CN103808644A - 岩体渗透系数原位测量装置及其采集控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩体渗透系数原位测量装置及其采集控制系统，该测量装置包括采集控制系统、高压水泵和注水封孔栓塞，采集控制系统内封装了中央控制单元、I/O接口模块以及进水管和出水管，进水管与出水管之间通过连接管路连接，连接管路上设有第一、第二压力传感器和电磁阀、流量传感器，中央控制单元按照预定程序和参数发出相应的采集控制指令；I/O接口模块将控制指令转化为模拟信号，控制高压水泵的启闭和电磁阀的开合，并采集注水流量值和压力值，返回给中央控制单元分析、存储。本发明，可以在岩体钻孔中便捷地进行自动压水试验，主要测量和控制元件采用封装结构，设计紧凑，携带方便；使用自动化测量控制系统，操作简捷，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及岩体渗透系数原位测量装置及其采集控制系统，适用于地下工程、水利水电工程、隧道工程以及石油工程等领域中岩体渗透系数的原位测量。
背景技术
由于岩体具有不均匀、不连续和各向异性的特征，因此，合理确定岩体渗透系数在岩石力学与地下工程领域中一直是一项困难但十分重要的工作。
目前，确定岩体渗流系数的常见方法主要包括野外测量法、室内试验法以及现场原位试验法。其中，野外测量法简单易行，但由于岩体中的裂隙并非无限延伸，也不是均匀光滑不含填充物，露头量测或根据钻孔资料量测很难取得准确的裂隙参数，因此，该方法过于粗糙，代表性差；室内试验法只能采用小尺度的岩石试块，其试验结果往往与工程尺度上岩体的渗流特性相差甚远；现场原位试验法有压水试验、注水试验、抽水试验等，与上述两种方法相比，现场原位试验法较能准确地反映岩体的真实渗透特性。
压水试验是在钻孔内进行岩体原位渗透的试验，是现场原位试验法中最常用的一种方式。通常的做法是：试验人员手动控制高压水泵以一定的压力向钻孔试验段内注水，同时人工观测水表测量的流量值，据此计算岩体的渗透系数。然而，人工控制压水试验存在以下一些问题：
（1）压水试验中，人工控制高压水泵难以按要求的压力稳定送水；
（2）测量累计水量的水表精度较低，而且只有和计时器联合使用才能计算出流量值，在试验过程中难以快速计算流量值，且精度较低。
由此可见，采用现场人工压水试验进行岩体渗透系数测定，技术难度大、精度低、费用高、耗时多、实施困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是采用现场人工压水试验进行岩体渗透系数测定技术难度大、精度低、费用高、耗时多、实施困难的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种岩体渗透系数原位测量装置的采集控制系统，包括：
进水管和出水管，二者之间通过连接管路连接，所述连接管路上设有第一压力传感器、第二压力传感器、电磁阀和流量传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别设置在所述电磁阀的上游侧和下游侧；
进水管和出水管，二者之间通过连接管路连接，所述连接管路上设有第一压力传感器、第二压力传感器、电磁阀和流量传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别设置在所述电磁阀的上游侧和下游侧；
中央控制单元，其上设有所述流量传感器和所述第一、第二压力传感器的参数、注水目标压力Pd、高压水泵预定压力Pu、注水时间以及采集时间间隔，所述中央控制单元根据所述第一压力传感器实时采集到的第一压力数据控制所述高压水泵启动或停止，根据所述第二压力传感器实时采集到的第二压力数据控制所述电磁阀开合，并实时记录所述流量传感器采集到的流量数据以及所述第一压力数据和所述第二压力数据；
