邊緣,這樣,當(dāng)控制圈在控制桿的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)時(shí),右側(cè)的翻蓋先與控制圈右側(cè)脫離接觸,會(huì)先翻上去;然后左側(cè)的翻蓋再與控制圈左側(cè)脫離接觸,后翻上去,形成搭接。
為了保證實(shí)際工程中應(yīng)用,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)3 m×3 m攪拌水池,逼真模擬現(xiàn)場(chǎng)河床沉積環(huán)境,采用研制的回淤層浮泥取土器產(chǎn)品進(jìn)行了近百次取樣測(cè)試及室內(nèi)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。
(1)按照規(guī)范[4-5]配置成不同砂、粉、粘粒含量的浮、流泥土,進(jìn)行土工顆粒組成分析、重度等物理試驗(yàn),部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 室內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)
(2)回淤層取土器裝置密閉性測(cè)試,取土后大于1 h時(shí)間滲漏現(xiàn)象(圖8),模擬取土后,浮泥取土器裝置提升到甲板,打開(kāi)裝置取出樣本筒,整套過(guò)程密封性檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,適航水深回淤層取樣裝置完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
圖7 取樣后裝置密封性滲漏測(cè)試
(1)以測(cè)深砣、三爪砣為代表的接觸式回淤層取樣手段對(duì)環(huán)境和人員要求較高,取樣精度受水動(dòng)力、浮泥發(fā)育情況和作業(yè)人員感知、熟練程度等綜合影響,所獲取的數(shù)據(jù)與實(shí)際誤差較大。
(2)不同水域的回淤層泥質(zhì)差別較大,采用非接觸類(lèi)技術(shù)確定浮淤泥上下界面重度時(shí)須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣,對(duì)泥沙顆粒、級(jí)配、狀態(tài)等進(jìn)行試驗(yàn)室數(shù)據(jù)驗(yàn)證及分析,才能確保適航厚度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。
(3)現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)取樣是室內(nèi)準(zhǔn)確獲取顆粒組成分析、泥沙沉降分析、重度、淤泥流變特征等唯一手段,開(kāi)發(fā)回淤層浮泥采集裝置是非接觸走航式檢測(cè)手段的補(bǔ)充與完善,具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前途。
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