CN105424139B - 基于超声波负压的地下水位密封测量装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于超声波负压的地下水位密封测量装置,包括水位管、浮块、超声波发射器、超声波接收器、电源、触水开关、超声波信号输出端口、测距读数仪。本发明还公开了该装置的测量方法与计算方法,浮块随着地下水位的变化而变化,载设在浮块上的超声波发射装置发射超声波,被固定于水位管管口的超声波接收器所接受,在水位管外由超声波信号输出端口连接测距读数仪,由其内置芯片计算后,显示出地下水位位置。本发明能够精确测得负压条件下的真实地下水位,避免了传统敞口测量的误差,而且结构简单、抗干扰能力强、成本低廉、操作便捷,应用前景广阔。

Description

基于超声波负压的地下水位密封测量装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种地下水位测试工具与方法,尤其涉及基于超声波的负压条件下地下水位的密封测量装置与测量方法。
背景技术
在岩土工程领域,地下水位的测量有着不可替代的重要性,真空负压软基加固中地下水位的变化过程是真空负压作用下渗流固结机理最直接、最重要的体现方式之一,地下水位的变化趋势、变化程度以及不同位置的变化表现都会直接影响土体在真空负压作用下加固的进度和加固方法的合理性。但是有关真空负压下地下水位的变化问题一直以来都存在较大的争议,难以得出一致结论的原因之一源自目前地下水位测量方法以及仪器的限制。工程上用于地下水位的测试方法多采用常规的敞口式测管法,其所测得水位变化反映的实质是大气压力作用下水位管滤管段各点水位降深的平均值,而且真空预压期间水位观测次数越多,引起的误差越大,所以常规地下水位测试方法并不适用于真空预压条件下地下水位的测试要求。
在本发明之前,中国专利(专利申请号:201310478672.9)公开了“一种适用于真空预压地基处理技术的地下水位测试装置及其使用方法”,结构特点是包括在软土地基中的水位管、发射片以及固定于水位管管口的透光片和手持的激光测距仪,密封整体水位管,裸露在外的水位管管口固定透光片,利用手持激光测距仪通过透光片测量水位管中随水位变化的发射片,以此来测出真空预压下的地下水位。该方法思路新型,理论可行,但是却忽略实际过程中的问题,存在以下不足:(1)水位管的埋设虽然是同轴连接,但是在真空预压的过程中,水位管会随土体发生水平位移,会使得漂浮在水位管中的发射片与管口的透光片不在同一竖直线上,从而影响到激光测距仪测量结果的精确性;(2)由激光测距仪的原理可知,在激光照射到一切非光滑的面都发生漫反射,这也要求了该装置在测量过程中的绝对垂直,然而实际过程中,发生水平位移的水位管很有可能对激光进行反射,从而导致测出的距离并不是地下水位的准确位置;(3)固定于水位管管端的透光片的内侧会阻碍管内水汽的蒸发,从而在透光片出冷凝形成水泡,鉴于真空预压加固期较长的缘故,透光片内侧会形成大量的水泡,这也会对激光测距仪发出的激光产生折射,改变激光方向影响到测量的结果。此外,中国专利(专利申请号:201520017360.2)还公开了“一种无线超声波水位计”,其结构是通过立柱固定位于水位面上的仪器盒,仪器盒下端超声波传感器向水面发射和接受超声波,并通过仪器盒顶端的射频天线对超声波信号进行传输和处理,利用超声波的反射原理对江河湖海的水位进行监测,避免了传统水文水位监测方法的弊端,但是如用于软基处理中的地下水位的监测则会存在以下缺点:(1)该装置接受和发射超声波的装置为一体装置,安装组合固然方便,但是如用于水位管中,发射的超声波很可能的会与管壁产生反射而避开了与水面的反射,从而会影响到所测结果的准确性;(2)因为该装置采用了无线电的传输方式,对续航能力有较高要求,如用于真空负压下地下水位的观测造价过高,性价比太低。
发明内容
为克服现有地下水位测量装置的不足和缺陷,本发明结合超声波技术提供一种结构更为简单,操作更方便,成本低廉的适用于真空负压下地下水位的密封测量装置和方法。
为了解决上述技术问题,本发明技术方案如下:
一种基于超声波负压的地下水位密封测量装置,包括水位管、浮块、超声波发射装置、超声波接收器、超声波信号输出端口、顶盖、底盖、测距读数仪、透水孔、土工滤布和密封膜。
