CN100590456C - 基于压力示踪的基础工程地下水参数测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于压力示踪的基础工程地下水参数测量方法及系统，属水文地质工程领域。它利用压力在地下水连续介质中传递快、反应灵敏、同步性好、易于测量等特点，在地层中人工生成渗流压力场，以压力作为示踪剂，借助压力传感器感应到的压力示踪剂的消涨量与地层介质对应关系，进行GPS定位、无线数据传输、压力源自动生成与控制、渗流数据库集成、计算机分析、计算、识别并展示不同边界条件下的水文地质工程施工要素。本发明与现有测井技术相比，既克服了传统抽水试验花钱多、效率低、参数少，又消除了同位素示踪测井对人体和环境的危害。其有益的效果表现在测量的时间短、速度快、范围广、精度高、密度大，而满足岩土工程建设需要。

Description

基于压力示踪的基础工程地下水参数测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基础工程测量技术，尤其是地下水参数测量的方法及系统，具体地说是一种基于压力示踪的基础工程地下水参数测量方法及系统。

背景技术

众所周知，水文地质参数测量涉及地下工程建设的方方面面。只要有地下水渗流就会影响到基础工程的稳定与建设。如何保证基础工程设计与施工，通行的办法是室内取样和野外现场测量两种方法，取得不同结构地层的渗透参数。目前现场基础工程地下水参数测量和使用的方法主要有三类：一是抽水试验方法，它是在地下钻一个大口径，四周钻几个小口径的水位观测井，把潜水泵放到井中抽取地下的水量与地下水位下降的对应关系，利用袭布依抽水试验公式计算地下水的参数；该方法的优点是传统、悠久和简单；缺点是花钱多、时间长、获得的参数少。二是同位素示踪测量法，它是通过测量天然和人工地下水渗流场的分布来计算水文地质参数；如中国专利98111509.8、98227872.1；美国专利6445187、4051368；英国专利2009921，它们的优点是测量设备轻便、测点多，测量精度较高；缺点是同位素示踪测量对环境和人类有一定的影响。三是工程界普遍采用的大坝钻孔灌浆法，即沿坝顶密布三排或更多排深度至坝基的钻孔，然后，逐孔、逐段进行压力灌浆，填补坝体内有孔隙部分，以增强大坝的整体密度，减小其渗透性，阻止大坝继续渗漏。优点是施工工艺简单，技术要求不高，一般的工程队都能施工，对渗漏量不大的均质性土坝，能够取得一定的灌浆效果；缺点是耗资太大，大坝一次性灌浆费用在千万至数千万元不等，且钻孔众多并施加较大的压力灌浆，对坝体有一定的损伤。水文地质勘察是点的观察与测试的科学，测点密度越大，测量精度越高。传统抽水试验方法很难提高点的密度，所取得的参数在质量，特别在数量上满足不了目前水文地质评价和计算方法的需要。随着国民经济建设的高速发展，愈来愈多的工程建设对地下水渗流引起的潜在的事故隐患，提出了一系列工程渗流需要解决的技术难题。如江河堤坝的管涌渗漏、水源地的合理开采、矿山的涌水防治、公路桥涵的地下水渗流、地下铁道的水文地质测量、高层建筑基坑的排水等测量手段提出了更高更新的要求。

仅水库与江河堤坝的渗漏检测就形成一个技术产业。目前世界水库数量排在前五名的国家是中国、美国、印度、西班牙和日本，占全球水库总量的80％。由于水库的特殊作用，在给人们带来巨大利益的同时，也会给人类造成灾难性后果。中国现有水库8.6万余座，江河堤坝27万余公里，为世界之最。从民国初到1980年有2976座水库溃坝；瑞士在过去的175年中就有500座大坝失事。因此，有效地检测出渗漏原因并消除其渗漏隐患，已成为世界性难题。全球约有40％的水库大坝存在着渗漏隐患，如中国的龙羊峡、新安江、刘家峡、八盘峡、梅山、纪村、碧口、天桥、二滩、小浪底；法国的Malpasset拱坝，意大利的Vajont水库，瑞士的Zeuzier拱坝及奥地利的Koelnbrein高拱坝等工程。为此，各国政府每年耗费巨大的资金进行渗漏水库的修复和新的检测方法的研究。中国的黄壁庄水库2002年因渗漏问题维修的费用高达7亿元人民币；据悉美国修复现有病险水库需要花费300亿美元；全球消除现有大坝隐患大约耗资3000亿美元。

