一种管道原状沉积物取样器及其取样方法

技术领域

本发明涉及水环境修复技术领域，特别是涉及一种管道原状沉积物取样器及其取样方法。

背景技术

近年来，城市内涝频繁发生，除了极端天气的外部原因之外，也与雨水管道淤积造成管道容积及过流能力下降有关，而城市雨水管道沉积物的存在是导致管道淤积、输水能力下降的主要原因。遇到暴雨天气时，雨水管道沉积物又会被径流冲刷而进入水体，形成冲击性污染负荷，沉积物中赋存的污染物会重新释放入水体，对河道生态系统产生威胁。此外，雨水管网沉积物在微生物作用下，产生的H2S等有毒有害气体会腐蚀管道以及威胁相关从业人员的安全。因此，开展雨水管道沉积物的研究对提升雨水管道系统自身功能以及削减沉积物污染等方面具有重要意义。

相关研究将管道沉积物构成分为三部分：近底层固体(Near bed solid)、有机层(Organic layer)和生物膜(Biofilm)。管道沉积物三个部分之间的理化特性(颗粒粒径、含水率、污染物赋存量等)以及抗水力冲刷特性等各方面具有较大差异。而关于管道沉积物的报道还不全面，且大部分来源于国外学者，国内对管道沉积物的研究报道较少。国内雨水管道系统中，除检查井中设有一定维修空间外，其余管道部分基本没有预留空间，这使得国内研究者采集管道沉积物变得十分困难。

而采集管道沉积物的样品是研究管道沉积物的理化性质、生物多样性以及污染负荷等方面的必备环节，因此，提出一种雨水管道沉积物的原状采样方法是十分必要且具有重要意义的。目前，关于雨水管道沉积物的采样方法较少，较多的方法是应用于河道、湖泊或海洋沉积物的采样方法。

然而相比于河湖海沉积物，雨水管道沉积物所在环境以及沉积物自身性质(厚度、密度、构成)等方面有着很大差异，这使得上述发明或发明专利难以实现对管道沉积物的原状保真取样。而管道沉积物样品的原状保真对于研究管道沉积物具有十分重要意义，因此，公开一种雨水管道沉积物原状取样器及其取样方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中不能解决雨水管道沉积物原状取样以及无法深入管道内部取样的难题，而提供一种管道原状沉积物取样器，该取样器可以深入管道内部进行原状取泥活动，而不对管道内的泥产生较大的扰动。

本发明的另一个目的是，提供一种管道原状沉积物取样器的取样方法，该方法操作简单，无需人工进入管道内部就可以将管道内的泥原状取出。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种管道原状沉积物取样器，包括取样管、气压柱组件和支撑组件；

所述气压柱组件包括顶端开口的气压柱外筒、位于所述气压柱外筒内的气压柱、固定连接在所述气压柱顶部且位于所述气压柱外筒上方的防滑脱横杆和固定连接在所述气压柱底端且边缘与所述气压柱外筒内壁密封连接的橡皮碗，所述气压柱外筒下端侧壁上设置有与气源相连接的进气口；

所述取样管两端开口，其中底端开口为进样口，顶端开口为出样口，所述出样口上设有可拆卸连接的取样盖，所述取样盖的顶端可拆卸的连接在所述气压柱外筒底部；

所述支撑组件包括支撑套管、逆时针缠绕在所述支撑套管上的电线丝和固定连接在所述支撑套管侧壁且与所述支撑套管相垂直的把手，所述气压柱外筒穿套于所述支撑套管内，且所述电线丝通过外接电路供电时，对金属材质的气压柱外筒形成向上的电磁力，所述电线丝外侧设有绝缘包裹层(陶瓷，绝缘橡胶等)。

在上述技术方案中，所述取样盖通过第一连接组件固定在所述气压柱外筒的底部，所述第一连接组件包括固定在所述气压柱外筒底部的连接柱和形成在所述取样盖上供所述连接柱插入的取样管凹槽。

在上述技术方案中，所述取样管与所述取样盖的连接方式为过盈连接或螺纹连接。

在上述技术方案中，所述把手通过第二连接组件固定在所述支撑套管侧壁上，所述第二连接组件包括固定连接在所述支撑套管侧壁上的螺纹短管和位于所述把手端部的与所述螺纹短管配合连接的内螺纹凹槽。

