一種連續獲取鑽孔原位水樣的裝置及取水方法與流程
2023-05-28 20:18:11 2
本發明屬於水文地質領域，特別涉及一種連續獲取鑽孔原位水樣的裝置及方法，該裝置可用於連續獲取鑽孔地下水面以下不同深度的原位水樣。
背景技術：
進行研究區水文地質條件分析時，有時需從研究區鑽孔的不同深度獲取原位水樣，進行水化學以及同位素等的分析。以往的鑽孔取水裝置需要不斷重複下放和提升取水裝置的操作，才能獲得鑽孔不同深度的水樣。此外，以往取水裝置通常獲取的是鑽孔內的混合水。如何避免重複提放取水裝置且連續獲取不同深度的原位水樣，依然沒有簡單高效的裝置，因此，需要進一步研究。
技術實現要素：
為了克服現有技術中的不足，本發明提供了一種連續獲取鑽孔原位水樣的裝置及方法。
為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
一種連續獲取鑽孔原位水樣的裝置，包括氣壓控制系統、管道輸送系統和升降控制系統，所述氣壓控制系統包括氣壓泵和與氣壓泵相連通的輸氣管，所述管道輸送系統包括栓塞輸氣管、取水輸氣管和輸水管，所述輸水管的末端設有接水容器，所述輸氣管上設有氣壓表、加壓閥和釋壓閥，所述升降控制系統包括絞車、計數器和鋼絲繩，還包括進水控制系統和栓塞隔離系統，所述進水控制系統包括儲水圓筒，所述儲水圓筒通過鋼絲繩與所述絞車連接，所述鋼絲繩繞過所述計數器，所述儲水圓筒中設有隔板，所述隔板將儲水圓筒分為上儲水圓筒和下儲水圓筒，所述下儲水圓筒通過取水輸氣管與所述輸氣管連通，所述上儲水圓筒與所述輸水管連通，下儲水圓筒的筒壁上設有進水閥一，所述隔板上設有進水閥二，所述栓塞隔離系統包括套設在上儲水圓筒上部的上氣壓栓塞和套設在下儲水圓筒下部的下氣壓栓塞，所述上氣壓栓塞與下氣壓栓塞通過連通管連通，所述下氣壓栓塞上設有栓塞進水閥，所述上氣壓栓塞通過栓塞輸氣管與所述輸氣管連通，所述取水輸氣管上設有取水輸氣控制閥，所述栓塞輸氣管上設有氣壓栓塞加壓閥。
作為優選，所述進水閥一、進水閥二和栓塞進水閥均為單向閥。
作為優選，所述上氣壓栓塞的上下兩端和下氣壓栓塞的上下兩端均設有擋片。
作為優選，所述栓塞輸氣管、取水輸氣管、輸水管以及上氣壓栓塞和下氣壓栓塞均由橡膠材料製成。
作為優選，所述上儲水圓筒和下儲水圓筒的體積相等。
作為優選，所述氣壓栓塞橡膠材料製成。
作為優選，所述輸氣管與栓塞輸氣管通過栓塞輸氣管連接頭相連；所述輸氣管與取水輸氣管通過取水輸氣管連接頭相連。
作為優選，所述取水輸氣管與下儲水圓筒通過下儲水圓筒連接頭相連；所述上儲水圓筒與輸水管通過上儲水圓筒連接頭相連。
使用上述裝置連續獲取鑽孔原位水樣的取水方法包括以下步驟：
（a）從研究區選擇需進行原位取水的鑽孔；
（b）在地面組裝鑽孔取水裝置：
（c）打開栓塞加壓閥、打開釋壓閥、打開取水輸氣管控制閥、關閉加壓閥，將栓塞隔離系統和進水控制系統通過鋼絲繩整體緩慢下放至鑽孔水面以下，根據計數器的讀數控制下放深度，當下儲水圓筒上的進水閥到達指定取水深度後，鎖定絞車；
（d）關閉取水輸氣管控制閥和釋壓閥；緩慢打開加壓閥，氣壓泵開始給上氣壓栓塞和下氣壓栓塞充氣，使其體積增大；持續加壓過程中，注意氣壓表的讀數，當讀數急劇增大時，關閉加壓閥和栓塞加壓閥；
