新型锥式河床质采样器研制与应用

郎 毅，陈明厂，胡丰收

（黄委河南水文水资源局，河南 郑州 450004）

新型锥式河床质采样器研制与应用

郎 毅，陈明厂，胡丰收

（黄委河南水文水资源局，河南 郑州 450004）

简要介绍一款新型锥式河床质采样器，分析工作原理、主要优点，并结合花园口、夹河滩水文站实际应用情况，探讨该采样器存在的一些问题及解决方法。新型锥式河床质采样器可实现黄河下游河段在水深大、流速急、河床硬的条件下河床质采样，在流速平稳的情况下，能有效地依照规范要求采到距河底淤泥表层 10～20 cm 深度的河床质，解决黄河下游河段过去采样仪器采样工作量大且历时长，以及大水深、大流速条件下难以采样等难题，适用于黄河全河流域和其他多沙性河流的河床质沙样采取。

黄河；河床质；采样器；锥式；采样

河床质采样的主要目的是进行河床泥沙的颗粒分析。河床质是了解、把握悬移质含沙量和推移质基本输沙率的断面横向分布及变化情况，研究河床冲淤变化和糙率的基本资料[1]。由于各条河流条件尤其是河床的组织构成不同，到目前为止，国内及水利行业没有专用的河床质采样器具，因此需要成为创新的必然要求。尤其是近年来，经黄河十多次调水调沙应用，黄河小浪底以下各站河道刷深，流速加大，河床坚硬，这对靠临时替代器件采取河床质的作业提出严峻挑战。因此提出利用“铅鱼底下一根针”的取样方式，使在水深大、流速急[2]、河床硬的条件下河床质采样成为现实。

黄河下游河段过去采用的采样仪器（包括悬移质横式采样器[3]）大都靠人力持杆完成，这在小水深、流速不大的情况下方便易行。可遇到水深流急情形，往往出现作业异常艰辛，采样难以实现的状况。在总结众多成果适应性优劣的基础上，尤其针对近年来黄河水利委员会（以下简称黄委）花圆口和夹河滩两水文站调水调沙期间大水深、大流速、河床硬的特性，研制了新型锥式河床质采样器。

1 新型锥式河床质采样器工作原理

1.1 结构

新型锥式河床质采样器主体由 2 根内径不同、长短不一的钢管套装组成。内管相应位置镂刻一长方形豁口，管底旋接一内窝形锥体，另一端用连接钢板封死，外管下沿焊一固定圆形托盘，采样器 3D示意图如图 1 所示。

图 1 锥式河床质采样器 3D 示意图

1.2 工作原理

采样器主要工作原理：当重铅鱼下降至河底时，锥体靠铅鱼自重压入泥沙层，这时外钢管在托盘的作用下上移，露出豁口，河底泥沙自动挤入内钢管体内。升起铅鱼后，水压压下外钢管托盘封闭内钢管腔体，保证采集到的河床质不遗失。具体过程如下：

1）将采样器经连接件牢固安装至重铅鱼底重心处，启动相应船用或缆道控制台，将重铅鱼平稳放入水中，放开制动装置，使重铅鱼依靠自重沉入河底，采样器由重铅鱼压入河底泥沙层中，淤泥顶起托盘使与之连接的外钢管向上，露出豁口，河底泥沙主动挤进内钢管腔体，此时状态如图 2 所示。

图 2 初入河底采样器状态

2）采样器由重铅鱼继续向下压入距河底淤泥表层 10～20 cm 深度，此时外钢管升至连接板处，托盘阻止采样器继续向下，淤泥则自行挤满内钢管，完成河床质采集，此时状态如图 3 所示。

图 3 河底采样器稳定状态

3）当铅鱼提升，在水体内，托盘会受水体压力向下，直至采样器底部锥体部分，封闭豁口，保证内钢管内采集到的河床质不外溢，采样器内钢管内充满河床质，此时状态如图 4 所示。采样器整体随铅鱼提出水面后，外钢管及托盘连接体更会在重力的作用下，封闭好豁口，确保采集到的河床质不流失，采样器内钢管内充满河床质，此时状态如图 5所示。

4）铅鱼提出水面，转到船上或岸上后，测验人员可方便地旋下螺旋锥体，从内钢管下端取出河床质，立即装入专用采样瓶供后期研究使用，此时状态如图 6 所示。

图 4 采样器随铅鱼升起

图 5 采样器提出水面

图 6 取出采样器中的河床质

2 新型锥式河床质采样器使用情况

采样器自研制成型后，先后在花园口、夹河滩水文站试用，试用现场图如图 7 所示。试用期间针对取样深度、规范取样精度、取样历时、内外钢管密闭测试等 4 个方面进行比测试验，试验结果如下：

1）在花园口水文站，新型锥式河床质采样器使用的铅鱼质量为 250 kg，采样深度为测船有效测深 15 m，在流速 ≤ 5 m/s 以内均能保证采样位置精确；手持式采样器有效取样深度为 10 m，且受流速影响极大，流速稍大将无法有效保证采样位置精确。