在上述技术方案中，所述把手为伸缩杆。

在上述技术方案中，所述支撑套管的内径大于所述气压柱外筒的外径，小于所述取样管的外径，小于所述防滑脱横杆的长度。

在上述技术方案中，所述取样管内壁均匀分布有倒钩。

在上述技术方案中，所述进气口与气泵通过耐压管连接，所述耐压管靠近所述气泵的一端设置有放气阀。

在上述技术方案中，所述把手上设置有锁扣。

一种基于上述管道原状沉积物取样器的取样方法，包括以下步骤：

步骤1：安装好所述管道原状沉积物取样器，将电线丝通电，并将所述管道沉积物原状取样器送至管道内预定采样点；

步骤2：到达预定采样点后，打开气源推动气压柱向上，当防滑脱横杆接触到管道顶部后，取样管向下插入到沉积物内，沉积物通过所述进样口进入到所述取样管内；

步骤3：关闭所述气源，释放所述气压柱外筒内的气体，气压柱在重力作用下下降，将取样管从沉积物层中拔出；

步骤4：将所述管道原状沉积物取样器从所述管道内取出，将所述取样管从气压柱外筒取下，打开所述取样盖，通过所述出样口倒出沉积物；

或者步骤2中，当取样管端部进入沉积物层之后，关闭电线丝的电源，使取样管顺利插入沉积物进行取样，步骤3中再重新接通电线丝的电源，给取样管一个向上的力，以便于将其从沉积物中拔出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.可根据所需取样管道沉积物厚度、管道直径和所需沉积物量选择不同规格的取样管，选择灵活多样；

2.可深入管道内部取样，不局限于管道口附近。适用于距离维修空间较远的、不易进入取样的管道位置的取样活动。

3.直通式柱状取样器能够最大程度的保证沉积物的原状取样，不破坏沉积物内部层状结构，可完整的保留沉积物的层状结构，实现原状取样。

附图说明

图1所示为取样管的结构示意图。

图2所示为气压柱组件的结构示意图。

图3所示为支撑组件的结构示意图。

图4所示为取样器组装结构示意图。

图5所示为取样器工作示意图。

图中：1-取样管，2-取样盖，3-气压柱外筒，4-气压柱，5-橡皮碗，6-进气口，7-气泵，8-连接柱，9-取样管凹槽，10-防滑脱横杆，11-支撑套管，12-电线丝，13-把手，14-螺纹短管，15-内螺纹凹槽，16-放气阀，17-锁扣，18-倒钩。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种管道原状沉积物取样器，如图4所示，包括取样管1、气压柱组件和支撑组件；

所述气压柱组件，如图2所示，包括顶端开口的气压柱外筒3、位于所述气压柱外筒3内的气压柱4、固定连接在所述气压柱4顶部且位于所述气压柱外筒3上方的防滑脱横杆10和固定连接在所述气压柱4底端且边缘与所述气压柱外筒3内壁密封连接的橡皮碗5，所述气压柱外筒3下端侧壁上设置有与气源相连接的进气口6；

使用时，气源通过进气口6向气压外筒3的下半部分充气，由于橡皮碗5的边缘与气压外筒3密封连接，气体不会从橡皮碗5边缘泄漏，气压外筒3的下半部分压力增加，迫使气压柱4向上运动，当气压柱4顶端的防滑脱横杆10接触到管道上壁时，气压柱4停止向上运动。防滑脱横杆10与气压柱4垂直焊接，防止气压柱4接触到管道顶部受力时发生滑脱。此时继续向气压外筒3充气，气压柱4不再上升而是气压外筒3向下运动，同时推动与之相连接的取样管1向下运动，插入泥中。

所述取样管1，如图1所示，为直筒式结构，两端开口，其中底端开口为进样口，顶端开口为出样口，所述出样口上设有活动连接的取样盖2，所述取样盖2为实心铸造，顶端可拆卸的连接在所述气压柱外筒3底部；取样管可根据管道的大小、待取样量以及底泥的厚度情况选择不同型号大小的取样管1。

所述支撑组件，如图3所示，包括网状结构的支撑套管11、逆时针密集缠绕在所述支撑套管11上的电线丝12和固定连接在所述支撑套管11侧壁且与所述支撑套管11相垂直的把手13，所述气压柱外筒3穿套于所述支撑套管11内，所述电线丝12外侧设有绝缘包裹层。

支撑组件是将取样装置送入需要取泥的管道内部并保持取样管1竖直的重要组件。本发明选用逆时针缠绕在支撑套管11上的电线丝12对金属材质的气压柱外筒3产生向上的电磁力，穿套于支撑套管内部的气压柱组件在向上的电磁的作用下与重力保持平衡处于竖直平衡状态。

上述管道原状沉积物取样器的取样方法，包括以下步骤：

在进行取样之前，提前将选定取样点的检查井井盖打开，放置20-30分钟，排放有毒有害气体。保证检查井内有毒有害气体不至于危害到取样操作人员；

步骤1：取样操作人员下井，观察雨水管道内沉积物位置及厚度，选择合适的型号大小的取样管1，安装好所述管道原状沉积物取样器，将电线丝12通电，并手持把手13，将所述管道沉积物原状取样器送至管道内预定采样点；

步骤2：到达预定采样点后，打开气源推动气压柱4向上，当防滑脱横杆10接触到管道顶部后，取样管1向下插入到沉积物内，沉积物通过所述进样口进入到所述取样管1内；

步骤3：关闭所述气源，释放所述气压柱外筒3内的气体，气压柱4在重力作用下下降，保持电线丝12通电，使取样管1受到向上的牵引力，缓缓摇动气压柱组件套管，取样管1和气压柱组件在向上的磁力作用下缓慢上升，脱离底泥之后，由伸缩杆13将取样器取出；