水位管为中空管状结构,包括透水段和测量段,测量段穿过密封膜后连接透水段;所述透水段管壁上设置透水孔,透水段管外包裹土工滤布;所述超声波发射装置设置在浮块内,所述浮块设置在水位管的测量段中;所述顶盖、底盖分别设置在水位管的顶端和底端,所述超声波接收器固定设置在顶盖的内侧,超声波接收器通过导线连接超声波信号输出端口,所述超声波信号输出端口连接测距读数仪。
超声波发射装置包括超声波发射器、电源和触水开关,超声波发射器、电源和触水开关串联连接,所述超声波发射器设置于浮块的顶部,电源设置于浮块的内部,触水开关设置在浮块的底部。
水位管的直径为100mm-110mm,测量段长度延伸至密封膜下2m。
超声波发射器为压电式超声波发射器,固定设置在浮块顶部的中央,超声波发射器与超声波接受器为配套装置。
触水开关为电极式开关,触水开关包括开关电路板和两极电片,所述开关电路板密封于浮块内,两极电片伸出浮块的底面,两极电片遇水后及连通开关电路;电源分别连接超声波发射器与触水开关的开关电路板,,由触水开关连接电源控制超声波发射器。
浮块为空心块,高度为20cm-25cm,直径为90mm-100mm,浮块镶嵌入超声波发射装置后密闭为不透水浮块。
超声波接收器与超声波发射器的连线平行于水位管,且垂直于地面,超声波接收器与超声波发射器之间的距离为竖直距离。
测距读数仪为便携式读数器,能够通过超声波信号输出端口,由计算芯片可直接显示出浮块超声波发射器与超声波接收器直接的距离。
基于超声波负压的地下水位密封测量方法,包括如下步骤:
(1)成孔钻机在工作区预定测点定位开孔,将土工滤布包裹的透水段进行埋设,预留30cm长度水位管高于地面,水位管固定后,冲洗水位管内壁,防止土颗粒影响浮块的上下自由滑动;
(2)将固定有超声波发射装置的浮块在水桶中进行试验,确认浮块可正常工作的前提下,将浮块放入步骤(1)已固定的水位管中,超声波接收器固定于顶盖内侧,并从顶盖引出导线,连接超声波信号输出端口,固定顶盖后,并对顶盖与水位管接口进行密封处理;
(3)地下水通过透水孔进入水位管,待水位管中地下水位和浮块位置稳定后,测距读数仪连接超声波信号输出端口,测距读数仪读取第i个波段从浮块传至超声波接收器的时间(时长)ti(1≤i≤N,N表示波段数),其中,si=vi*ti,ti与ti+1对应计算出的浮块顶端与水位管管口的距离相等,得出si的平均值为最终浮块顶端距离水位管管口的距离s0;其中,ti表示第i个波段从浮块传至超声波接收器的时间,vi表示第i个波段的波速,si表示通过第i个波段计算获取的浮块顶端与水位管管口之间的距离;
(4)在工作区之外确定基准点,负压施加前利用水准仪测量水位管管口的初始标高Hz0,根据通过超声波接收器获取的浮块顶端距离水位管管口(顶端)的最终距离(平均距离)s0和浮块顶端超声波发射器距离水面的距离hc,计算出初始地下水位H0=Hz0-s0-hc;hc是超声波发生器距离水面的距离,直接测试获取,即浮块放置在水中时,浮块露出水面的高度;
(5)抽真空施加负压,浮块随着地下水位的变化而上下自由浮动,带动超声波发射装置上下浮动,计算出第j次浮块顶端距离水位管管口的距离sj及相对于基准点水位管(1)管口的高程Hzj,由公式Hj=Hzj-sj-hc,得出第j次地下水位值Hj
根据测量频率重复步骤(3)、(4)、(5)从而获得负压条件下地下水位的实时变化值。
本发明基于超声波技术,避免了同类型真空负压下地下水位测量技术的复杂性,达到了如下有益效果:1.超声波测距技术成熟,测量精度高,得出结果精确可靠;2.测量装置结构简单,易于操作,避免了间接测量带来的误差和繁琐;3.测量装置易于密封且密封性能好,能够测出真空负压下真实的地下水位;4.测量装置所有组合配件廉价,成本低,适用于大范围推广。
附图说明
图1为本发明基于超声波负压的地下水位密封测量装置结构示意图;
图2为本发明超声波发射装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示,一种基于超声波负压的地下水位密封测量装置,包括水位管1、浮块2、超声波发射装置3、超声波接收器4、超声波信号输出端口5、顶盖6、底盖7、测距读数仪8、透水孔9、土工滤布10和密封膜11。
水位管1为中空管状结构,包括透水段101和测量段102,测量段102穿过密封膜11后连接透水段101;所述透水段101管壁上设置透水孔9,透水段101管外包裹土工滤布10;所述超声波发射装置3设置在浮块2内,所述浮块2设置在水位管1的测量段102中;所述顶盖6、底盖7分别设置在水位管1的顶端和底端,所述超声波接收器4固定设置在顶盖6的内侧,超声波接收器4通过导线连接超声波信号输出端口5,所述超声波信号输出端口5连接测距读数仪8。
