一种近海岩土工程承压水取样装置及方法与流程

1.本发明涉及土木工程勘察技术领域，具体涉及近海工程的承压水取样技术。


背景技术：

2.海上工程都会面临建筑材料的腐蚀性问题，我们通常研究海洋大气区、海水飞溅区、海水潮差区、海水全浸没区和海泥区等区段的腐蚀性，而对深部承压水区段的腐蚀性分析则显不足，主要是缺乏技术手段的支持。如何获取海上建(构)筑物基础深度范围内各层承压水，进而对其腐蚀性进行评价，将直接影响海工建筑的稳定性与安全性。目前国内外针对承压水的测试技术主要应用于城市地下空间基础工程，海上重大工程基础通常位于海水、海床及一定厚度的隔水层下，如何在此环境条件下获取承压水样进行水质分析试验，从而判定其对建筑基础的腐蚀性，是海洋工程设计的关键。
3.现有技术中公开了部分类似解决方案，如申请号为201520386657.6的中国实用新型专利公开了一种“承压水取样器”，取样器由内筒、外筒、接头和钻头构成，外筒与内筒之间设有滤网与若干个通孔，通过内外筒转动，承压水通过外筒、通孔流入内筒，能够获取较为纯净的承压水样。
4.该方案主要针对陆域浅部工程，未涉及到海上工程海水与隔水层中水渗入到钻孔中的因素，无法很好的应用于海上工程。
5.另，中国发明专利公布号cn 106323534 a公开了“一种自钻式承压水头原位测试装置及其使用方法”，该发明由钻进系统、膨胀机构及测试系统组成，通过内层钻管、外层套管及膨胀机构协同工作，可实现上下层土中的地下水密封阻隔，可有效开展地下承压水位的测试。
6.该技术方案虽然为一种承压水原位测压及膨胀膜隔断不透水层技术，但其只能够针对陆域工程，无法应用于海上工程的承压水取样。
7.随着中国正在实施的涉及的深水港、跨海通道、海上人工岛、海上战略设施等建设项目，需要一种可靠的海上获取承压水的技术，确保海洋工程的安全。


技术实现要素：

8.针对现有技术无法很好的适用于海上工程的承压水取样，本发明的主要目的在于提供一种近海岩土工程承压水取样装置，其能够配合现有的工程勘察装备及钻探工艺，开展海上工程承压水取样，满足不同深度承压含水层的地下水取样，克服现有技术的缺陷；据此，本发明还提供了一种近海岩土工程承压水取样方法。
9.为了达到上述目的，本发明提供的近海岩土工程承压水取样装置，包括：
10.第一护管；
11.钻头组件，所述钻头组件与第一护管的第一端可动配合，所述钻头组件上形成有进水开口，所述钻头组件相对于第一护管进行运动，所述第一护管随钻头组件的运动，可打开或关闭钻头组件上的进水开口，在打开钻头组件上的进水开口时，所述第一护管的内腔
可通过所述进水开口与外部连通，在关闭钻头组件上的进水开口时，所述钻头组件可封堵住第一护管的第一端；
12.取样组件，所述取样组件包括取样筒体和测量单元，所述取样筒体内形成有取样腔，筒体的筒壁上设置有取样通孔，所述测量单元安置在取样筒体内的取样腔内，并与外部控制设备数据连接；所述取样筒体可置于第一护管内，与钻头组件配合，所述取样筒体可在外部驱动下带动钻头组件相对于第一护管进行运动。
13.进一步地，所述钻头组件包括钻头部，所述钻头部上开设有至少一个进水开口，所述进水开口连通钻头部的内腔。
14.进一步地，所述钻头部为带齿钻头或不带齿钻头。
15.进一步地，所述取样筒体上的取样通孔处设置过滤件。
16.进一步地，所述测量单元主要包括水位计，所述水位计设置在取样筒体内的取样腔内。
17.进一步地，所述取样筒体与所述钻头组件之间通过限位结构进行配合，所述限位结构包括可相互啮合的第一限位齿和第二限位齿，所述第一限位齿设置在取样筒体的底部，所述第二限位齿对应的设置在钻头部的内腔内。
18.进一步地，所述第一护管可在内腔保持无水状态下，带动钻头组件进入承压含水层。
19.进一步地，所述承压水取样装置还包括第二护管，所述第二护管可将第一护管安置在其内，所述第二护管可固定海床上，并进入隔水层，在内腔内形成取样作业区域。
20.为了达到上述目的，本发明提供的近海岩土工程承压水取样方法，包括以下步骤：
21.a：按需将第二护管放入到设定的隔水层后固定；
22.b：将安置有钻头组件的第一护管连同钻头组件压入承压含水层中一定深度；
23.c：将取样组件置于第一护管内，并直至取样组件与钻头组件接触配合；
24.d：驱动取样组件带动钻头组件相对于第一护管运动，打开钻头组件上的进水开口，使得承压水进入到取样组件的取样筒体内，并通过测量单元实时测量取样筒体内承压水高度；取样结束后，提升取样组件，提取取样筒体内的承压水样。
25.进一步地，所述承压水取样方法还包括第一护管提升步骤和第二护管提升步骤。
26.本发明提供的近海岩土工程承压水取样方案，其采用护管隔断方式，隔离海水、海床下一定厚度的隔水层水对取样点的渗入，可快速获取不同深度高质量的纯正承压水。在此基础上，本方案还进一步配置外护管(即第二护管)，用于抵御海况对取样的影响，进一步提高本方案应用时的可靠性。