发明内容

本发明的目的是之一针对现有的地下水参数测量方法存在的投资大、周期长或对环境对有污染的问题，发明一种投资少，无污染的测量方法。

本发明的目的之二是发明一种测量系统用于实现对地下水参数的低成本快速测量。

本发明的技术方案之一是：

一种基于压力示踪的基础工程地下水参数测量方法，其特征是在被测量目标上根据测量指标要求钻出一个加压孔和一个以上的示踪测量孔，并使所钻的加压孔和示踪测量孔的深度达到或超过含水层的底板，然后利用注水管向加压孔中施加压力水，在示踪量孔中安装带有压力传感器的测量管，最后根据测量项目和测量精度的要求反复向加压孔中加注压力水，测得测量管中压力值及其时间参数送入计算机相应的计算模块中进行处理即可获得被测量目标的地下水参数值。

本发明的技术方案之二是：

一种基于压力示踪的基础工程地下水参数测量系统，包括水泵1、注水管13、测量管14、压力传感器19、信息控制终端17和计算机18，其特征是水泵1的进水口与蓄水池0相连，其出口通过水管6与注水管13相连，注水管13的下端位于被测量基础的含水层15中或穿过含水层底板16，当注水管13位于含水层15中时，在其与含水层15顶板相对位置处安装有主止水栓塞7，当其穿过含水层底板16时，在其与含水层底板16相对位置处安装有副止水栓塞8，测量管14与注水管13同深度安装在被测量基础上，压力传感器19安装在该测量管14中，它通过有线或无线与信息控制终端17相连，信息控制终端17与计算机18相连，注水管13及测量管14位于含水层15中的部分周壁上设有透水孔。

水泵1与驱动机2相连，驱动机2同时连接有增压泵3，增压泵3的进口与水泵1的出口相连，增压泵3的出口与水管6的入口相连，在水管6上安装有流量表4和压力表5，它们均通过有线或无线将水管6的流量值和压力值送入计算机18中。

所述的压力传感器19还连接有GPS，它们通过无线遥测11与信息控制终端17中的无线模块12无线相连，信息控制终端17与计算机18有线相连。

本发明的有益效果：

本发明的方法现有测井技术相比，既克服了传统抽水试验花钱多、效率低、参数少的缺点，又消除了同位素示踪测井对人体和环境的危害。具有测量时间短、速度快、范围广、精度高、密度大，能满足岩土工程建设需要的特点。同时具有系统简单，易于实现的优点。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于压力示踪的基础工程地下水参数测量方法，在被测量目标上根据测量指标要求钻出一个加压孔和一个以上的示踪测量孔，并使所钻的加压孔和示踪测量孔的深度达到或超过含水层的底板，然后利用注水管向加压孔中施加压力水，在示踪量孔中安装带有压力传感器的测量管，最后根据测量项目和测量精度的要求反复向加压孔中加注压力水，测得测量管中压力值及其时间参数送入计算机相应的计算模块中进行处理即可获得被测量目标的地下水参数值。

地下水之所以能够运动，基于二个最基本条件，之一是要有主动的能量(水头差)作用，之二被动的阻水介质要有一定的孔隙。它们为对立统一的一对技术载体。本发明的工作原理正是借助这对技术载体即能量与阻水介质的对立统一关系使用压力作示踪剂，跟踪压力示踪剂的空间运动轨迹，认识地下水渗流的运动规律。利用压力在地下水连续介质中传递快、反应灵敏、同步性好、易于测量等特点来实施完成一整套水文地质工程渗流参数的测量。