如图2所示,超声波发射装置3包括超声波发射器31、电源32和触水开关33,超声波发射器31、电源32和触水开关33串联连接,所述超声波发射器31设置于浮块2的顶部,电源32设置于浮块2的内部,触水开关33设置在浮块2的底部。
水位管1的直径为100mm-110mm,测量段102长度延伸至密封膜下2m。
超声波发射器31为压电式超声波发射器,固定设置在浮块2顶部的中央,超声波发射器与超声波接受器为配套装置。
触水开关33为电极式开关,触水开关33包括开关电路板和两极电片,所述开关电路板密封于浮块内,两极电片伸出浮块2的底面,两极电片遇水后及连通开关电路;电源分别连接超声波发射器与触水开关33的开关电路板,,由触水开关连接电源控制超声波发射器。
浮块2为空心块,高度为20cm-25cm,直径为90mm-100mm,浮块2镶嵌入超声波发射装置后密闭为不透水浮块。
超声波接收器4与超声波发射器31的连线平行于水位管1,且垂直于地面,超声波接收器4与超声波发射器31之间的距离为竖直距离。
测距读数仪8为便携式读数器,能够通过超声波信号输出端口,由计算芯片可直接显示出浮块超声波发射器与超声波接收器直接的距离。
基于超声波负压的地下水位密封测量方法,包括如下步骤:
(1)成孔钻机在工作区预定测点定位开孔,将土工滤布10包裹的透水段101进行埋设,预留30cm长度水位管1高于地面,水位管1固定后,冲洗水位管1内壁,防止土颗粒影响浮块的上下自由滑动;
(2)将固定有超声波发射装置3的浮块2在水桶中进行试验,确认浮块2可正常工作的前提下,将浮块2放入步骤(1)已固定的水位管1中,超声波接收器4固定于顶盖6内侧,并从顶盖6引出导线,连接超声波信号输出端口5,固定顶盖6后,并对顶盖6与水位管1接口进行密封处理;
(3)地下水通过透水孔9进入水位管1,待水位管1中地下水位和浮块2位置稳定后,测距读数仪8连接超声波信号输出端口5,测距读数仪8读取第i个波段从浮块2传至超声波接收器4的时间ti(1≤i≤N,N表示波段数),其中,si=vi*ti,ti与ti+1对应计算出的浮块2顶端与水位管1管口的距离相等,得出si的平均值为最终浮块距离水位管1管口的距离s0;其中,ti表示第i个波段从浮块2传至超声波接收器4的时间,vi表示第i个波段的波速,si表示通过第i个波段计算获取的浮块顶端与水位管1管口之间的距离;
(4)在工作区之外确定基准点,负压施加前利用水准仪测量水位管管口的初始标高Hz0,根据通过超声波接收器4获取的浮块2顶端距离水位管管口的距离s0和浮块顶端超声波发射器距离水面的距离hc,计算出初始地下水位H0=Hz0-s0-hc;hc是超声波发生器31距离水面的距离,可直接测试得到。即浮块2放置在水中时,测量浮块2露出水面的高度;
(5)抽真空施加负压,浮块2随着地下水位的变化而上下自由浮动,带动超声波发射装置3上下浮动,计算出第j次浮块2顶端距离水位管1管口的距离sj及相对于基准点水位管1管口的高程Hzj,由公式Hj=Hzj-sj-hc,得出第j次地下水位值Hj
根据测量频率重复步骤(3)、(4)、(5)从而获得负压条件下地下水位的实时变化值。
本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此,如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于,包括水位管(1)、浮块(2)、超声波发射装置(3)、超声波接收器(4)、超声波信号输出端口(5)、顶盖(6)、底盖(7)、测距读数仪(8)、透水孔(9)、土工滤布(10)和密封膜(11);
所述水位管(1)为中空管状结构,包括透水段(101)和测量段(102),测量段(102)穿过密封膜(11)后连接透水段(101);所述透水段(101)管壁上设置透水孔(9),透水段(101)管外包裹土工滤布(10);所述超声波发射装置(3)设置在浮块(2)内,所述浮块(2)设置在水位管(1)的测量段(102)中;所述顶盖(6)、底盖(7)分别设置在水位管(1)的顶端和底端,所述超声波接收器(4)固定设置在顶盖(6)的内侧,超声波接收器(4)通过导线连接超声波信号输出端口(5),所述超声波信号输出端口(5)连接测距读数仪(8)。
