УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ДОННОГО ГРУНТА КРИВОШЕЕВА

Полезная модель может быть использована при контроле за состоянием донных отложений в водоемах, а также при производстве морских геологоразведочных работ.
Известно устройство для опробования донных отложений, содержащее колонковую трубу, снабженную в нижней части режущим башмаком. На верхнем конце колонковой трубы посажена направляющая трубка, на которой крепится стальная труба, служащая для установки грузов переменного веса, а также для монтажа четырех стабилизаторов При этом один из стабилизаторов снабжен плоской крышкой и подвижно установлен на оси. При ослаблении в момент удара грунтоноса о дно фиксатор принимает вертикальное положение. Это позволяет крышке во время извлечения трубки перекрывать верхнее отверстие грунтоноса, предотвращая выпадение пробы (И.Г.Шелковников, А.В.Лукошков Технические средства подводного разведочного бурения и опробования. - Л.: ЛГУ, 1979, с.77-78).
Недостатком устройства является сравнительно малая эффективность при опробовании морских и озерных месторождений и донных грунтов поверхностного расположения и сравнительно малой мощности, а также малый объем взятой пробы.
Известно широко применяемое для опробования несвязанных донных отложений устройство, называемое дночерпателем (Жизнь пресных вод СССР, 1956, т.4, с.293-305 Общие закономерности возникновения и развития озер. Методы изучения озер./ Под ред. академика А.Ф.Трешникова - Л Наука, 1986, с.71-73).
Дночерпатель представляет собой металлический короб размером 0,2×0,2×0,4 м, две створки закрывают его снизу с помощью пружинного механизма. Дночерпатель, к которому прикрепляют свинцовые грузы, опускают на дно с помощью лебедки с максимально возможной скоростью. В результате с раскрытыми створками он врезается в донный грунт с ограничением определенного объема донного грунта внутри дночерпателя. После этого по тросу сбрасывается посыльный груз, который приводит в действие пружинный механизм, закрывающий дно прибора, и устройство с пробой извлекается на поверхность.
Недостатком устройства является его сложность нерегулируемое по вертикали внедрение дночерпателя в опробуемые донные осадки, что может привести к недостоверности взятой пробы, а также неравномерное взятие пробы по площади и глубине опробуемого слоя отложений.
Известно также "Устройство для отбора проб донных отложений" по А.С. 1116151, М. Кл. Е21В 49/02, опубл. 1984, содержащее корпус прямоугольного сечения с опорными стойками, спускоподъемное устройство, запирающий механизм, рабочий орган с боковыми ограничителями смещения [1].
Недостатком этого устройства также является сравнительно малый объем получаемой пробы, а также прямая зависимость работоспособности устройства от возможных крупных включений, препятствующих закрытию створок.
Известные и широко применяемые для опробования несвязанных донных отложений устройства, являются, по сути, грейферным ковшом.
Недостатки грейферного ковша - это сравнительно малая эффективность при опробовании морских и озерных месторождений и донных грунтов поверхностного расположения, а также зависимость работоспособности устройства от возможных крупных включений, препятствующих закрытию створок.
Известен пробоотборник по патент на полезную модель №73396, выполненный в виде полого цилиндра, который имеет скошенный и заостренный конец, позволяющий проникать в отбираемый субстрат; цилиндр снабжен движущимися пластинами на креплении шарнирного типа, первая пластина закреплена изнутри, вторая пластина - в верхней части [2]. На внутренней стороне цилиндра имеется упор, служащий для удерживания пластины. К цилиндру прикреплена ручка разборного типа, что позволяет выбрать ее оптимальную длину. Секции скрепляются между собой болтами через отверстия в концевых участках. Движущиеся пластины не позволяют отбираемым отложениям при их выемке из водоема вываливаться либо вымываться водой.
