冲击式水库深水河床质采样器研制

冲击式水库深水河床质采样器研制黄委水文局三门峡库区水文水资源局2015.11.牛长喜1、简介水库深水河床质测验（沙质河床）多使用锚式采样器，存在问题：

一是采样后仪器不能将口门封闭，在上提过程中经过水体中较长时间的晃动，大部分沙样被水涮走，留下沙重不够且失去代表性；

二是库底有较厚的泥沙悬浮，浓度较大时，采样器难以到达河床底部或在仪器到达底部前仪器仓已被悬浮泥沙灌满，采得的泥沙不是真实的河床质，河床质采样失去意义。

我们新研制的冲击式水库深水河床质采样器改善了仪器性能，解决了以往存在的问题。锚式采样器难以到达河床底部到达底部前仪器仓已满2、项目设计2.1设计基本思路（1）仪器用途——水库深水河床质采样（2）仪器应用平台——测船或操舟机（3）仪器应用条件——5m以上，静水（4）仪器操作方式——初期，人力；以后，电动（5）仪器沉降动力——自身重量（6）仪器定向运动方法——导向尾翼

（7）仪器采样方法——挤压使沙样进入仪器仓

（8）仪器口门启闭方法——自动打开与关闭（9）仪器其他辅助措施——冲击锤辅助口门关闭

2、项目设计2.2设计要求：（1）技术要求：1）保证在水深30m以内能够取得河床质；2）仪器应能突破水库悬浮层，保证取样代表性；3）仪器应有口门启闭装置；4）仪器能够在测船或操舟机上使用。（2）技术指标1）采样水深30m；2）采样可靠性90%。（3）仪器采样满足规范要求2、项目设计《河流悬移质泥沙测验规范》要求：一、筛析法：1.沙样中含有大于20mm颗粒时，沙重应大于500g；2.沙样中大于2mm颗粒占总沙重10%以上时，沙重不应少于80g，沙样中大于2mm颗粒占总沙重10%以下时，沙重不应少于60g；3.沙样中粒径小于2mm时，沙重不应少于50g；4.当取样有困难时，沙重可适当减少，但应在备注中说明情况。二、用粒径计法分析，沙重应大于0.3g；三、用吸管法分析，沙重应大于1.0g；四、用消光法分析，沙重应大于0.03g。”

目前，颗粒分析采用激光粒度仪，需要沙重类似消光法或更少，水文测站的送样一般掌握在5g～10g，采样沙重不少于5g即可。2.3工作原理2.2.1冲击采样原理

仪器靠自身重力向河床作加速运动。仪器头部接触河床时，仪器头部的河床泥沙挤压仪器仓开关，弹簧压缩，使仪器仓口门打开，泥沙从仪器口门进入仪器仓。2.2.2口门封闭原理

当仪器惯性消失后，仪器仓内被压缩的弹簧反弹将仪器封闭杆向前顶，使封闭杆的圆锥头顶紧仪器口门。2.2.3位置定向原理

仪器尾部均匀分布4片导向尾翼，仪器下落过程中水流与尾翼的相互作用保证各方向的受力均匀，能够沿着预定的方向下落，取得预定位置的河床质。2.4技术设计（1）

总体设计

主要是解决水库深水无流速情况下河床质采样问题，设计采样水深10m以上。不考虑水深小于5m情况下使用，因为水深太小，采用其他方法采样要简单、方便的多；水深5m～10m情况下使用，采样器达不到应有的惯性，可以多冲击采样几次；水深大于10m，可以正常使用。水深使用上限主要看绳索及提升设备，理论上，对于有限的水库水深，水深越大，到达河床的冲击力越大，采样效果越好。仪器受到的阻力随下降速度的增大而增大，最终可能会趋于匀速下降，但这是极限分析的情况，其速度不会小于我们试验已经达到的速度。2、项目设计采样器总体图

2、项目设计采样器剖视图2、项目设计（2）仪器重量设计

设计重量按不超过20kg考虑，尽可能重一些。（3）采样仓设计

采样仓设计为圆筒状。圆筒外径60mm，长250mm。圆筒两侧设计用直径8mm的圆钢制作的弧形侧翼。采样仓进口为收缩形喇叭口，最小进沙口直径30mm。采样仓内径52mm，长度238mm。2、项目设计（4）导向尾翼设计

导向尾翼设计为有一个带底的圆筒和筒侧均匀分布的四个翼片组成，见图5。圆筒直径80mm，长度350mm，壁厚5mm。圆筒底部有一园孔，孔径30mm。圆筒底部壁厚10mm。尾翼厚度4mm。导向尾翼内部只是一个直径70mm的空仓，筒口处距口30mm长范围设计为M70螺纹，以便和封闭杆后座连接。

2、项目设计（5）封闭杆后座设计封闭杆后座设计为有一个带底的圆筒和一个直通园管组成。圆筒直径70mm，距圆筒顶30mm以内为M70，与定向尾翼的接口配合。内壁距口30mm以内为M60，与采样仓的上端配合。2、项目设计（6）锥形封闭杆设计锥形封闭杆设计为一根园杆，前部为一圆锥。园杆设计采用Φ12不锈钢园管，长度410mm。圆锥锥顶角度设计为45°。圆锥底端下方设计厚5mm，Φ32园板。园板与圆锥底端设计有宽4mm，槽底直径18mm。该槽用于安装和限位密封胶垫。2、项目设计锥形封闭杆的作用主要是利用锥形对采样仓的进口进行开启和密封。锥形封闭杆上提时，泥沙在仪器相对河床的惯性力的作用下，从采样仓口和锥形面间进入采样仓。当泥沙进入采样仓后，锥形封闭杆向下顶紧采样仓口，将采样仓密封，泥沙不能从采样仓口流出。2、项目设计（7）