为此，首先应在计算机内开发有水库大坝渗流计算、高层建筑基坑排水、地下铁道水文地质参数计算、公路桥涵地下水渗流、煤矿分层地下水测量、地下水合理开采、岩体地下水渗流等水文地质参数计算软件包。根据所测量的对象配备有对应的测量工艺与测井方法，并将其传送给控制与测量装置。第二要设计一种一套控制与测量装置(详见下文阐述)：该装置由压力表、流量表、GPS定位、无线通讯、压力传感器和信息控制终端组成；信息控制终端承接来自计算机的指令，并将其采集到的测量数据与计算机通讯。地下各空间点上压力传感器的读数总是相对于压力表和流量表上的数值出现的，它们的大小直接反映含水层的渗透特性。压力传感器以单孔为测量组，每组安装1-5只，最多进行100个孔，500个压力传感器同时测量。GPS定位和无线通讯限于水库大坝和测孔较多的大型地下工程上使用；对测孔少的较小工程则采用有线通讯和人工尺度测量。压力示踪装置由电机、水泵、增压泵、压力表、流量表、管道和主止水栓塞和副止水栓塞组成；它们在控制与测量装置的支配下，按照指定的工艺对地层供水，并在指定的含水层中生成压力源，供水压力和流量的大小，直接通过压力表和流量表反映出来，增压泵是水泵的辅助设备，当压力达不到测量的效果时，即使用增压泵加压。如果安装在各测孔的压力传感器感应不到压力示踪剂变化，即启动增压泵对压力源进行加压。副止水栓塞是辅助设备，当钻孔所揭露的为完整含水层时，才在含水层的顶板安装主止水栓塞，在含水层的底板上安装副止水栓塞。如果所揭露的为非完整含水层时，则只在含水层的顶板上安装主止水栓塞，副止水栓塞不需要安装。

最后再由计算机对通过控制与测量装置采集到的测量数据进行分析、调试和渗流模型计算，输出图文并茂的计算结果：包括大坝渗流网络图、不同地层基坑排水量、地下铁道的水文地质灾害评价、公路桥涵地下水渗流参数、煤矿各分层地下水含储量、地下水的合理开采量、岩体地下水渗流参数、堤坝渗漏通道堵漏等，如图2所示。

本发明的测量系统如图1所示。

一种基于压力示踪的基础工程地下水参数测量系统，包括水泵1、注水管13(即压力示踪孔)、测量管14(即压力观测孔)、压力传感器19、信息控制终端17和计算机18，水泵1的进水口与蓄水池0相连，其出口通过水管6与注水管13相连，注水管13的下端位于被测量基础的含水层15中或穿过含水层底板16，当注水管13位于含水层15中时，在其与含水层15顶板相对位置处安装有主止水栓塞7，当其穿过含水层底板16时，在其与含水层底板16相对位置处安装有副止水栓塞8，测量管14与注水管13同深度安装在被测量基础上，压力传感器19安装在该测量管14中，它通过有线或无线与信息控制终端17相连，信息控制终端17与计算机18相连，注水管13及测量管14位于含水层15中的部分周壁上设有透水孔。水泵1与驱动机2相连，驱动机2同时连接有增压泵3，增压泵3的进口与水泵1的出口相连，增压泵3的出口与水管6的入口相连，在水管6上安装有流量表4和压力表5，它们均通过有线或无线将水管6的流量值和压力值送入计算机18中。所述的压力传感器19还连接有GPS，它们通过无线遥测11与信息控制终端17中的无线模块12无线相连，信息控制终端17与计算机18有线相连。

