维克轻便型高频振动钻机在滩涂底质取样中的应用

祁敏敏，曾宝庆，陆　波，邢　宏

(1．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江　杭州　310016；3.浙江省河海测绘院，浙江　杭州　310008)



维克轻便型高频振动钻机在滩涂底质取样中的应用

祁敏敏1,2,3，曾宝庆1,2,3，陆波1,2,3，邢宏3

(1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州310016；3.浙江省河海测绘院，浙江杭州310008)

加拿大维克便携式高频振动取样钻机(简称维克钻机)采用高频方式钻进，当振动频率接近于土体自然频率时，以切削工艺快速穿透土层，很好地解决了传统取样器难以在滩涂取出完整的、不被扰动的底质样品的难题。实践表明，维克钻机具有便携、钻进速率快、取样质量高、应用范围广等优点，借助维克钻机探测技术，可以极大地提升工作效率，同时结合浅地层剖面仪等设备，将更好地服务于浙江省“滩涂资源调查”、“围垦施工”等相关项目。

维克钻机；高频振动；滩涂；机理分析；工艺特点

1　问题的提出

近年来，浙江省内多数河道、水库、浅海由于长期受到水土流失、垃圾排放以及周边农药厂、造纸厂等排放污染物的影响，造成淤积严重，对水源质量、河道的泄洪能力以及水库正常库容带来严重的影响[1]。因此，有必要对沉积层进行采集探测，分析底质性状，从而为滩涂围垦的建设提供基础资料。

由于受水深、潮流、淤泥硬度等因素的影响，传统冲击取样器自动化程度较差，取样厚度较浅，最为关键的是取样过程中河道、水库、浅海淤积层被强烈的扰动，不能达到样品要求。维克钻机能很好地解决传统取样器面临的困扰[2-3]。本文分析了维克钻机高频振动钻进机理及其工艺特点，介绍了在浙江省某工程近区滩涂取样中的实例应用，总结了维克钻机的推广意义。

2　维克钻机高频振动钻进机理分析

维克钻机由振动头、动力装置、4.8m长的挠性轴和提引器组成(见图1)。振动头是关键性构件，其结构复杂。动力装置为Honda汽油发动机，通过离合器转动皮带带动减速箱，将回转运动通过挠性轴传送到给进机构。借助振动头的振动作用以及钻杆自身重力穿透淤泥沉积层[4-6]。钻杆配有特殊设计的螺纹和端部有凹槽使得旋转变得非常容易，钻杆之间结合紧密，钻杆样式见图2。钻杆有BQ、NQ和HQ三种规格，其参数见表1。钻杆下面连接1个经过热处理、高强度的钢材料钻头，不需要回转运动。

图1　维克钻机组成构件图

图2　钻杆样式示意图

规格长度/m外径/mm内径/mmHQ1.5288.977.7NQ1.5269.860.5BQ1.5255.646.0

高频振动钻机主要运用于较软地层，其作用机理包括2方面[7-10]：

(1)当振动头振动频率接近于钻杆频率而共振时，钻杆便产生强烈的纵向振动而加快钻杆速率；

(2)当振动头振动频率与土体颗粒自然谐振频率叠合时，钻杆钻进速度加快。

前者是使钻杆处于剧烈振动而加快土层扰动，后者是直接使土体处于强烈振动，两者所需要的振动频率是不一样的。

维克钻机结构简单，但其设计思想很独特，代表当今世界创新性技术，采用高频振动方式钻进，振动头振动频率为7 000～12 000次/min。当振动频率接近于土体自然频率时，可以将极大的能量直接传送到钢材料钻头。高频振动使钻头以切削形式穿过土层，甚至引起土体液化，让钻进变得非常迅速。

3　维克钻机工艺特点

3.1便携

维克钻机各组成部件重量见表2。从表2可以看出，与具有同等钻进能力的普通钻机相比，维克钻机是最小的一种，使用这种钻机对滩涂进行淤泥层探测是非常理想的，钻机总重量和尺寸易于使用汽车整体搬运到边远地方，移动运输便捷迅速。

表2　维克钻机组成部件重量表

3.2钻进速率快

钻机钻进速率主要由土层类型决定，实际应用中，在含水率较大的地层，维克钻机钻进速度较快，能够达到1.5m/min甚至更快。可见维克钻机非常适合滩涂底质探测。取样过程时间主要花费在钻机安装、提取钻杆和取出样品套管上。

3.3取样质量高

维克钻机运用了日益成熟的高频振动切削工艺，在钻进过程中该优势明显，表现为能够采集到连续的扰动较小的样品，而且取样过程中不会产生二次污染。实践证明，在某些地层特别是淤泥沉积层常规取样器往往难以取出样品，而维克钻机已成功采集到连续完整的样品，从而能够准确分析土层情况，样品的性状及成分。

3.4适用领域广

维克钻机钻具不需回转即可穿透土层，陆地和水下都可以顺利完成采样，尤其是对于较软地层维克钻机应用是没有限制的，可用于湖(库)水淤泥层调查、农业土壤地质调查、浅海水底取样等探测工作。温度从-40～43℃和湿度的情况下，维克钻机都能有效采集样品。

4　实例应用

使用维克钻机在浙江省某工程近区进行取样，根据项目要求，在沙滩海床上布设15个底质钻孔取样点进行颗粒分析，了解该区域地层构造特征，为该地区域沙滩修复研究提供基础资料。各点的钻孔深度在1～2m，其中DZ1～DZ12位于某港外海侧，DZ13～DZ15位于内侧围区。底质取样点位置见图3。