Однако известный пробоотборник предназначен для отбора влажных и плотных глин до жидкого ила и не эффективен для отбора проб грунта, включающего ракушки, гальку и др. крупные включения.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для отбора проб несвязного грунта под водой по а.с. СССР №174571, принятое в качестве прототипа. Известное устройство состоит из металлической рамы, на которой установлена грунтоотборная емкость, закрепленная на кронштейне, и V-образная скоба, соединенная с корабельным тросом [3]. Грунотоотборная емкость снабжена крышкой и приводится в действие с помощью резиновой тяги и системы рычагов. Недостатком устройства является его сложность, а также зависимость работоспособности устройства от возможных крупных включений грунта, препятствующих закрытию крышки.
Техническим результатом заявляемого устройства для отбора проб донного грунта является упрощение конструкции и повышение надежности работы, обеспечение взятия донной пробы различного объема и работоспособности пробоотборника при работе на различной глубине и на донных отложениях грунта различного состава (песок, ракушки, глина, галька и т.д.).
Технический результат достигается тем, что устройство для отбора проб донного грунта содержит металлическую раму, на которой установлена грунтоотборная емкость, закрепленная на кронштейне, и V-образная скоба для сцепления с корабельным тросом, при этом согласно полезной модели рама выполнена из крайних продольных элементов и боковин, а посредине рамы закреплен центральный продольный элемент, при этом грунтоотборная емкость с помощью кронштейна зафиксирована на середине центрального продольного элемента, при этом концы V-образной скобы с возможностью поворота закреплены на пересечении боковин с центральным продольным элементом рамы.
Грунтоотборную емкость целесообразно выполнять съемной.
Каждая боковина рамы может быть выполнена из двух частей, соединенных в стык с концами центрального продольного элемента и крайними продольными элементами.
Крайние продольные элементы желательно выполнять выступающими за боковины рамы.
Заявляемое устройство для отбора проб донного грунта поясняется следующими графическими материалами.
Фиг.1 - общая схема устройства для отбора проб донного грунта.
Фиг 2 - устройство для отбора проб донного грунта с отклоненной V-образной скобой, вид А (сверху).
Фиг.3 - устройство для отбора проб донного грунта с отклоненной V-образной скобой, вид Б (с боку).
Фиг.4 - схема использования устройства для отбора проб донного грунта при работе на небольшой глубине.
Фиг.5 - то же, но при работе на большой глубине.
Устройство для отбора проб донного грунта содержит металлическую сварную раму 1, на которой установлена грунтоотборная емкость 2 и V-образная скоба 3, предназначенная для соединения с корабельным тросом 4 (фиг 1). Рама 1 состоит из крайних продольных элементов 5 и присоединенных к ним поперечных элементов-боковин 6. К боковинам 6 рамы 1 приварен центральный продольный элемент 7 рамы.
Каждая боковина 6 рамы 1 может быть выполнена из двух частей, соединенных в стык с концами центрального продольного элемента 7 и крайними продольными элементами 5. При этом крайние продольные элементы 5 выполнены выступающими за боковины 6 рамы. Детали рамы могут быть выполнены из оцинкованной металлической трубки (диаметром от 15 до 35 мм).
Грунтоотборная емкость 2 с помощью кронштейна 10 зафиксирована на середине центрального продольного элемента 7. Грунтоотборная емкость 2 может быть выполнена в виде металлической колбы (диаметром 100-120 мм), которая жестко закреплена, например, с помощью сварки, на кронштейне. 10 Кронштейн 10 установлен с возможностью съема в защитном стакане 11, приваренном посредине центрального продольного элемента 7 рамы Выполнение грунтоотборной емкости 2 съемной позволяет использовать колбу с диаметром, соответствующим необходимому объему пробы.