27.与现有技术相比，本发明提供的近海岩土工程承压水取样方案在具体应用时，具有以下有益效果：
28.(1)本发明方案优选采用内外双层护管钻进方式，外护管用于抵御海上风、浪、涌、潮对作业的影响，内护管用于隔离外护管中的钻探冲洗液，防止目标承压含水层上部各含水层和隔水层中地下水的渗入；
29.(2)本发明方案通过在内护管(即第一护管)上设有二种钻头，旋转压入钻头或直接压入钻头，便于内护管穿越多层或复杂地质的岩土层，满足各类工程的需求。
30.(3)本发明方案可快速获取不同深度纯正的承压水，用于进一步判断深层地下水
对近海工程基础的影响。
附图说明
31.以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
32.图1为本发明中近海岩土工程承压水取样装置的主体结构示意图；
33.图2为本发明中近海岩土工程承压水取样装置的主体外观示意图；
34.图3为本发明取样装置安装示意图；
35.图4为本发明取样装置与钻头结构示意图；
36.图5为本发明中近海岩土工程承压水取样装置的作业流程示意图。
37.图中标号说明：
38.10上部筒体
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11通孔
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12取样筒体
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13凹齿
39.14钻头
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15信号线
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16固定架
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17水位计
40.18开口槽
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20过滤片
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21凸齿
41.30外护管
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31内护管
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32钻管
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33隔水层
42.34承压含水
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35承压水样
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36金刚石钻
具体实施方式
43.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
44.术语说明：
45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“护管”应做广义理解，也可理解为套管，一种钻探用管子，外护管、内护管指管子直径尺寸上的差异，作为举例，本发明外护管采用直径146mm管子,内护管直径采用108mm管子，这里需要说明的，具体管径并不限于此，可根据实际需求而定。
46.术语“海面”、“海上”，可以理解为“水面”、“水上”，也包含了江、河、湖水域。
47.术语“平台”指船载移动式勘察平台或升降固定式勘察平台等中的一种。
48.使用方法中，放——指钻机将管子(外护管、内护管、钻管及钻管下的取样装置)吊入海里或土层中；提升——指钻机将上述管子往上提升到平台上。
49.对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.如图1、图2所示，其所示为本发明实例中给出的一种近海岩土工程承压水取样装置的主体构成示例。
51.由图可知，本近海岩土工程承压水取样装置主要包括取样组件和钻头组件二部分。
52.本实例中的取样组件主要由上部筒体10、取样筒体12、水位计17、信号线15等配合组成；
53.其中，取样组件中上部筒体10与取样筒体12顶端开口配合连接，该上部筒体10上还设置有连接螺纹，在实际应用时，可通过该螺纹与钻管32内螺纹旋紧连接，钻管32长度可按需接长，平台上钻机承担取样组件整体的上下升降(如图5所示)。