（e）打開取水輸氣管控制閥，緩慢打開加壓閥，氣壓泵開始給取水輸氣管充氣加壓；此時，進水閥一自動關閉；進水閥二自動打開；下儲水圓筒內的水經由進水閥二進入上儲水圓筒中；上儲水圓筒中的水則不斷進入輸水管中，並最終從輸水管的出水口溢流至接水容器中；持續加壓的過程中，當出水口出現同時噴氣和噴水現象時，記下氣壓表的讀數，此讀數為該取水深度的峰值氣壓；
（f）關閉加壓閥，緩慢打開釋壓閥，取水輸氣管中氣壓隨之緩慢降低；進水閥二自動關閉；進水閥一自動打開；鑽孔中的水經由進水閥進入下儲水圓筒中；此後，下儲水圓筒內的水壓開始逐漸增加，直至與鑽孔內的水壓相同，進水閥一自動關閉；取水輸氣管中的水面恢復至與鑽孔地下水面齊平；關閉釋壓閥；
（g）重複步驟（e）~（f）實現在指定深度連續取水；當接水容器中水的體積超過栓塞隔離段鑽孔體積後，倒掉接水容器中的水，將原位水樣灌進取樣瓶中以進行後續分析工作；
（h）打開栓塞加壓閥，上氣壓栓塞和下氣壓栓塞的氣囊體積縮小，解鎖絞車；重複步驟（c）~（g），可以連續獲取鑽孔水面以下不同深度的原位水樣；
（i）鑽孔原位水樣採集工作結束，解鎖絞車，通過鋼絲繩將取水裝置從鑽孔內提升至地面；拆分鑽孔取水裝置：整裝該鑽連續獲取鑽孔原位水樣的裝置，移至下一個鑽孔處。
作為優選，在步驟（e）~（g）的連續取水過程中，氣壓表讀數不能超過峰值氣壓。
本發明的有益效果是：
本發明提供了一種連續取水裝置，能夠在一次下放和提升取水裝置的條件下，實現連續獲取鑽孔地下水面以下不同深度的水樣，且具有製造成本低、結構簡單和容易操作等優點。本發明中設置了栓塞隔離系統，在取水的過程中，栓塞隔離系統能夠將指定深度的水與外部的水隔離，避免了取水時其他深度的水流向指定深度，保證取到的水樣為指定深度的水，確保了分析研究的準確性。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖
附圖標記列表：
其中， 1-氣壓泵；2-氣壓表；3-加壓閥；4-釋壓閥；5-輸氣管；6-取水輸氣管控制閥；7-栓塞加壓閥；8-栓塞輸氣管連接頭；9-栓塞輸氣管；10-上氣壓栓塞；11-下氣壓栓塞；12-擋片； 14-絞車；15-計數器；16-鋼絲繩；17-鋼絲繩連接頭；18-取水輸氣管連接頭；19-取水輸氣管；20-下儲水圓筒連接頭；21-儲水圓筒；22-隔板；23-上儲水圓筒；24-下儲水圓筒；25-栓塞進水閥；26-進水閥一；27-進水閥二； 28-上儲水圓筒連接頭；29-輸水管； 30-接水容器。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步描述：
如圖1所示，一種連續獲取鑽孔原位水樣的裝置，包括氣壓控制系統、管道輸送系統和升降控制系統，氣壓輸送系統包括氣壓泵1和與氣壓泵1相連通的輸氣管5，管道輸送系統包括栓塞輸氣管9、取水輸氣管19和輸水管29，輸水管29的末端設有接水容器30，輸氣管5上設有氣壓表2、加壓閥3和釋壓閥4，升降控制系統包括絞車14、計數器15和鋼絲繩16，還包括進水控制系統和栓塞隔離系統，進水控制系統包括儲水圓筒21，儲水圓筒21上端通過鋼絲繩連接頭17連接鋼絲繩16，鋼絲繩16繞過計數器15，另一端與絞車14連接；儲水圓筒21中設有隔板22，隔板22將儲水圓筒21分為上儲水圓筒23和下儲水圓筒24，下儲水圓筒24通過取水輸氣管19與輸氣管5連通，上儲水圓筒23與輸水管29連通，下儲水圓筒24的筒壁上設有進水閥一26，隔板22上設有進水閥二27，栓塞隔離系統包括套設在上儲水圓筒23上部的上氣壓栓塞10和套設在下儲水圓筒24下部的下氣壓栓塞11，上氣壓栓塞10與下氣壓栓塞11通過連通管連通，下氣壓栓塞11上設有栓塞進水閥25，上氣壓栓塞10通過栓塞輸氣管9與輸氣管5連通，取水輸氣管19上設有取水輸氣管控制閥6，栓塞輸氣管9上設有氣壓栓塞加壓閥7。