围区DZ13～DZ15以及外海侧DZ1、DZ5、DZ9采用HQ型规格钻杆，其余取样点采用NQ型钻杆，钻杆内部使用硬质塑料样品管(见图4)。收集土体样品，对应有B、N、H三种规格，该管便于保存和运输样品。且在样品管两端有橡皮盖，具有保持样品水分和确保样品不被扰动的优点。

图3　底质取样点位置示意图

图4　硬质塑料样品管图

围区内取样点高程(1985国家高程基准，下同)约1.5m，退潮后，淤泥层露出，属于无水作业。外海侧取样点高程在-5.5～-1.5m，需利用船只进行取样工作，为保证测船航行水深使取样顺利、快速、高效开展，结合潮汐涨落，控制取样水深在3.0～5.0m，通过4只锚将船固定于取样点位，在船舷上焊接操作平台，并安装安全护栏。整个取样过程比较顺利，但也碰到了一些问题：钻杆钻进土层深度大于样品长度，即样品被压缩，当然市场上钻机几乎都存在样品被压缩的情况，采取钻进一根取出一根再钻进一根增加回次取样的方法可以最大程度地减小样品的压缩率；样品采集完成后，提引器难以将整个钻杆取出，可以用改装船上的起锚机将钻杆吊起，在吊起的过程中，继续发动动力装置，控制油门保持钻杆轻微振动，使得土层和钻杆表面不完全接触，摩擦力大幅度减小，就比较容易提起钻杆，但振动频率不宜过大，否则将导致部分或全部样品流失；随着采样深度的增加，底部淤泥越积越密，硬质塑料样品管与钻杆内壁摩擦力越来越大，尤以沙质土最为明显，使得样品管难以取出。针对此问题，项目小组设计了助推器，助推器一端为与钻杆内径吻合、表面光滑的铁块，另一端为与铁块相焊接的钢管，通过敲击钢管可以轻松取出样品管，且不会对样品造成扰动。

传统柱状取样器主要以冲击的方式钻进土层，受风浪、潮流、淤泥硬度影响较大，自动化程度较差，最为关键的是难以取出河道、水库相对柔软、含水率大的黑色淤泥质，且取出的样品被强烈扰动，不能达到样品要求。实践证明，维克钻机操作简单、需要人员少，从安装到完成取样平均需要0.5h，与传统重力取样器相比，维克钻机具有钻进更深的能力，且能克服重力取样器难以垂直取样的缺点；与冲击式钻机相比，维克钻机具有效率高、钻进施工安全性好的特点，能够采集到较小扰动的样品。

5　结　语

维克钻机采用高频方式钻进，当振动频率与土体自然频率叠合时，以切削形式快速穿透软土层和淤泥沉积层，具有便携、钻进速率快、取样质量高、应用范围广等优点，借助维克钻机底质探测技术，能很好地解决传统取样器难以在河道、水库、浅海取出完整的、不被扰动样品的困扰，可以极大地提升工作效率，同时结合浅地层剖面仪等设备，更好地服务于浙江省“滩涂资源调查”、“围垦施工”等相关项目。

[1]朱方旭,翟翠红.钱塘江上游水土流失造成的面源污染及防治措施探讨—以衢州市为例[J].浙江水利科技,2014(2)：41-43.

[2]叶成明,李小杰,刘迎娟.浅析声波钻进技术[J].勘察科学技术,2007(5)：29-31.

[3]于铭强.轻便土壤层取样钻机[J].国外铀矿地质,1984(2)：120.

[4]张燕.国外声波钻机及其应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2008(7)：105-107.

[5]熊玉成.声频振动钻进的机理研究[D].北京：中国地质大学,2007.

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[7]史海岐,刘宝林.声频振动钻机及其液压系统的设计[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2007(7)：44-46.

[8]赵伟.高频振动回转钻进机理分析与研究[D].长春：吉林大学,2008.

[9]何发亮,李苍松,粟健,等.声波探测技术的新发展及其应用[J].中国铁道科学,1999(4)：85-89.

[10]张旭.声频钻进中钻具纵向振动规律研究[D].北京：中国地质大学,2014.

(责任编辑姚小槐)

ApplicationofVicPortableHigh-frequencyVibrationDrillinBeachSedimentSampling

QiMin-min1,2,3,ZENGBao-qing1,2,3,LUBo1,2,3,XINGHong3

(1．ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,Zhejiang,China; 2．ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofEstuaryandCoast,Hangzhou310016,Zhejiang,China; 3．ZhejiangSurveyInstituteofEstuaryandCoast,Hangzhou310008,Zhejiang，China)

CanadianVicportablehighfrequencyvibrationsamplingdrill(hereafterVicdrill)useshighfrequencymodefordrilling.Whenthevibrationfrequencywasclosetothesoilnaturalfrequency,thesoillayerwillrapidlybepenetratedbycuttingtechnology,wellsolvingtheproblemsofremovingtheentireandunperturbedsedimentsamplewhenusingtraditionalsampler.ThepracticeshowedthattheVicdrillhasadvantagesofportability,fastdrillingspeed,highsamplingqualityandwideapplicationrange,etc.TheworkefficiencywillbegreatlyimprovedbyusingdetectiontechnologyofVicdrill.Meanwhile,combinedwithshallowbottomprofilerandotherequipment,itwillprovidebetterservicefor“beachresourcesinvestigation”,“reclamationconstruction”andotherrelatedprojectsinZhejiangprovince.

Vicdrill;highfrequencyvibration;shoal;mechanismanalysis;technologicalcharacteristics

2016-02-25

浙江省科技计划项目(2015F10004)。

祁敏敏(1984-)，男，工程师，大学本科，主要从事海洋测绘和工程测量工作。

TE922

A

1008-701X(2016)03-0048-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.014