本发明工作时首先由驱动机2连接水泵1和增压泵3，水泵1的进水口伸入蓄水池0，出水口连接输水管6进入注水管13中，注水管13中安装有主止水栓塞7和副止水栓塞8，主止水栓塞7安放在含水层15的顶板中，副止水栓塞安放在含水层15的底板16中，在两止水栓塞的封堵下，其间形成压力腔10；当驱动机2启动后，水泵1和增压泵3将压力水流沿着输水管道6和注水管13进入主止水栓塞7和副止水栓塞8并将其充大止水，在两止水栓塞的封堵下，压力水流开始向压力腔10供水并形成压力源9，向含水层15增压供水。随着压力源9的加大，压力水流通过含水层传递到更远的测量管14中。注水管13中的压力腔10的流量和压力的大小由流量表4和压力表5显示出来并发送到信息控制终端17；布置在测量管14中的压力传感器19在压力源9的作用下，显示出压力传感器19的消长量与压力腔10在压力表5上的数值的对应关系，发送到信息控制终端17，它们之间的信息传递既可以通过信息控制终端17上的无线遥测11与安装在各压力观测孔孔口上的GPS定位器和无线通讯装置12构成无线数据传输系统，也可以通过电线连接，进行有线传输。前者主要用于对水库大坝渗流的观测；后者则用在测孔数量少的水文地质参数的测量。所有信息控制终端17的数据与计算机18通讯，计算机18中储存有江河堤坝的管涌渗漏、水源地的合理开采、矿山的涌水防治、公路桥涵的地下水渗流、地下铁道的水文地质测量、高层建筑的基坑的排水等数学计算模型，针对不同的工程水文地质参数的需要，计算机18指导信息控制终端17将按相应的技术工艺和参数的精度需要进行下一步操作。

计算机18作为指挥中心存储有各类工程水文地质渗流分析软件包，针对不同工程参数的需求计算机与信息控制终端通讯，指导压力示踪装置执行相应的控制工艺；信息控制终端与流量表、压力表、压力传感器进行信息传输，并控制其流量和压力的大小及开启的时间；驱动机带动水泵和增压泵通过管道向地下含水层供水，管道放入钻井中，并在管道的顶端安装止水栓塞，供水受止水栓塞的封堵，在含水层中形成压力示踪源。计算机依据工程建设性质指挥信息控制终端实施相应的测量工艺和计算程序；按照数据采集数据进行渗流模型的分析、计算、调试，反馈理论计算与数值测量结果的拟合。信息控制终端承接计算机发出的指令，控制压力传感器数据采集的通讯和信息反馈的重复测量。压力传感器组以单井为组别按地层结构布置1～5只压力传感器，最多能够进行100口井，500个压力传感器的同步测量；在各井口装置GPS定位和无线通讯系统；压力传感用有线和无线两种方式与信息控制终端通讯。增压泵是水泵的辅助设备，当水泵所施加的压力达不到压力示踪效果时，才使用增压泵加压。流量表与压力表受信息控制终端的控制，协调压力传感器接收信息的强弱，指导驱动机、水泵、增压泵在规定的压力和流量下工作；并与信息控制终端进行有线和无线两种方式通讯。主副止水栓塞被安装在注水管中，其止水栓塞安装的距离，根据含水层的分布调节；当水泵启动加压以后，止水栓塞在压力的作用下充大，所施加的流量和压力只能在含水层的顶底板即两栓塞之间进入地层；如含水层较厚，钻孔未达到含水层的底板，则只在含水层的顶板安装一只主止水栓塞即可。

与本发明相关的水文地质参数计算如下：

当压力示踪装置启动供水达到一个稳定的流量和压力定值时，供水地层形成相对稳定的人工渗流场，压力腔10内的供水流量Q显示在流量表4上，此供水量Q除以压力腔10的圆柱体截面积(A＝2πrm；r为井半径；m为含水层的厚度)，由“达西定律”公式计算出供水层的渗透流速(U)：