54.这里需要说明的，对于上部筒体10的具体结构形式此处并不加以限定，即不限于上述内容或附图案例的方案，可根据实际需求而定。
55.取样组件中部设有取样筒体12，该取样筒体12内部形成有取样腔，用于存储承压水的水样。该取样筒体12整体优选为一端封闭的圆筒状结构，取样筒体12上设有若干通孔11，承压水可从通孔11流入取样筒体12内。
56.进一步地，本实例在每个通孔11上对应安装过滤片20，过滤片20用于阻止承压含水层34中砂土颗粒流入取样筒体12内，确保取样装置获取纯净的承压水样。
57.进一步地，本实例在取样筒体12的底端设有二个凸齿21，凸齿21与钻头上凹齿13匹配，二者结构匹配形成啮合，可参考图4，如此形成可拆卸的限位驱动结构，实现取样筒体12能够通过该限位驱动结构来带动钻头同步转动。如此结构简单，同时稳定可靠。
58.这里需要说明的，为了实现取样筒体12带动钻头进行转动，两者之间并不限于采用可相互啮合的凸齿21与凹齿13的配合结构，同样也可以采用其它任何可形的同步驱动结构。
59.进一步参见图3，其所示为本实例中取样组件中安装与内部结构示例方案。
60.由图可知，本实例中取样组件内部设有水位计17、固定架16、信号线15，由此来构成相应的测量单元。
61.为了便于精确测量，本实例中优选将水位计17通过固定架16设置在取样筒体12内。具体的，本实例将水位计17安装在固定架16上，再通过固定架 16安装在取样筒体12内壁上，而信号线15的一端与水位计17连接。
62.作为举例，在实际应用时，信号线15穿过取样组件中的上部筒体10，并整体沿钻管32内侧分布，通往作业平台，作业人员可通过水位控制器(未画出)观测取样筒体12内承压水样35高度(如图5所示)。
63.参见图2，本实例中钻头组件的构成有二种，为带齿钻头14和不带齿钻头 14。
64.具体的，钻头14下部锥体与土体接触，同时该钻头14可与内护管31(即第一护管)进行可拆卸的连接配合，通过该钻头14将内护管31的连接端堵住，从而实现将内护管31内腔与海面下海水、海床下各隔水层33水隔离(如图5 所示)，可在内护管31内腔内形成取样通道。
65.作为优选方案，本实例在钻头14上端部外侧壁设有螺纹，通过该螺纹可与内护管31(即第一护管)螺纹进行旋紧连接(参见图5中b)，由此实现与内护管31可拆卸连接，并堵住内护管31外侧水的渗入。
66.进一步参见图4，其所示为本实例中取样组件与钻头组件之间的一种配合示例方案。由图可知，本实例中钻头上端为螺纹，同时还在螺纹部上设有若干开口槽18，通过这些开口槽18是便于承压含水层34中水流入取样筒体12内。
67.具体的，这些开口槽18优选为狭长的长方形开口，沿钻头14的轴向开设在螺纹部，其开口长度优选小于钻头14上螺纹部的轴向分布宽度。若干开口槽18之前沿钻头14的周向等距或非等距分布。
68.同时对于开口槽18的宽度大小，数量等，此处不加以限定，可根据实际需求而定。
69.如此设置的钻头14在通过其外侧壁的螺纹与内护管31进行螺接配合时，在完成螺接旋紧后，内护管31能够完全覆盖住钻头14上端外侧壁上的螺纹，继而也完全覆盖住开设
在螺纹区域的若干的开口槽18，此时内护管31的内壁将完全覆盖关闭钻头14上的所有开口槽18，从而钻头14将内护管31的连接端堵住，从而实现将内护管31内腔与海面下海水、海床下各隔水层33水隔离 (如图5所示)。在此基础上，当钻头14相对于内护管31进行旋转松开，逐渐退出内护管31时，随着钻头14逐渐旋转退出内护管31时，钻头14上的开口槽18将逐渐脱离内护管31内部的覆盖，逐渐露出打开，届时，内护管31 的内腔可通过钻头14上处于打开状态的开口槽18与外部连通，钻头14周围的承压水将可通过打开状态的开口槽18进入到内护管31的内腔，而此时的内护管31的内腔可作为取样通道，将承压水引导至取样筒体的内腔内。
70.这里需要指出的，钻头14与内护管31之间的连接配合结构，除了上述的螺接配合结构，也可以采用其它任何可行的方案，如轴向的动密封配合结构等。只要能够实现钻头14可相对于内护管31进行运动，且随钻头的运动，内护管 31可打开或关闭钻头上的开口槽18，在打开钻头上的开口槽18时，内护管31 的内腔可通过开口槽18与外部连通，在关闭钻头上的开口槽18时，钻头可封堵住内护管的连接端。
71.为配合前述的取样组件，本实例在钻头14顶端的内部设置有对应的凹齿 13，如前述该凹齿13用于与取样筒体12下端凸齿21转动啮合，形成可拆卸的限位驱动结构。
72.以图4所示方案为例，本实例在钻头上端内设凹齿13二个；取样筒体12 下端设有凸齿21二个，对于凹齿13和凸齿21的具体结构，并不限于图4所示的结构的，可根据实际需求而定，此处不加以限定，只要能够形成稳定的啮合结构即可。
73.这里通过设置两组凹齿13和两组凸齿21，整体结构简单，使得钻头上端的凹齿13与取样筒体12上的凸齿21之间能够快速形成稳定的啮合结构。