本實施例中的進水閥一26、進水閥二27和栓塞進水閥25均為單向閥。隔板22位於儲水圓筒21的中部，使得上儲水圓筒23和下儲水圓筒24的體積相等。
上氣壓栓塞10的上下兩端以及下氣壓栓塞11的上下兩端均設有擋片12。擋片12起到固定上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11位置的作用。栓塞輸氣管9、取水輸氣管19、輸水管29以及上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11均由柔韌性及耐壓強度高的橡膠材料製成。
輸氣管5與栓塞輸氣管9通過栓塞輸氣管連接頭8相連；輸氣管5與取水輸氣管19通過取水輸氣管連接頭18相連。取水輸氣管19與下儲水圓筒24通過下儲水圓筒24連接頭20相連；上儲水圓筒23與輸水管29通過上儲水圓筒連接頭28相連。
使用上述裝置連續獲取鑽孔原位水樣的取水方法包括以下步驟：
（a）從研究區選擇需進行原位取水的鑽孔；
（b）在地面組裝鑽孔取水裝置：將鋼絲繩16從絞車14上拉出，繞過計數器15，緊接著通過鋼絲繩連接頭17與上儲水圓筒23相連；將所述氣壓控制系統的輸氣管5通過栓塞輸氣管連接頭8與栓塞輸氣管9相連；將輸氣管5通過取水輸氣管連接頭18與取水輸氣管19相連；通過下儲水圓筒24連接頭20將取水輸氣管19與下儲水圓筒24相連；通過上儲水圓筒連接頭28將上儲水圓筒23與輸水管29相連；將輸水管29的出水口置於接水容器30中
（c）打開栓塞加壓閥7、打開釋壓閥4、打開取水輸氣管控制閥6、關閉加壓閥3，使所有管道內的氣壓都等於大氣壓。將栓塞隔離系統和進水控制系統通過鋼絲繩16整體緩慢下放至鑽孔水面以下，根據計數器15的讀數控制下放深度。當下儲水圓筒24上的進水閥一26到達指定取水深度後，鎖定絞車14。在下放裝置過程中，進水閥一26和栓塞進水閥25的外部水壓大於內部水（氣）壓，進水閥一26和栓塞進水閥25自動打開，因此鑽孔中的水不斷經由進水閥一26和栓塞進水閥25分別進入下儲水圓筒24和下氣壓栓塞11中；下儲水圓筒24被灌滿水後，在壓力作用下上儲水圓筒23底部的進水閥二27自動，水不斷經由進水閥二27進入上儲水圓筒23中；待上儲水圓筒23被灌滿後，水開始進入輸水管29和取水輸氣管19中；下氣壓栓塞11被灌滿水後，水經由連通管進入上氣壓栓塞10中；當上氣壓栓塞10被灌滿水後，水開始進入栓塞輸氣管9中；當取水裝置到達指定取水深度後，栓塞輸氣管9、輸水管29和取水輸氣管19中的水面與鑽孔內的地下水面持平；取水裝置處於壓力平衡狀態，栓塞進水閥25、進水閥一26和進水閥二27自動關閉；
（d）關閉取水輸氣管控制閥6和釋壓閥4；緩慢打開加壓閥3，氣壓泵1開始給上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11充氣，使其體積增大；利用擋片12將上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11固定在預設位置；上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11通過連通管相連，保證壓強同步變化；持續加壓過程中，注意氣壓表2的讀數，當讀數急劇增大時，上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11已經延伸至鑽孔孔壁，且緊密接觸；關閉加壓閥3和栓塞加壓閥7；