2.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于,
所述超声波发射装置(3)包括超声波发射器(31)、电源(32)和触水开关(33),超声波发射器(31)、电源(32)和触水开关(33)串联连接,所述超声波发射器(31)设置于浮块(2)的顶部,电源(32)设置于浮块(2)的内部,触水开关(33)设置在浮块(2)的底部。
3.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于:所述的水位管(1)的直径为100mm-110mm,测量段(102)长度延伸至密封膜下2m。
4.根据权利要求2所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于:所述超声波发射器(31)为压电式超声波发射器,固定设置在浮块(2)顶部的中央。
5.根据权利要求2所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于:所述的触水开关(33)为电极式开关,触水开关(33)包括开关电路板和两极电片,所述开关电路板密封于浮块(2)内,两极电片伸出浮块(2)的底面。
6.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于:所述浮块(2)为空心块,高度为20cm-25cm,直径为90mm-100mm。
7.根据权利要求2所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于:所述超声波接收器(4)与超声波发射器(31)的连线平行于水位管(1),且垂直于地面。
8.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置,其特征在于:所述的测距读数仪(8)为便携式读数器。
9.利用权利要求1~8任一项所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置的地下水位密封测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)成孔钻机在工作区预定测点定位开孔,将土工滤布(10)包裹的透水段(101)进行埋设,预留30cm长度水位管(1)高于地面,水位管(1)固定后,冲洗水位管(1)内壁;
(2)将固定有超声波发射装置(3)的浮块(2)在水桶中进行试验,确认浮块(2)可正常工作的前提下,将浮块(2)放入步骤(1)已固定的水位管(1)中,超声波接收器(4)固定于顶盖(6)内侧,并从顶盖(6)引出导线,连接超声波信号输出端口(5),固定顶盖(6)后,并对顶盖(6)与水位管(1)接口进行密封;
(3)地下水通过透水孔(9)进入水位管(1),待水位管(1)中地下水位和浮块(2)位置稳定后,测距读数仪(8)连接超声波信号输出端口(5),测距读数仪(8)读取第i个波段从浮块(2)传至超声波接收器(4)的时间ti,其中,si=vi*ti,ti与ti+1对应计算出的浮块(2)顶端与水位管(1)管口的距离相等,得出si的平均值为最终浮块(2)顶端距离水位管(1)管口的距离s0;其中,ti表示第i个波段从浮块(2)传至超声波接收器(4)的时间,vi表示第i个波段的波速,si表示通过第i个波段计算获取的浮块(2)顶端与水位管(1)管口之间的距离;
(4)在工作区之外确定基准点,负压施加前利用水准仪测量水位管管口的初始标高Hz0,根据通过超声波接收器(4)获取的最终浮块(2)顶端距离水位管(1)管口的距离s0和浮块顶端超声波发射器距离水面的距离hc,计算出初始地下水位H0=Hz0-s0-hc
(5)抽真空施加负压,浮块(2)随着地下水位的变化而上下自由浮动,带动超声波发射装置(3)上下浮动,计算出第j次浮块(2)顶端距离水位管(1)管口的距离sj及相对于基准点水位管(1)管口的高程Hzj,由公式Hj=Hzj-sj-hc,得出第j次地下水位值Hj,根据测量频率重复步骤(3)、(4)、(5)从而获得负压条件下地下水位的实时变化值。
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