К раме 1 прикреплена V-образная скоба 3, вершина 14 которой снабжена кольцом 15 для сцепления с корабельным тросом 4. Концы скобы 3 с возможностью поворота закреплены на пересечении боковин 6 с центральным продольным элементом 7 рамы. Концы V-образной скобы 3 для возможности поворота могут быть закреплены в проушинах 12, приваренных к раме 1. Опытным путем автор обнаружил, что для эффективной работы устройства необходимо ограничение отклонения V-образной скобы 3 от нормали к раме 1 на угол α не более 45° (фиг.3). Для этого на концах скобы 3 с обеих сторон наварены ограничители (не показаны). Кроме того, длина L крайних элементов 5 больше длины ℓ боковин 6 (в 2-3 раза или более) Выступы крайних элементов 5 рамы служат для увеличения L, а также для защиты узлов поворота скобы 3 при ударе о грунт или о борт судна (при подъеме). Такое соотношение размеров рамы необходимо для обеспечения необходимого положения устройства при падении рамы на грунт и при отборе пробы грунта.
Работа устройства.
При выходе судна на заданные координаты выключают движители судна и сразу же опускают прибор, который привязан к тросу 13. При опускании на подводный грунт устройство падает на грунт рамой 1. В результате дрейфа судна к верхней точке 14 V-образной скобы 3 приложена сила, которая переворачивает раму 1, при этом один из крайних продольных элементов 5 всегда оказывается лежащим полностью на грунте (за счет того, что длина L крайних элементов 5 значительно больше длины ℓ боковин 6), а колба 2 за счет жесткой фиксации на раме 1 врезается в грунт (фиг 4). Край колбы - это третья точка соприкосновения устройства с грунтом. Как только трос 4 выпущен полностью (расчет длины «В» троса приведен ниже) и стал натягиваться, он увлекает за собой V-образную скобу 3. При этом скоба 3 должна быть отклонена вверх на угол β не более 20 градусов. Раму с колбой протягивают на 15-20 см, при этом колба 2 зачерпывает грунт, наполняется им, после чего трос 4 выбирают и поднимают устройство на борт. При этом грунт из колбы при транспортировке не вымывается и остается полностью в колбе.
Если указанный угол β будет больше 20 градусов, то проба не возьмется, т.к. колба не будет касаться дна. Если угол β меньше 20 градусов, то потребуется трос большей длины. Для практического использования длину троса определяют, зная глубину Н в месте отбора пробы, по формуле: b=H/sin20°≈3Н, где Н - сумма глубины и высоты борта.
Такая конструкция устройства эффективна на малой глубине водоема (до 30 м).
На большой глубине для эффективной работы устройства требуется трос очень большой длины, чтобы выдержать угол β=20 градусов. В этом случае для сокращения длины троса 4, на нем перед скобой 3 закрепляют груз 14 (фиг.5). Вес груза приблизительно должен быть равен весу всей конструкции или превышать этот вес. Угол плоскости скобы 3 по отношению к грунту β≤20 градусов, а угол, под которым трос идет к кораблю, в зависимости от веса груза может быть практически прямым. Поэтому брать пробу грунта с помощью заявляемого устройства можно тросом меньшей длины.
Заявляемое устройство для отбора проб донного грунта имеет простую и надежную конструкцию, отсутствуют рычаги, пружины, крышки и пр., что повышает надежность работы устройства. Грунт из колбы при транспортировке не вымывается и остается полностью в колбе. Сменная колба обеспечивает взятие донной пробы различного объема. Конструкция предусматривает возможность работы на различной глубине и на донных отложениях грунта различного состава (песок, ракушки, глина, галька и т.д.). Заявляемое устройство испытано на акватории Керченского пролива.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Авторское свидетельство СССР №1116151 «Устройство для отбора проб донных отложений», опубликовано 1984.
2. Патент на полезную модель №73396 «Универсальный пробоотборник донных отложений и бурового шлама». Опубликовано: 2008.05.20.
3. Авторское свидетельство СССР №174571 «Устройство для отбора проб несвязного грунта под водой», опубликовано 07.09.1965 (наиболее близкий аналог).