一种直推式低扰动冷冻土壤取样装置的制作方法

1.本发明涉及环境调查与修复技术领域，具体涉及一种直推式低扰动冷冻土壤取样装置。


背景技术：

2.土壤作为构成生态系统的基本要素之一，是人类赖以生存的物质基础。土壤污染防治，直接关系到农产品质量安全、人民群众身体健康和经济社会的可持续发展。作为重大环境保护和民生工程，土壤污染防治已纳入国家环境治理体系。但长期以来，我国经济发展方式较为粗放，污染物排放总量居高不下，土壤作为污染物的最终受体，已受到明显影响。最新一次土壤污染状况调查结果表明，我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，土壤污染问题成为亟需解决的重大环境问题。土壤污染具有隐蔽性和滞后性，受到污染后通常难以及时被发现，必须借助相应的调查装备；由于地下地质结构复杂，土壤污染分布差异大，具有非均质性；同时土壤污染具有不可逆性，一旦发生污染，治理成本高、周期长，难度大。为了避免土壤污染造成的不可逆后果，必须对土壤环境开展及时精准调查，摸清土壤污染分布及污染状况，支撑后续精准污染防控和修复。综上，土壤污染的以上特点对土壤污染状况调查装备和技术提出严格要求。
3.钻探采样是土壤污染状况调查的基础，保证土壤样品的原状性是钻探采样的核心，是保障调查准确性、可靠性和摸清地块土壤污染状况的前提。目前直推式钻探是广泛使用的低扰动土壤钻探采样技术，该技术是一种点钻入技术，借助载具的压力和外加振动锤(液压油缸驱动)的冲击力，以贯入，推进和振动的方式将空心钻杆，取样管和井管等探测设备钻入地层中采集土壤样品，该技术具备钻探速度快、扰动低等优势，但仍存在以下问题：(1)直推式采样管使用的捕样器为防止土壤样品掉落，具有较大的阻力，增大了采样的扰动性和采集的土壤柱状样的压缩比，使得采集土壤样品的深度无法与地下真实的深度对应，大大增加了调查的垂向误差；(2)另一方面，在松散细沙层或者含水率较高的砂层中，直推式采样管的捕样器的无法有效捕获和采集地下砂层样品，颗粒较小的细沙和含水砂层样品从捕样器的缝隙中洒落或遗失，破坏了土壤样品的连续性和完整性，严重影响调查的精度和可靠性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服目前土壤污染场地调查过程中的无法在松散细沙层或者含水率较高的砂层中钻探采集原状土壤样品，导致调查准确性、可靠性差的问题。因此，本发明提出了一种直推式低扰动冷冻土壤取样装置，通过在取样管底端注射液态co2，从而将含水的砂层土壤冷冻凝固，防止砂层土壤的洒落和遗失，保障土壤样品的原状性。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种直推式低扰动冷冻土壤取样装置，包括取样管、内钻杆、co2注射系统、外钻杆、切削钻头、驱动头、驱动帽、连接头，其中内钻杆为带有夹层的管道，夹层的顶部开口，用
于放入co2注射系统，co2注射系统固定在内钻杆夹层中，co2注射系统的底部为co2喷射口，安装在内钻杆夹层的底部，co2注射系统的顶部为co2注射管快接，内钻杆顶部安装有连接头，连接头封住内钻杆夹层顶部的开口，同时留有小孔供co2注射管快接穿过，连接头顶部有螺杆，螺杆连接有驱动头，所述取样管，固定在内钻杆的内部，所述外钻杆底部安装有切削钻头，切削钻头为中空结构，内钻杆安装在外钻杆中，底部被切削钻头顶住，外钻杆顶部安装有驱动帽，并顶住驱动头的顶部。
7.进一步的，还包括连接杆、co2注射连接管、其中连接杆安装在连接头的螺杆与驱动头之间，co2注射连接管连接在co2注射管快接上，所述外钻杆上下部均有螺纹，多根外钻杆可通过螺纹互相连接，得到所需长度的外钻杆。