74.如此结构下，通过旋转取样筒体12，凸齿21和凹齿13啮合转动，继而能够带动钻头14同步转动，从而可使钻头初始状态(钻头上螺纹与内护管旋紧) 闭合的开口槽18逐渐露出。
75.另外，本实例中的钻头14在实施时，可采用不带齿钻头或带齿钻头。如图4所示，对于带齿钻头指：金刚石钻头36、钻头14、凹齿13(二个凸块之间形成的空间)、开口槽18和螺纹加工成为一个整体；不带齿钻头在于锥体上没有金刚石钻头36，二者的结构是一致的。
76.本实例形成的近海岩土工程承压水取样装置在实施时，可进一步配合一外护管30，该外护管30将内护管安置在其内，该外护管30可固定海床上，并进入隔水层，从而在内腔内形成取样作业区域，可用于抵御海上风、浪、涌、潮对作业的影响
77.进一步地，本近海岩土工程承压水取样装置还能够与现有工程勘察装备 (工程勘察平台)配合，快速开展海上工程承压水取样。
78.具体的，本近海岩土工程承压水取样装置中的取样装置通过其上的上部筒体10与工程勘察平台上钻管32进行螺纹旋紧连接，而钻管32长度按需接长，平台上钻机承担取样装置上下升降。
79.本近海岩土工程承压水取样装置中内护管31旋紧钻头14，通过钻头14 封住内护管31，此时连接钻头14的内护管31在外护筒构建的取样作业区域内，带动钻头14穿过隔水层33后进入承压含水层34。另外。根据需要可选择带齿钻头14(金刚石钻头36)旋转压入，也可以选择不带齿钻头14(锥尖直接接触土体)压入，按需选择。
80.如此，平台上钻机转动钻管32，钻管32带动取样筒体12和钻头14旋转，使钻头14相
对于内护管转转，进行转出；随着钻头相对于内护管逐渐旋出，钻头上开口槽18从闭合状态，逐渐露出，此时钻头14周围的承压水将可通过打开状态的开口槽18进入到内护管31的内腔，而此时的内护管31的内腔可作为取样通道，将承压水引导至取样筒体的内腔内。
81.再进一步转动钻管32，带动内护管31(静止不动)钻头(往下移动)上螺距增大，开口槽18面积进一步增大，加快承压含水层34中水流入内护管31 内，随着内护管31内水位上升，承压水流入取样筒体12、过滤片20、通孔11 至筒内，完成承压水取样。
82.参见图5，其所示为本实例中采用近海岩土工程承压水取样装置进行近海岩土工程承压水取样作业的流程示意图。
83.下面结合附图以及前述本近海岩土工程承压水取样装置的构成，具体说明一下基于本实例方案进行近海岩土工程承压水取样作业的实施步骤如下：
84.预处理：首先参考图3要求安装水位计17，并将信号线15与水位计控制装置(未画出)连接，取样筒体12内倒入清水，观测控制装置上显示器读数，测试正确后，将上部筒体10与取样筒体12旋紧，并在取样筒体12通孔11处按上过滤片20。
85.阶段a：海上勘探水域，作业平台上钻机将外护管30按需接长，放入到设定的隔水层33后，外护管30固定在海床上；
86.阶段b：内护管31下端旋上钻头，内护管31按需接长，作业平台上钻机将内护管31直接压入或旋转压入至设定的承压含水层34，内护管31内侧处于无水状态；
87.阶段c：取样装置上端旋上钻管32，钻管32按需接长，然后沿内护管31 内，放入钻管32，直至钻管32下端取样装置底部凸齿21与钻头内腔凹齿接触为止；
88.阶段d：转动钻管32，使取样装置底部凸齿21与钻头内凹齿13接触状态到啮合状态(详见图4)；继续转动钻管32，内护管31与钻头随着螺纹转动(内护管31静止，钻头往下移动一段距离)，处于密闭状态的开口槽18开始露出，承压水开始进入内护管31内；随着内护管31内壁水位上升，平台上作业人员观测控制器上水位变化，当显示取样筒体12内承压水样35满，则驱动平台上钻机提升钻管32，取出取样装置，卸开上部筒体10，将取样筒体12内承压水倒入试样容器，然后清洗取样装置。
89.基于上述各个阶段，本实例可采用如下的简要执行步骤：
90.a放外护管30
→
b放内护管31
→
c放取样装置
→
d转动钻管32、承压水取样
→
提升取样装置、内护管31、外护管30，由此来完成本区域的取样作业。
91.转场后，重复a、b、c、d这一过程，获取其他区域的承压水样35。
92.当外护管30接长，再执行b、c、d步骤，则获取更深地层的承压水样 35。
93.其中，在实施过程中，外护管30、内护管31和钻管32接长指固定长度的内外护管与钻管32，通过相同规格的内外护管和钻管32旋紧丝扣螺纹，例如：水深10m，隔水层30m，承压含水层10m，则内护管31需进入承压含水层34，至少需接长至50m(还需考虑海面至平台之间的距离)，外护管30只需进入隔水层33，大约接长40m左右。
94.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。