I/O接口模块，通过所述I/O接口模块将所述中央控制单元下达的指令转化为模拟信号，下达给所述电磁阀和所述高压水泵，同时根据采集间隔采集所述第一、第二压力数据以及所述流量数据，并将这些数据返回给所述中央控制单元。
上述采集控制系统中，还包括外置计算机和控制线路接口，试验人员使用所述外置计算机通过所述控制线路接口连接所述中央控制单元，更新所述流量传感器和所述第一、第二压力传感器的参数、注水目标压力、注水时间以及采集间隔，并根据所述第一压力传感器实时采集到的第一压力数据控制所述高压水泵启动或停止，根据所述第二压力传感器实时采集到的第二压力数据控制所述电磁阀的开合，并实时记录所述流量传感器采集到的流量数据以及所述第一压力数据和所述第二压力数据。
上述采集控制系统中，当所述第一压力数据高于Pu时并闭所述高压水泵，当所述第一压力数据低于0.9Pu时启动所述高压水泵；当所述第二压力数据高于目标压力Pd时关闭所述电磁阀，当所述第二压力数据低于0.9Pd时开启所述电磁阀。
上述采集控制系统中，所述连接管路上间隔地设有第一三通和第二三通，第一三通的入口连接所述进水管，出口连接所述电磁阀的进水口，支路接口连接所述第一压力传感器；第二三通的入口连接所述电磁阀的出水口，出口连接所述流量传感器的进水口，支路接口连接所述第二压力传感器；所述流量传感器的出水口连接所述出水管。
本发明还提供了一种岩体渗透系数原位测量装置，包括高压水泵、密封钻孔的注水封孔栓塞、稳压水罐以及上述的采集控制系统，所述稳压水罐的进水口连接到高压水泵的出水口，所述控制系统的进水管通过第一管路连接到所述稳压水罐的出水口，所述控制系统的出水管通过第二管路连接到所述注水封孔栓塞上的进水口。
在上述岩体渗透系数原位测量装置中，所述采集控制系统具有一封闭的壳体，所述进水管和所述出水管分别通过金属箍护紧套固定在所述壳体上。
在上述岩体渗透系数原位测量装置中，还包括用于为所述采集控制系统供电的外部电源。
在上述岩体渗透系数原位测量装置中，所述稳压水罐与所述高压水泵之间的管路上设有止回阀。
在上述岩体渗透系数原位测量装置中，所述第一管路和所述第二管路为高压输水软管。
在上述岩体渗透系数原位测量装置中，所述高压输水软管的两端分别设有快速接头。
本发明，中央控制单元按照预定程序和参数发出相应的采集控制指令；I/O接口模块将控制指令转化为模拟信号，控制高压水泵的启闭和电磁阀的开合，并采集注水流量值和压力值，返回给中央控制单元分析、存储，从而可以在岩体钻孔中便捷地进行压水试验，根据测量得到高压水的压力数据、流量数据以及钻孔尺寸，便可计算出岩体的渗透系数，能够精确控制高压水泵注水，确保稳定性，并且，主要测量和控制元件采用封装结构，设计紧凑，携带方便；使用自动化测量控制系统，操作简捷，测量精度高。
附图说明
图1为本发明提供的岩体渗透系数原位测量装置示意图；
图2为本发明提供的岩体渗透系数原位测量装置的采集控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出详细的说明。
如图1所示，本发明提供的岩体渗透系数原位测量装置包括采集控制系统10、高压水泵20和封装钻孔的注水封孔栓塞30。
高压水泵20的出水口连接稳压水罐70，采集控制系统10的进水管11通过第一管路连接到压水罐70的出水口，稳压水罐70与高压水泵20之间的管路上设有止回阀40，采集控制系统10的出水管12通过第二管路连接到注水封孔栓塞30上的注水口。第一管路和第二管路均采用的是高压输水软管，且两端分别设有快速接头，便于本装置的快速安装组合。