8.进一步的，还包括取样管保持器，取样管保持器为中空结构，所述取样管固定在内钻杆内部的具体结构为，取样管与取样管保持器通过卡扣固定，取样管保持器再与内钻杆通过螺纹固定。
9.进一步的，所述切削钻头为“v”型结构。
10.进一步的，所述取样管为透明管。
11.进一步的，所述co2注射系统下部为具有弹性的螺旋结构。
12.进一步的，还包括止回阀，连接在co2注射连接管的顶部。
13.相比现有技术，本发明具有以下优点：
14.(1)本取样装置不使用传统捕样器，土壤可直接进入取样管中，避免土壤通过传统捕样器被压缩，而导致的土壤柱状样品压缩比过高，样品采集率低的问题；
15.(2)本取样装置为一种新型双套管取样器，外套管与土壤直接接触，在取样过程中一直置于地下，可防止塌孔，并保护内钻杆与污染土壤接触，防止钻探采样过程中二次污染；
16.(3)本取样装置设计了一种新型土壤钻探取样装置，采用液态co2作为冷冻源，通过注射液态co2，将取样管底端土壤样品冷冻结块，作为取样管底部堵头，防止土壤掉落，从而获得连续完整的土壤样品。本取样装置解决了传统直推式钻探采样技术无法在松散细沙层或者含水率较高的砂层中钻探采集原状土壤样品的问题，具备价格低、操作简单的优势。
17.(4)本取样装置液态co2作为冷冻源，不会在采样过程中对土壤样品产生二次污染，同时低温有助于防止采样过程中有机污染物的挥发，进一步保障了土壤样品的原状性。
附图说明
18.图1是取样管及其保持器的结构示意图；
19.图2是co2注射冷却系统的结构示意图；
20.图3是内钻杆的部分剖面结构示意图；
21.图4是外钻杆部分的结构示意图；
22.图5是驱动头结构示意图；
23.图6是驱动帽结构示意图；
24.图7是本发明使用流程示意图。
25.图中：1-取样管保持器；2-取样管；3-co2喷射口；4-co2注射系统；5-co2注射管快接；6-内钻杆；7-内钻杆夹层；8-止回阀；9-连接头；10-外钻杆；11-切削钻头；12-内钻杆整
体(内部无co2注射系统)；13-驱动头；14-驱动帽；15-装有土壤样品的取样管；16-连接杆；17-co2注射连接管；18-冷冻装置内钻杆整体；19-冷冻土壤堵头。
具体实施方式
26.为了是本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细描述。
27.如图1所示，取样管2为空心透明硬质pvc管，用于在钻探过程中储存土壤柱状样品，取样管保持器1的形状为一段中空的管道，且管道的一端外围有一圈凸台，管道内壁有卡槽，管道外壁有螺纹，安装时，将取样管2底部卡入取样管保持器1的卡槽中固定，取样管保持器1为中空结构，以供土壤样品通过，进入取样管2中；如图2所示，为co2注射系统4，整体为输送液态co2的管道，上端为co2注射管快接5，下部为螺旋结构，下端为co2喷射口3，如图3所示，为装有co2注射系统4的内钻杆6的剖面图(剖去部分外壁)，内钻杆6整体为带有夹层的管道，所述co2注射系统4安装在内钻杆夹层7中。连接头9为三段式结构，底端螺纹用于与内钻杆6内壁连接，顶端螺杆用于与连接杆16连接，中部凸出部分直径与外钻探10外径匹配，凸出部分开有一小孔，可供co2注射管快接5穿过，并起到对co2注射系统4的固定作用。如图4所示，为外钻杆10结构示意图，外钻杆10底部是内螺纹、顶部是外螺纹，可相互连接，得到合适的外钻杆10长度。