步骤4：将所述取样管1从气压柱外筒3取下，将所有零部件移至井上，打开所述取样盖2，用活塞杆通过所述出样口推出柱状沉积物。

在操作过程中，可以一直维持电线丝12通电，也可当取样管1端部进入沉积物层之后，可以关闭电线丝12的电源，使取样管顺利插入沉积物进行取样。当取样结束之后，重新接通电线丝12的电源，给取样管1一个向上的力，帮助其从沉积物中拔出。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上介绍其支撑组件。

管道内沉积物凹凸不平，普通把手支撑的取样组件，在取样管接触到沉积物时候不一定会是竖直状态(由于沉积物表面的凹凸不平，或者是再取样柱进入沉积物时候由于堆积密度差异)，取样管可能不会竖直插入沉积物中，很容易发生歪曲和倾倒，不能时刻保持取样管的竖直方向。如果取样管不是处于竖直方向，则会对取样造成不良影响，一则管道管径较小时伸缩杆(把手13)靠近管口的位置会顶在管道上，发生弯曲变形，取样管不能顺利进入管道底泥，二则所取的泥样由于不是竖直不能完整保留底泥的原有状态。支撑套管11与气压柱4之间有一定的空间(支撑套管11直径较气压柱4外径大)，这样气压柱4在电磁力与重力作用下保持竖直，即使当支撑套管11发生较小倾斜，气压柱也会在其气压柱之间的空间里保持竖直状态。

如图3所示，所述支撑组件包括网状结构的支撑套管11、逆时针缠绕在所述支撑套管11上的电线丝12和固定连接在所述支撑套管11侧壁且与所述支撑套管11相垂直的伸缩杆13，所述气压柱外筒3穿套于所述支撑套管11内。

所述伸缩杆13通过第二连接组件固定在所述支撑套管11侧壁上，所述第二连接组件包括固定连接在所述支撑套管11侧壁上的螺纹短管14和位于所述把手13端部的与所述螺纹短管14配合连接的内螺纹凹槽15。伸缩杆13可以调节取样器进入管道的深度，无需人工进入即可将取样器送至待取样位置。

为保证气压柱组件可以穿套在支撑套管11内部，且气压柱组件和支撑套管11之间有一定的空隙，所述支撑套管11的内径大于所述气压柱外筒3的外径。送入管道时，按照安装顺序，先将气压柱(连同横杆)套在支撑套管11里，然后再安装上取样管，所述支撑套管11的内径小于所述取样管1的外径，通电使得电磁力大于重力，取样管1紧贴着支撑套管11，将取样管1送进管道。

为了防止气压柱组件脱出支撑套管11，所述支撑套管11的内径小于防滑脱横杆10的长度。取样之后，接通电线丝12的电源，使得电磁力大于重力，取样管1紧贴着支撑套管11，将取样管1取出管道。

实施例3

本实施例是在实施例1和实施例2的基础上介绍其优选结构。

作为优选方式，所述取样盖2通过第一连接组件固定在所述气压柱外筒3的底部，所述第一连接组件包括固定在所述气压柱外筒3底部的连接柱8和形成在所述取样盖2上供所述连接柱8插入的取样管凹槽9。连接柱8和取样管凹槽9的规格是一定的，可以匹配使用。不同规格的取样管1上的取样盖2大小不同，但是其上的取样管凹槽9规格都是一样的，都可以与气压柱外筒底部的连接柱8相配合连接，可以根据实际情况选择不同规格的取样管1。

作为优选方式，所述取样管1与所述取样盖2的连接方式为过盈连接或螺纹连接。过盈连接或螺纹连接在竖直方向上较为牢固，可防止取样管1装入沉积物之后由于重量较大，脱离所述取样盖2。所述取样盖2与所述取样管1之间存在间隙，取样时，空气或水可透过所述取样盖2从所述取样管1内排出，使待取沉积物顺利进入所述取样管1。

作为优选方式，如图1所示，所述取样管1内壁均匀分布有倒钩18。以所述取样管1的开口为下，所述倒钩18为固定在所述取样管1内壁上的倾斜向上的棍状物或片状物，可在取样过程中阻止所述取样管1内的沉积物在重力作用下从所述进样口掉落，同时，打开所述取样盖2，从出样口倒出沉积物时，倒钩18不会扰动取样管1内沉积物，保持其原有状态，使其顺利从取样管1内滑出,倒钩18为倾斜向上设置的短杆，其与取样管1内壁件的夹角为锐角。

作为优选方式，所述进气口6与气泵7通过耐压管连接，所述耐压管靠近所述气泵7的一端设置有放气阀16。气泵7作为气源，并配合使用放气阀16可以方便的进行充气加压和放气减压两种操作。

所述伸缩杆13上设置有用于固定所述耐压管和电线的锁扣17。由于整个取样装置需要连接有电线和耐压管，如果电线和耐压管散落在外，很可能会发生缠绕打结或者落入管道底泥造成污损。因此将电线和耐压管通过锁扣17固定在伸缩杆上，可以防止此类情况发生。使整个取样装置更简洁，取样工作更顺利。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。