2）锥式采样器有采样深度限制设计，因此在流速平稳的情况下，能有效依照规范要求采到距河底淤泥表层 10～20 cm 深度的河床质；而传统手持式采样器没有限位设计。

3）取样历时方面，起初先用铅鱼打深，再装上锥式采样器，这样较耗时。后来将锥式采样器装上铅鱼后，量取长度，通过多次试验，得到加权系数，推算出精确水深。这样取样、打深一次性完成，取样历时大大缩短，且在取样过程中可同时进行流速测验；而手持采样器则需多人进行操作才能同时完成采样、测速工作。

4）因为河床质质地迥异，锥式采样器采样过程中难免会遇到大的颗粒，出现卡壳现象。对此，多次尝试在不同地点采样，在取 10 次沙样中，没有发生一次卡壳情况。

图 7 在黄河上进行河床质取样

3 新型锥式河床质采样器主要优点

新型锥式河床质采样器具有以下优点：

1）能够很好地结合现有测验设施同步进行，不影响正常水文测验。

2）利用测验使用的重铅鱼重量将采样器压入河底河床中，节省人力，保证人身安全。

3）重铅鱼自身抗击水深流急的特性保证采样器作业稳定、可靠。

4）为了取到规范要求的河底淤泥表层 10～20 cm河床质沙样，采样器设计上做到充分考虑，对底部锥体部分，内钢管和开槽及外钢管托盘的尺寸都做了反复试验改进。

5）采样器整体设计充分利用了力学原理，没有其他助力结构设计，结构简单稳定，可靠实用。

4 新型锥式河床质采样器存在问题及解决方法

4.1 存在问题

采样器经过花园口、夹河滩水文站近 1a 多的试用，存在的问题逐渐显现出来，具体如下：

1）比测试验中出现遭遇大颗粒河床质的情况，外钢管卡壳后没有闭合上豁口，采到的样品在上提过程中有流失。

2）水浅区域无法有效采样，因为铅鱼无法得到有效浮力支撑，发生侧倒现象，采样器随之侧翻，采到沙样没能充盈内舱。

4.2 解决方法

针对出现卡壳的现象，暂无好的解决方法，因为出现频率相对较低，且为不可控现象，因此遇到卡壳现象时，提出采样器用清水清洗后，再次下水取样。对于水浅区域采样，考虑使用与手持采样器结合方式解决。

5 结语

新型锥式河床质采样器是针对黄河调水调沙以来黄河干流逐年坚硬的泥沙河床特点研发的。该成果研发成功后，经过 1a 试验运用改进，从 2013年开始至今，一直在黄委河南水文水资源局夹河滩、花园口水文站调水调沙期间进行实践应用。特别是在 3 000 m³/s 左右流量，水深 3.0～12.5 m，流速2.00～5.00 m³/s 水流条件下，均能有效采取河床质沙样，解决了测站水文测验中长期存在的技术难题，为进一步研究黄河下游的河床泥沙运动规律、河道冲淤变化特性、河床糙率分析等提供了可靠保证。新型锥式河床质采样器自身结构简单，加工制作难度小，安装拆卸便捷，制作成本低廉，操控只需依靠现有铅鱼起降设施，省时、省力，根据需要可以方便地使用到动船法和过河缆道水文测验的测站中。新型锥式河床质采样器适用推广到黄河全河流域和其他多沙性河流，实用性强，既减轻了水文职工的劳动强度，又从根本上保证了职工人身安全，而且成本低廉，结构简单实用，便于就地加工制造，用很少的资金即可获得很好的生产效益。

[1] 中华人民共和国水利部. 河流推移质泥沙及床沙测验规程：SL 43—92[S]. 北京：中华人民共和国水利部，1993: 714-717.

[2] 陶祖昶. 介绍两种沙质河床质采样器[J]. 人民黄河，1985 (3): 47-48.

[3] 中华人民共和国水利部. 水文基础设施建设及技术装备管理规范：SL 276—2002[S]. 北京：中国水利水电出版社，2002: 33-34.

Developmentandapplication ofa new cone type bed material sampler

LANG Yi, CHEN Mingchang, HU Fengshou
(Henan Hydrologyand Water Resources Bureau, Yellow River Conservancy Commission, Zhengzhou 450004, China)

Thearticle briefly introducesa new cone type of bed load sampler,analyzes the working principle, mainadvantages,and combining theactual Application in the Huayuankouand Jiahetan hydrological station, discusses some problemsand solutions of the existing sampler. The new cone type bed material sampler realizes the bed material sampling under the conditions of deep water depth high, flow velocityand hard riverbed in the downstream of the Yellow River. In the case of smooth flow, it can effectively follow requirements of the specificationand collect to the riverbed silt from the surface depth of 10～20cm. The new sampler can solve the problems of difficulty of sampling in the conditions of large workloadand long durationand deep water, large flow rate of past sampling instrument in Yellow River downstream,and is suitable for river bed sand sampling of the Yellow River Basinand other river.

the Yellow River; bed material load; sampler; cone; sampling

P335

A

1674-9405(2017)02-0042-03

10.19364/j.1674-9405.2017.02.009

2016-08-23

郎 毅（1978-），男，河南荥阳人，工程师，主要从事水利水文科技应用研究及推广应用工作。