$U=\frac{Q}{2\mathrm{r\πm}}...\left(1\right)$

在人工流场的影响下，原来的地下水渗流梯度发生改变，新的水力梯度计算根据周围各测井中压力传感器19测量到的压力(h₁、h₂、h₃....)水头与压力腔10的压力表5上H值的差，以及它们之间的水平距离L，即可计算出各测量管14中压力传感器19与注水管13之间的水力梯度J，或者通过GPS定位的压力传感器的空间坐标和压力表与各压力传感器测量的差值计算：

$J=\frac{H-h}{L}...\left(2\right)$

压力传感器分布在人工渗流场的不同空间位置，随着地层结构的不同，其水力梯度和渗透系数的公布各不相同，因此，根据不同的水力梯度分布，用“达西定律”计算出各测点的渗透系数K：

$K=U\frac{H-h}{L}=\mathrm{UJ}...\left(3\right)$

根据各空间点上压力传感器19测量到的不同的压力水头(h₁、h₂、h₃....)，反演出各测点的渗透流速U：

$U=\frac{K}{J}...\left(4\right)$

潜水含水层的给水度，将水泵的井中注水改为吸水，当抽水流量Q达到一个稳定数值除以潜水含水层水位的下降值h，获得潜水含水层的给水度μ：

$\mathrm{\μ}=\frac{Q}{h}...\left(5\right)$

承压含水层的释水系数，用二次不同输水流量的差值(Q-q)除以流量对应下的不同压力之差(H-h)，得到该承压含水层的释水系数μ_e：

${\mathrm{\μ}}_e=\frac{Q-q}{H-h}...\left(6\right)$

三维空间非稳定渗流微分方程：

$\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\δx}}\left(k_x\frac{\mathrm{\δh}}{\mathrm{\δx}}\right)+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\δy}}\left(k_y\right)+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\δz}}\left(k_z\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\δz}}\right)=S_s\frac{\mathrm{\δh}}{\mathrm{\δt}}...\left(7\right)$

式中h为水头；k_x、k_y、k_z为分别为xyz方面的渗透系数；S_s为单位贮水量；t为时间。它适用于承压和非承压含水层，只需要结合各自特定初始和边界条件，就能够进行三维空间非稳定渗流计算。

三维空间稳定渗流微分方程：

$\frac{{\mathrm{\δ}}^{2}h}{\mathrm{\δ}{x}^2}+\frac{{\mathrm{\δ}}^{2}h}{\mathrm{\δ}{y}^2}+\frac{{\mathrm{\δ}}^{2}h}{\mathrm{\δ}{z}^2}=\frac{S_s}{k}\frac{\mathrm{\δh}}{\mathrm{\δt}}...\left(8\right)$

当均质各向同性时，(7)式的三维空间非稳定渗流微分方程，即成为稳定渗流微分方程，它是三维空间非稳定渗流微分方程的特例。

水头边界

${h|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=h(x,y,z,t)...\left(9\right)$

流量边界

$k_n\frac{\mathrm{\δh}}{\mathrm{\δn}}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_2}=-q(x,y,z,t)...\left(10\right)$

自由边界条件

$\left\{\begin{array}{c}h=z...\left(11\right)\\ q=\mathrm{\μ}\frac{\mathrm{\δh}}{\mathrm{\δt}}\cos \mathrm{\θ}...\left(12\right)\end{array}\right.$

初始条件

|_t＝0＝h(x，y，z，0)……(13)

有越流补给的水平面二维渗流方程

定解条件为：

h|_t＝0＝h(x，y)……(15)

$h{|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=h(x,y,t)...\left(16\right)$

$\mathrm{kT}\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\δn}}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_2}=-q(x,y,t)...\left(17\right)$