28.整体安装时，将上述卡入取样管保持器1的取样管2自内钻杆6底端放入内钻杆中，底端通过取样管保持器1的螺纹与内钻杆6的内壁固定。随后将co2注射系统4置入内钻杆夹层7中，co2注射系统4下部的螺旋结构具有弹性，在内钻杆夹层7中形成预紧力，从而固定在内钻杆夹层7中，其中co2喷射口3应置入到内钻杆夹层7底部，以便后续喷射液态co2冷却取样管2底端的土壤样品；其中co2注射管快接5位于顶部，用于连接co2注射连接管17的底部；止回阀8在达到取样深度后再连接，位于co2注射连接管17顶部，用于控制液态co2注射速率，并防止液态co2回流。将co2注射管快接5从连接头9中部小孔穿过，连接头9底端螺纹与内钻杆内壁固定，连接头9顶端连接连接杆16，连接杆16可用于传递来自直推式钻机的冲击力，从而将冷冻取样装置贯入地下；将上述组装好的内钻杆整体自外钻杆10顶部放入外钻杆10中，外钻杆10底部通过螺纹连接切削钻头11，切削钻头11为“v”形中空结构，中空结构有上下两段，上段直径与内钻杆6外径匹配，下段直径与取样管保持器1中空的孔的直径相匹配，内钻杆6下端插入切削钻头11的上段中空的孔中，内钻杆6上端连接的连接杆16上端连接驱动头13进行固定，切削钻头11为“v”形中空结构，用于切削地下土壤并将土壤压入内钻杆中，外钻杆10顶部通过螺纹可连接其他外钻杆，用于传递来自直推式钻机的冲击力，从而将冷冻取样装置贯入地下。如图5所示，其中驱动头13底部有孔，孔内有内螺纹，内螺纹与连接头9顶部螺杆和连接杆16上的外螺纹匹配，起到固定和传导冲击力的作用，驱动头13顶端有一略微凸起的弧形结构，用来传导驱动帽14处的钻机的冲击力；如图6所示，驱动帽14底部有孔，孔的内壁有螺纹，驱动帽14通过内螺纹连接外钻杆10外壁，且孔的顶部抵住驱动头13的凸起处，起到固定和传导冲击力作用，驱动帽顶部较高凸起，用来传导冲击力；按照上述步骤组装形成本发明提出的冷冻取样装置。
29.实际连续采样过程中，如图7所示，地层地下水水位线以上为填土，采用传统直推式采样技术进行采样，地层地下水水位线以下为松散细沙含水土壤，采用冷冻取样装进行
采样。
30.(a)钻探采集地下水水位线以上填土土壤时，将内钻杆整体(内部无co2注射系统)12置入外钻杆10中，外钻杆10底部连接切削钻头11，外钻杆10顶部通过螺纹连接驱动帽14，驱动帽14和连接头9间置入驱动头13，直推式钻机的冲击锤敲击驱动帽14，并通过驱动头13将冲击力传递给内钻杆整体(内部无co2注射系统)12和外钻杆10，将取样装置贯入地下土壤中，切削钻头11在冲击力下切割地下土壤，并将切割的地下土壤连续压入取样管2中；
31.(b)达到预定取样长度后(在地下水位线以上)，拧下驱动帽14，取下驱动头13，在连接头9顶部通过螺纹连接连接杆16，将装有土壤样品的取样管15和内钻杆整体(内部无co2注射系统)12提出地表，并为内钻杆整体(内部无co2注射系统)12内部更换成空的取样管2，外钻杆10留在地下保持不动，以防止塌孔；(c)继续钻探采集地下水位线以下的松散细沙含水土壤时，为内钻杆整体(内部无co2注射系统)12装入co2注射系统4，成为冷冻装置内钻杆整体18，将冷冻装置内钻杆整体18置于外钻杆10中，连接头9顶部连接连接杆16，将co2注射连接管17通过co2注射管快接5与co2注射系统4连接，然后再连接一根外钻杆10，使之达到相应的高度，并安装好驱动头13和驱动帽14；(d)通过直推式钻机将冷冻装置内钻杆整体18贯入到设计取样深度，停止钻进，拧下驱动帽14，取下驱动头13，在co2注射连接管17顶端连接止回阀8，将液态co2通过止回阀8注入冷冻取样装置中，液态co2流至co2喷射口并在内钻杆底部释放，将取样管底部含水土壤样品冷冻结块，形成冷冻土壤堵头19，停止注射co2；(f)将新得到的装有土壤样品的取样管15提出地表并采集土壤样品，冷冻土壤堵头19防止提升过程中土壤样品的洒落和遗散。