CN110512584A

CN110512584A - 探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头

Info

Publication number: CN110512584A
Application number: CN201910744051.8A
Authority: CN
Inventors: 武猛; 蔡国军; 刘松玉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2019-11-29

Abstract

本发明提供了一种探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，包括电阻率静力触探探头，所述电阻率静力触探探头的尾部通过转接处连接转动膜界面探头，所述转动膜界面探头包括与所述转接处连接的壳体，所述壳体的中间设置有用于穿过CPTU复合电缆的CPTU电缆预留通道，所述CPTU电缆预留通道两侧设置有U型的气体通道，所述U型的气体通道的一端为用于输入循环载气的进气管，另一端为出气管，所述壳体的一侧设置有连通所述出气管的进气口，所述进气口处设置有气体渗透膜，所述进气口的底部设置有加热模块。本发明克服了传统膜界面探头忽略岩土工程特性的缺陷，提高了测试精度，可有效反映场地污染物浓度分布。

Description

探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头

技术领域

本发明涉及静力触探探头与一种气渗性探头的结合，属于环境岩土工程领域，尤其涉及一种探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头。

背景技术

土地是不可再生资源，也是社会经济发展的基础。21世纪以来，随着我国经济的快速发展，土地承受的环境压力越来越大，工业搬迁遗留的污染场地不断涌现，防治土壤和地下水污染已成为我国环境保护工作的重要任务之一，其中污染场地调查与评价则是防治工作的前提和基础，显得尤为重要。了解场地污染物种类、浓度与空间分布范围以及污染场地岩土工程特征等信息，为后续场地调查和修复方案制定提供科学依据。常规的场地调查工作包括钻探、土壤样品取样、筛选、地下水监测井安装和采样、实验室分析等。工作量大，详细的场地调查需要较多的时间和费用。污染场地原位测试技术则可快速有效确定污染范围。但传统的污染场地原位测试技术-膜界面探测器，在探测污染物的同时忽略了场地岩土工程特性的差异对其测试结果造成的影响，从而使分析结果精确度较差，难以满足相关研究和后续设计需要。因此提高场地原位测试技术与设备以便准确勘测地表下污染物浓度与位置十分必要。

发明内容

发明目的：针对以上需求，本发明提出一种探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，本发明是采用气渗性探头与传统静力触探探头（CPTU）结合，实时读取地下污染物浓度信息与场地原位岩土特性参数，通过后期数据修正可提高对污染场地地下挥发性有机物的探测精度，同时提供污染场地岩土工程特性，从而快速精确确定污染物的总浓度(半定量)和空间分布，为污染场地修复方案的制定以及污染场地的再利用提供支持。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，包括电阻率静力触探探头，所述电阻率静力触探探头的尾部通过转接处连接转动膜界面探头，所述转动膜界面探头包括与所述转接处连接的壳体，所述壳体的中间设置有用于穿过CPTU复合电缆的CPTU电缆预留通道，所述CPTU电缆预留通道两侧设置有U型的气体通道，所述U型的气体通道的一端为用于输入循环载气的进气管，另一端为出气管，所述壳体的一侧设置有连通所述出气管的进气口，所述进气口处设置有气体渗透膜，所述进气口的底部设置有加热模块。

所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，所述电阻率静力触探探头包括一个锥头和与所述锥头连接的侧壁摩擦筒，所述侧壁摩擦筒里面安装有变形柱、侧壁摩擦力传感器、锥尖传感器、孔隙水压力传感器；所述锥头与所述侧壁摩擦套筒之间设置有过水盲道连接所述的孔隙水压力传感器，所述过水盲道的入口处设置有过滤环，所述侧壁摩擦筒的另一端连接电阻率测量装置，所述电阻率测量装置包括铜质环式四电极，每电极之间采用绝缘塑料进行隔离。

所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，所述的CPTU电缆预留通道的孔径为19mm，长度为40cm；CPTU复合电缆的直径为10mm，长度为30m。

所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，所述的进气管和出气管的直径均为0 .5cm，进气管的长度为40 .0cm，出气管的长度为50 .0cm。

所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，所述的气体渗透膜采用圆形气体渗透复合膜，其直径为2cm,膜的筛孔直径为10-4微米。

所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，所述的加热模块采用矩形加热模块，其长为12.5cm，宽为2.5cm。

所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，所述的铜质环式四电极每一电极的宽度为5mm,电极之间绝缘塑料的宽度为10mm。