式中：kT为导水系数，承压含水层为kT，而无压含水层则为H(取隔水底板作为基准面时，H为潜水位)；k`、T`为弱透水层的渗透系数和厚度；T为承压含水层厚度；H为弱透水夹层上的水头；S为贮水系数；w为单位面积的入渗(蒸发)量。Γ₁为水头边界；Γ₂为流量边界；h为水头；q为渗流量；t为时间；n为孔隙率。

实质上，地下水渗流和工程渗流的渗流理论是相通的，只是依据不同工程的定解条件，得出对应工程的水文地质参数。利用压力示踪装置在工程地基中生成人工渗流场，通过控制与测量装置跟踪压力示踪剂的空间变异的数据，代入(1)～(6)式，能够获得渗流速度(U)；水力梯度(J)；渗透系数(K)；给水度μ和释水系数μ_e，并将这些基础参数和各工程对应下的初始条件和边界条件代入(7)～(17)各式，送入计算机进行模拟、分析、调试和计算得到最终工程需要的各种水文地质参数。

如大坝渗漏测量的技术特征是：大坝在高水头势能的作用下，坝体基础形成很强的渗流场。如果大坝有渗漏，直接通过大坝上布置的水文观测孔，在干扰(压力示踪)和非干扰(水库特定水头下)渗流场状态下，在一类Γ1水头边界条件下，将压力传感器放入观测孔中测量出大坝渗流场的空间水头分布值；在二类Γ2流量边界条件下，测量大坝此时的渗漏量；经过计算机的分析与渗流计算就能够知道坝体渗流网络展布并显示渗漏异常点的空间位置，再通过压力示踪装置对有异常孔洞进行连通试验，找到水库漏水的通道，实施灌浆堵漏即可。

本发明未涉及部分如计算机17、信息控制终端17、无线遥测11以及无线模块12、GPS等均可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1、一种基于压力示踪的基础工程地下水参数测量方法，其特征是在被测量目标上根据测量指标要求钻出一个加压孔和一个以上的示踪测量孔，并使所钻的加压孔和示踪测量孔的深度达到或超过含水层的底板，然后利用注水管向加压孔中施加压力水，在示踪测量孔中安装带有压力传感器的测量管，最后根据测量项目和测量精度的要求反复向加压孔中加注压力水，测得测量管中压力值及其时间参数送入计算机相应的计算模块中进行处理即可获得被测量目标的地下水参数值。

2、一种权利要求1所述方法的测量系统，包括水泵(1)、注水管(13)、测量管(14)、压力传感器(19)、信息控制终端(17)和计算机(18)，其特征是水泵(1)的进水口与蓄水池(0)相连，其出口通过水管(6)与注水管(13)相连，注水管(13)的下端位于被测量基础的含水层(15)中或穿过含水层底板(16)，当注水管(13)位于含水层(15)中时，在其与含水层(15)顶板相对位置处安装有主止水栓塞(7)，当其穿过含水层底板(16)时，在其与含水层底板(16)相对位置处安装有副止水栓塞(8)，测量管(14)与注水管(13)同深度安装在被测量基础上，压力传感器(19)安装在该测量管(14)中，它通过有线或无线与信息控制终端(17)相连，信息控制终端(17)与计算机(18)相连，注水管(13)及测量管(14)位于含水层(15)中的部分周壁上设有透水孔。

3、根据权利要求2所述的测量系统，其特征是水泵(1)与驱动机(2)相连，驱动机(2)同时连接有增压泵(3)，增压泵(3)的进口与水泵(1)的出口相连，增压泵(3)的出口与水管(6)的入口相连，在水管(6)上安装有流量表(4)和压力表(5)，它们均通过有线或无线将水管(6)的流量值和压力值送入计算机(18)中。

4、根据权利要求2所述的测量系统，其特征是所述的压力传感器(19)还连接有GPS，它们通过无线遥测(11)与信息控制终端(17)中的无线模块(12)无线相连，信息控制终端(17)与计算机(18)有线相连。

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