在上述岩体渗透系数原位测量装置中，还设有用于为采集控制系统供电的外部电源60和外部计算机50，当采集控制系统内置的蓄电池出现故障时，可以通过外部电源60为采集控制系统供电，并且当采集控制系统10中的中央控制单元出现故障时，可以利用外部计算机50进行操作，从而大大提高了该岩体渗透系数原位测量装置的适应性。
如图2所示，采集控制系统的主要部件中央控制单元13和I/O接口模块14封闭在一个铝制壳体内，进水管11与出水管12之间通过连接管路连接，连接管路上设有第一压力传感器15、第二压力传感器16、电磁阀17以及流量传感器18，其中，进水管11与出水管12分别通过金属箍紧护套19固定在壳体的侧壁上，进水管11与出水管12的伸出端分别设有快速接头，第一管路和第二管路的两端也分别设有快速接头，从而可以实现快速连接。第一压力传感器15和第二压力传感器16分别设置在电磁阀17的上游侧和下游侧，流量传感器18连接电磁阀17和出水管12。具体连接方式为：连接管路上间隔地设有第一三通T1和第二三通T2，第一三通T1的入口连接进水管11，出口连接电磁阀17的进水口，支路接口连接第一压力传感器15，第二三通T2的入口连接电磁阀17的出水口，出口连接流量传感器18的进水口，支路接口连接第二压力传感器16，流量传感器18的出水口连接出水管12。
中央控制单元13为一块集成控制板，用于存储控制程序和相应的参数（流量传感器和第一、第二压力传感器的参数、注水目标压力Pd、注水时间以及采集间隔等），I/O接口模块14根据中央控制单元13中设定的采集间隔采集流量传感器18的流量数据以及第一、第二压力传感器15、16的压力数据。并且中央控制单元13根据第一压力传感器15实时采集到的第一压力数据，向I/O接口模块14发出控制高压水泵的指令，I/O接口模块14按照控制指令输出模拟量，控制高压水泵20启动或停止；中央控制单元13根据第二压力传感器16实时采集到的压力数据，向I/O接口模块14发出控制电磁阀的指令，I/O接口模块14按照控制指令输出模拟量，控制电磁阀17的开合，从而保证供水压力稳定。采集到的流量数据和第一、第二压力数据储存在中央控制单元13中。
具体地，当第一压力传感器采集到的第一压力数据高于Pu时，关闭高压水泵，当第一压力传感器采集到的第一压力数据低于0.9Pu时，启动高压水泵；当第二压力传感器采集到的第二压力数据高于目标压力Pd时，关闭电磁阀，当第二压力传感器采集到的第二压力数据低于0.9Pd时开启电磁阀。
上述元件均通过内置于壳体内的蓄电池A1供电。
壳体上还设有三个航空插头，分别用于连接外部电源、外置计算机和高压水泵。
当中央控制单元13出现故障时，可以通过外置计算机进行控制，即通过外置计算机设定流量传感器和第一、第二压力传感器的参数、注水目标压力Pd、注水时间以及采集间隔，并通过I/O接口模块14下达相应的指令采集数据。
本发明提供的岩体渗透系数原位测量装置使用方法如下：
（1）在拟测量的岩体上钻孔，孔的深度应在2至5米间，然后将注水封孔栓塞30插入钻孔孔口处，注水封孔栓塞30带有快速接头的一端朝外。
（2）在高压水泵20的出口处安装止回阀40，止回阀40出口连接稳压水罐70，接口均为螺纹连接，将高压输水软管一端的快速接头与稳压水管出水口连接，另一端的快速接头与采集控制系统的进水端连接。
（3）将另一根高压输水软管的一端快速接头与注水封孔栓塞的连接，另一端的快速接头与采集控制系统的出水管连接。
（4）用水泵控制线将高压水泵20与采集控制系统上相应的航空插头连接，在试验过程中使用采集控制系统控制高压水泵工作。
（5）用户将传感器参数，预定注水压力、注水时间，采集间隔等控制数据从外置计算机输入中央控制控制单元，本测量装置便可自动进行压水试验，并记录试验过程中的注水流量值和注水压力值。试验完成后，依据这些数据以及注水钻孔尺寸便可计算出岩体渗透系数。