控制圆板锥形封闭杆在采样仓中上下移动时，虽然上部安装的封闭杆后座有控制作用，但由于距离较远，锥形头在封堵采样仓口门时会产生偏离。为了保证锥形头在封堵采样仓口门时准确对准口门，在锥形封闭杆上设计加装了控制圆板，使锥形封闭杆在采样仓内运动时受到采样仓边壁的控制。2、项目设计控制圆板与锥形封闭杆的配合主要考虑采样仓可容纳泥沙的数量。泥沙密度（ρ）按2.3，采样仓内径（D）52mm，园杆直径（d）12mm，采样泥沙质量按200g，则控制圆板与锥形头后园板间的距离为43mm：考虑到采样仓采样时存在空隙，锥形封闭杆需要运动空间，以及较大采样泥沙需求量的要求，设计控制圆板与锥形头后园板间的距离为120mm。2、项目设计（8）

弹簧设计锥形封闭杆对采样仓进口的开启和密封设计用弹簧自动控制。当锥形头受力后，弹簧压缩，锥形封闭杆向上抬起；当锥形头受力消失后，弹簧恢复，锥形封闭杆向下恢复原位。弹簧设计采用不锈钢材料，避免生锈影响弹簧性能。2、项目设计（9）

加重块设计为了调节采样器的重量设计了加重块。加重块套装在封闭杆后座的圆管上。加重块设计为中间有圆孔的圆柱体，外径70mm，中间圆孔直径19mm，高100mm。加重块有外壳和内部灌铅组成。外壳采用厚度1mm不锈钢加工，向上的一端因不受外力可不封闭。2、项目设计（10）

冲击锤设计弹簧的弹力与采样仓开启的能力存在矛盾。弹簧弹力大时，采样仓开启存在困难；弹簧弹力小时，采样仓采样后无法达到密封。为了解决这种矛盾，设计了冲击锤，在仪器冲击河床时，首先是弹簧产生作用，方便的开启采样仓口门进行采样，泥沙进入采样仓。采样仓惯性消失后，冲击锤运行至锥形封闭杆尾部，冲击锤惯性作用在锥形封闭杆上，使锥形封闭杆向前运动，相当于增加了弹簧的弹力。3、现场试验（1）潼关水文站试验2013年12月11日下午在潼关水文站潼关（七）断面的死水区域进行试验，试验位置水深5.0m。试验时，在测船甲板上将采样器悬空放下，让采样器自由落体落入水中。至河床后，拉出水面，打开采样仓，检查采样仓泥沙采样情况。以采样仓内有沙，且数量满足采样要求（5g）以上为“合格”，否则为“不合格”。30次试验全部合格。

4、现场试验4、现场试验在黄河潼关水文站潼关（八）断面的流水中进行，水流速度在0.5～1.0m/s之间。试验结果：多数情况下很难取到沙样，个别情况下能取到沙样。取得的河床质沙样泥沙粒径是比较粗的。说明流动水流中，很难保证采样仓口对准河床，取样的成功率不高。4、现场试验试验也采取加大高度的方法，在船舶二层平台上将仪器抛下。试验结果，也不是很好的。因此，建议本仪器不在动水中使用。仪器原本设计也没考虑在动水中使用。4、现场试验（2）黄河三门峡会兴渡口河段试验2013年12月1日下午在黄河三门峡会兴渡口河段进行了现场试验，试验在三门峡市港检船上进行，试验范围在会兴渡口约2km的河段内，试验水深5m～15m，风力约1～2级。试验前先观测水深，在船上布置好合适的绳长。仪器从船测放下，让仪器自由下落。4、现场试验当仪器落到河底后，通过拉升将仪器拉出水面，提到船上。为了增大仪器采样的成功率，在仪器落到河底后，提离河床5m左右，再放开，让仪器再落到河床采样。该方法主要在水库蓄水的主流区域采用。4、现场试验黄河三门峡会兴渡口试验共进行33次采样。采样位置分布于水库的中心和边滩，边滩水深5m左右，水库中心区域水深15m左右。33次试验全部能采集到河床沙样，仅1次少于5g，1次沙重刚好5g外，其他沙重全部在5g以上。33次试验，最小采样沙重4.18g，最大沙重120.65g。小于7%的测次沙重在5g以下，30%的测次沙重在10g以下，有一半测次沙重可达到15g，最大沙重为120.65g。

4、现场试验根据现场试验观察，水库边滩部分容易采集到沙样，一般采集到的泥沙较多。水库主河槽部分采集较困难，一般采集到的泥沙较少。本仪器在结构设计上可以连续进行多次采样，泥沙在采样仓累积储存。因此，当遇到采样困难的地方可以在采样后，将仪器拉起一定高度后再放开，让仪器进行再次取样。序号采样沙重频率%序号采样沙重频率%序号采样沙重频率%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、结论与建议（1）水库深水情况下的河床质采样存在的问题，一是采样后仪器不能将口门封闭，留下沙重不够且失去代表性；二是水库底部水层有较多的泥沙悬浮，采得的泥沙不是真实的河床质。冲击式水库深水河床质采样器改善了仪器性能，解决了以往存在的