所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，所述的锥头的锥角为60°,锥底截面面积为15cm²。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1.本发明可同时探测污染土体中挥发性有机物浓度与污染土工程特性评价，是利用液压贯入设备以静压的方式将探头以1 .2m/min的速度贯入地表下，通过前部静力触探部分与电阻率对被测土壤进行大致分类，然后利用探头中矩形加热模块对探头周边土体进行加热，并将温度控制在120℃，加速周边土体中有机物的脱附，使圆形气体渗透复合膜外部的土体污染物气化，气化的污染物通过探头侧壁的圆形气体渗透复合膜，利用循环的载气(高浓度氮气)，以恒定的流速将挥发性有机物传输至地面上的检测器。地面上检测器显示有机污染物质的电压反应强度，作为分析污染浓度高低和空间分布的参考。后期对原位静力触探数据进行分析解译，根据被测区域土体的岩土工程特性，对有机物检测数据进行修正，从而更加准确的反映地表下污染物的浓度与位置。

2.由于土地是不可再生资源，承受的环境压力越来越大，污染场地不断涌现，了解场地污染物种类、浓度与空间分布范围以及污染场地岩土工程特征等信息，为后续场地调查和修复方案制定提供科学依据。常规的场地调查工作包括钻探、土壤样品取样、筛选、地下水监测井安装和采样、实验室分析等。工作量大，详细的场地调查需要较多的时间和费用，且获取数据为离散、点状数据。无法快速有效确定污染范围。传统的膜界面探头虽可以原位快速测试土壤有机物含量。但其无法调查场地岩土体工程特性，且其检测结果受不同土层影响较大，误差较大，无法精确分析污染物的总浓度与空间分布。本发明基于现有的膜界面探头与静力触探探头，对其结构进行改造从而将其结合。可实时提供挥发性有机物三维半定量污染信息与场地岩土工程特性评价，后期通过静力触探数据的分析、解译对膜界面探头结果进行进一步修正，提高其测试精度。解决了国内现有土体和地下水污染调查与岩土工程特性调查分离，难以准确、定量、连续的测试污染物浓度和位置的缺陷，使得土体和地下水污染调查技术能够更好的服务于环境岩土工程实践。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、进气管；2、出气管；3、CPTU复合电缆；4、CPTU电缆预留通道；5、气体渗透复合膜；6、加热模块；7、转接处；8、铜质环式四电极；9、绝缘塑料；10、侧壁摩擦筒；11、侧壁摩擦力传感器；12、变形柱；13、锥尖传感器；14、孔隙水压力传感器；15、过滤环；16、锥头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，由进气管1、出气管2、CPTU复合电缆3、CPTU电缆预留通道4、圆形气体渗透复合膜5、矩形加热模块6、转接处7、铜质环式四电极8、绝缘塑料9、侧壁摩擦筒10、侧壁摩擦力传感器11、变形柱12、锥尖传感器13、孔隙水压力传感器14、过滤环15、锥头16组成。载气（一般采用高浓度氮气）从进气管1进入U型气体通道，出气管2连通通往壳体外部的进气口，进气口处设置有，设置有气体渗透膜，所述进气口的底部设置有加热模块，挥发性有机物在加热模块的加热作用下，从气体渗透膜进入出气管中，最终出气管输出至检测仪检测的气体为混有氮气和挥发性有机物的混合气体，电阻率的测量采用铜质环式四电极8，每电极的宽度为5mm，电极之间采用绝缘塑料进行隔离，间距为10mm。环式铜质电极相较以往点式电极，与污染土接触面大不易被污染物涂抹，测试精度有所提高。铜质环式四电极8下部为传统的孔压静力触探部分，由侧壁摩擦筒10、侧壁摩擦力传感器11、变形柱12、锥尖传感器13、孔隙水压力传感器14、过滤环15、锥头16组成。所述锥头16与所述侧壁摩擦套筒10之间设置有过水盲道连接所述的孔隙水压力传感器14，所述过水盲道的入口处设置有过滤环15，使得测试过程中盲道被地下水饱和传递水压力致水压力传感器。

CPTU复合电缆3由CPTU电缆预留通道4穿过连接数据采集仪，CPTU电缆预留通道4孔径为19mm，长度为40cm。CPTU复合电缆3的直径为10mm,长度为30m。