本发明，能够按照预定压力向钻孔稳定送水、且能自动精确测量压力和流量。实现了岩体渗透系数原位测量装置的自动化运行，按照预设方案自动完成试验并记录试验的过程。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.岩体渗透系数原位测量装置的采集控制系统，其特征在于，包括：
进水管和出水管，二者之间通过连接管路连接，所述连接管路上设有第一压力传感器、第二压力传感器、电磁阀和流量传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别设置在所述电磁阀的上游侧和下游侧；
中央控制单元，其上设有所述流量传感器和所述第一、第二压力传感器的参数、注水目标压力Pd、高压水泵预定压力Pu、注水时间以及采集时间间隔，所述中央控制单元根据所述第一压力传感器实时采集到的第一压力数据控制所述高压水泵启动或停止，根据所述第二压力传感器实时采集到的第二压力数据控制所述电磁阀开合，并实时记录所述流量传感器采集到的流量数据以及所述第一压力数据和所述第二压力数据；
I/O接口模块，通过所述I/O接口模块将所述中央控制单元下达的指令转化为模拟信号，下达给所述电磁阀和所述高压水泵，同时根据采集间隔采集所述第一、第二压力数据以及所述流量数据，并将这些数据返回给所述中央控制单元。
2.如权利要求1所述的采集控制系统，其特征在于，还包括外置计算机和控制线路接口，试验人员使用所述外置计算机通过所述控制线路接口连接所述中央控制单元，更新所述流量传感器和所述第一、第二压力传感器的参数、注水目标压力、注水时间以及采集间隔，并根据所述第一压力传感器实时采集到的第一压力数据控制所述高压水泵启动或停止，根据所述第二压力传感器实时采集到的第二压力数据控制所述电磁阀的开合，并实时记录所述流量传感器采集到的流量数据以及所述第一压力数据和所述第二压力数据。
3.如权利要求1所述的采集控制系统，其特征在于，
当所述第一压力数据高于Pu时并闭所述高压水泵，当所述第一压力数据低于0.9Pu时启动所述高压水泵；当所述第二压力数据高于目标压力Pd时关闭所述电磁阀，当所述第二压力数据低于0.9Pd时开启所述电磁阀。
4.如权利要求1所述的采集控制系统，其特征在于，所述连接管路上间隔地设有：
第一三通，其入口连接所述进水管，出口连接所述电磁阀的进水口，支路接口连接所述第一压力传感器；
第二三通，其入口连接所述电磁阀的出水口，出口连接所述流量传感器的进水口，支路接口连接所述第二压力传感器；
所述流量传感器的出水口连接所述出水管。
5.岩体渗透系数原位测量装置，包括高压水泵、稳压水罐和密封钻孔的注水封孔栓塞，其特征在于，还包括如权利要求1至4项任一项所述的采集控制系统，所述稳压水罐的进水口连接到高压水泵的出水口，所述采集控制系统的进水管通过第一管路连接到所述稳压水罐的出水口，所述控制系统的出水管通过第二管路连接到所述注水封孔栓塞上的进水口。
6.如权利要求5所述的岩体渗透系数原位测量装置，其特征在于，所述采集控制系统具有一封闭的壳体，所述进水管和所述出水管分别通过金属箍护紧套固定在所述壳体上。
7.如权利要求5所述的岩体渗透系数原位测量装置，其特征在于，还包括用于为所述采集控制系统供电的外部电源。
8.如权利要求5所述的岩体渗透系数原位测量装置，其特征在于，所述稳压水罐与所述高压水泵之间的管路上设有止回阀。
9.如权利要求5所述的岩体渗透系数原位测量装置，其特征在于，所述第一管路和所述第二管路为高压输水软管。
10.如权利要求9所述的岩体渗透系数原位测量装置，其特征在于，所述高压输水软管的两端分别设有快速接头。
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