（e）打開取水輸氣管控制閥6，緩慢打開加壓閥3，氣壓泵1開始給取水輸氣管19充氣加壓；取水輸氣管19氣壓增大導致了進水閥一26內部水壓大於外部鑽孔水壓，進水閥一26自動關閉；此時，進水閥二27下部水壓大於上部水壓，進水閥二27自動打開；下儲水圓筒24內的水經由進水閥二27進入上儲水圓筒23中；上儲水圓筒23中的水則不斷進入輸水管29中；取水輸氣管19中的氣壓不斷增大使得取水輸氣管19內的水面不斷下降，而輸水管29中的水面不斷上升；並最終從輸水管29的出水口溢流至接水容器30中；持續加壓的過程中，時刻注意氣壓表2的讀數，以及輸水管29出水口的狀態，當出水口出現同時噴氣和噴水現象時，記下氣壓表2的讀數，此讀數為該取水深度的峰值氣壓，超過峰值氣壓後幾乎不會有水溢流出來。峰值氣壓出現是因為取水輸氣管19中的水面低於進水閥二27的位置，此時氣體直接進入了兩個儲水圓筒21中，由於空氣密度小於水的密度，進入圓筒的氣體會首先被排出而水則不會排出；
（f）關閉加壓閥3，緩慢打開釋壓閥4，取水輸氣管19中氣壓隨之緩慢降低；進水閥二27下部水壓低於上部水壓，進水閥二27自動關閉；進水閥一26外側鑽孔水壓高於進水閥一26內側下儲水圓筒24水壓，進水閥一26自動打開；鑽孔中的水經由進水閥一26進入下儲水圓筒24中；此後，下儲水圓筒24內的水壓開始逐漸增加，直至與鑽孔內的水壓相同，進水閥一26兩側沒有壓力差而自動關閉；取水輸氣管19中的水面恢復至與鑽孔地下水面齊平；關閉釋壓閥4。自此，在指定深度完成一次輸送水樣；
（g）由於在用上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11隔離取水試段之前，所取的水仍是鑽孔中的混合水，因此需要在隔離段連續取水，從而將混合水替換掉以保證獲取原位地層中的水；重複步驟（e）-（f）實現在指定深度連續取水；連續取水過程中，氣壓表2讀數不能超過峰值氣壓；當接水容器30中水的體積超過栓塞隔離段鑽孔體積後，從輸水管29出水口排出的水可以認為是原位水樣，原隔離段的混合水基本被替換掉了；此後，倒掉接水容器30中的水，將原位水樣灌進取樣瓶中以進行後續分析工作。自此，在指定深度完成原位取樣工作；
（h）打開栓塞加壓閥7，上氣壓栓塞10和下氣壓栓塞11的氣囊體積縮小，解鎖絞車14；重複步驟（c）~（g），可以連續獲取鑽孔水面以下不同深度的原位水樣；
（i）鑽孔原位水樣採集工作結束，解鎖絞車14，通過鋼絲繩16將取水裝置從鑽孔內提升至地面；拆分鑽孔取水裝置：將鋼絲繩16與上儲水圓筒23分離；將輸氣管5與取水輸氣管19分離；輸氣管5與栓塞輸氣管9分離；將輸水管29與上儲水圓筒23分離；將取水輸氣管19與下儲水圓筒24分離；將儲水圓筒21中的水從上圓筒接頭處倒出，將取水輸氣管19和輸水管29中的水排出；將氣壓栓塞中的水通過栓塞進水閥25排出；整裝該鑽連續獲取鑽孔原位水樣的裝置，移至下一個鑽孔處。
本發明方案所公開的技術手段不僅限於上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。