进气管1和出气管1的直径为0 .5cm，进气管1的长度为40 .0cm，出气管1的长度为50 .0cm。

本实施例中的气体渗透复合膜5采用圆形，其直径为2 .0cm，筛孔直径为10-4微米。

本实施例中的加热模块6采用矩形加热模块，其长度为12.5cm，宽为2.5cm，由外接气渗性探头电缆独立供电。

锥头16的锥角为60°，锥底截面积为15cm²。

图1所示为本发明的探头结构示意图。其操作步骤为首先进行响应测试验证检测器的灵敏度并记录数据。

实验开始前通过CPTU电缆预留通道4将CPTU复合电缆3穿过并插入前部电阻率静力触探探头（即：铜质环式四电极8、绝缘塑料9、侧壁摩擦筒10、侧壁摩擦力传感器11、变形柱12、锥尖传感器13、孔隙水压力传感器14、过滤环15、锥头16）电缆接口，固定电阻率静力触探探头，转动膜界面探头（1、进气管；2、出气管；3、CPTU复合电缆；4、CPTU电缆预留通道；5、圆形气体渗透复合膜；6、矩形加热模块）部分通过转接处7实现两种探头的连接。通过将本发明的探头以15秒内1英尺（0.3米）的速度匀速贯入地下，由前部静力触探部分（侧壁摩擦筒10、侧壁摩擦力传感器11、变形柱12、锥尖传感器13、孔隙水压力传感器14、过滤环15、锥头16）获取土体锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力参数，电阻率模块（铜质环式四电极8、绝缘塑料9）对土体电阻率进行量测。后矩形加热模块6加热至100℃到120℃，周围土壤中所积存的有机物质气化，气化后的有机物质穿过圆形气体渗透复合膜5进入探头内。进气管1和出气管2以40ml/min的恒定速率使载气通过探头将气化有机物气体携带至地表，可直接在现场配合PID、FID和ECD（电子俘获检测器）等分析设备显示有机污染物质的电压反应强度，作为分析污染浓度高低的参考。其中, PID和FID主要用于现场检测低碳链的石油类污染物质，ECD 主要用于检测含氯挥发性有机污染物质。每隔1.5cm深度即记录一笔有机污染物质的电压反应强度与土壤导电度数值数据，可实时呈现与数据采集仪中。现场可根据电阻率测量值对土体和污染物集中分布区域进行经验判断，或测试结束后采用岩土工程方法对静力初探部分数据进行解译精确判断土体分类。现场实验结束后，可根据静力触探数据的分析解译成果，对有机物检测数据进行修正。使用该探头进行的测试具有良好的质量控制和可重复性，且准确性高、快速、有效，从而提高测试精度有效反映场地污染物浓度分布，为污染场地修复治理方案的制定提供支持。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，包括电阻率静力触探探头，所述电阻率静力触探探头的尾部通过转接处连接转动膜界面探头，所述转动膜界面探头包括与所述转接处连接的壳体，所述壳体的中间设置有用于穿过CPTU复合电缆的CPTU电缆预留通道，所述CPTU电缆预留通道两侧设置有U型的气体通道，所述U型的气体通道的一端为用于输入循环载气的进气管，另一端为出气管，所述壳体的一侧设置有连通所述出气管的进气口，所述进气口处设置有气体渗透膜，所述进气口的底部设置有加热模块。

2.根据权利要求1所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，所述电阻率静力触探探头包括一个锥头和与所述锥头连接的侧壁摩擦筒，所述侧壁摩擦筒里面安装有变形柱、侧壁摩擦力传感器、锥尖传感器、孔隙水压力传感器；所述锥头与所述侧壁摩擦套筒之间设置有过水盲道连接所述的孔隙水压力传感器，所述过水盲道的入口处设置有过滤环，所述侧壁摩擦筒的另一端连接电阻率测量装置，所述电阻率测量装置包括铜质环式四电极，每电极之间采用绝缘塑料进行隔离。

3.根据权利要求1所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，所述的CPTU电缆预留通道的孔径为19mm，长度为40cm；CPTU复合电缆的直径为10mm，长度为30m。

4.根据权利要求1所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，所述的进气管和出气管的直径均为0 .5cm，进气管的长度为40 .0cm，出气管的长度为50 .0cm。

5.根据权利要求1所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，所述的气体渗透膜采用圆形气体渗透复合膜，其直径为2cm,膜的筛孔直径为10-4微米。

6.根据权利要求1所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，所述的加热模块采用矩形加热模块，其长为12.5cm，宽为2.5cm。

7.根据权利要求2所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，所述的铜质环式四电极每一电极的宽度为5mm,电极之间绝缘塑料的宽度为10mm。

8.根据权利要求2所述的探测污染土体中挥发性有机物浓度与岩土工程特性的探头，其特征在于，所述的锥头的锥角为60°,锥底截面面积为15cm²。