CN105547369B - 一种地下水流速流向单孔测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地下水流速流向单孔测量装置，包括外部支撑、渗流跟踪单元、位置检测单元、复位单元和控制器，连接筒上开设有过水窗；所述渗流跟踪单元包括上顶针、下顶针、转轴和渗流跟踪杆，上顶针、转轴和下顶针沿竖直方向顺序安装并且同轴，转轴通过上顶针与下顶针抵紧固定，上顶针与下顶针的另一端分别安装于控制室与底盘中，渗流跟踪杆沿水平方向固定于转轴中并且两端均突出于转轴外，渗流跟踪杆的其中一端设有尺寸小于过水窗尺寸的膨胀部；所述位置检测单元包括颜色码盘和颜色识别模块；复位单元由3个以上与控制器电性连接的电磁铁构成；该装置具有流速流向跟踪功能、位置检测功能以及复位功能，可实现非接触测量、重复测量和连续测量。

Description

一种地下水流速流向单孔测量装置

技术领域

本发明涉及一种地下水流速流向测量装置，属于地质工程地下水测量技术领域。

背景技术

大量地质工程经验表明，滑坡岩土体的失稳、变形与降雨活动，库水位升降，工业废水排放等水文环境变化形成的地下水渗流有着密切联系。为了准确评价地下水渗流活动与滑坡灾害之间的对应关系、监测滑坡体中滑面至坡面间垂直区域内地下水渗流流速流向变化，必须通过精密仪器准确的掌握地下水的活动情况。

目前测定地下水的流速流向的方法有很多，主要可以分为间接的抽水实验法和直接的示踪法，抽水实验法通过三角形钻孔法绘得等水位线图，间接算得渗流流向，但结果可靠性和代表性差，操作复杂，尤其在含水层大埋深时更难实施。示踪法通过对人工示踪剂随渗流的运动的监测可以达到测定流向的目的，所采用的示踪剂如放射性元素、盐、纯水、温度、颜料等由于其方法或材料自身的因素，或多或少都存在一定的局限性，例如放射性示踪剂种类少且每次使用前都需重新检验其是否适用。此外还存在一些化学法、比色法等单井测量方法，但测量结果需要修正、操作复杂。

国内测量地下渗流流向的单井仪器较少，相关的仪器有专利85107160中介绍的热释光同位素示踪测量装置、专利101782591温度示踪剂探测装置、专利102445307单井声呐测流方法等。国外的相关仪器造价高，难于普遍应用。因此，研究和设计一款体积小巧、结构简单、功耗较低、操作方便、性能可靠的单井地下渗流流速流向测量仪既是滑坡勘测活动的必需，也是一项重要技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种用于滑坡勘测、具有流速流向跟踪功能、跟踪机构位置检测功能以及跟踪机构复位功能的地下水流速流向单孔测量装置，测量装置能够控制自身复位，实现重复和连续测量。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种地下水流速流向单孔测量装置，包括由从上至下顺序连接的封闭的控制室、连接筒和底盘构成的外部支撑，以及安装于外部支撑中的渗流跟踪单元、位置检测单元和控制器，连接筒上开设有过水窗，复位单元和控制器均封装于控制室中；所述渗流跟踪单元包括上顶针、下顶针、转轴和渗流跟踪杆，上顶针、转轴和下顶针沿竖直方向顺序安装并且同轴，转轴通过上顶针与下顶针抵紧固定，上顶针与下顶针的另一端分别安装于控制室与底盘中，渗流跟踪杆沿水平方向固定于转轴中并且两端均突出于转轴外，渗流跟踪杆的其中一端设有尺寸小于过水窗尺寸的膨胀部；所述位置检测单元包括颜色码盘和颜色识别模块，所述颜色码盘固定于转轴的上部，颜色识别模块安装于上顶针上并且与控制器电性连接。

控制室中设有由3个以上与控制器电性连接的电磁铁构成的复位单元，各电磁铁分别位于控制室下部沿周向均匀开设的与电磁铁数量相同的安装槽中。

所述膨胀部由可磁化材料制成并且位于电磁铁下方。

所述转轴两端的轴心处均开设有圆锥状的沉孔，沉孔的锥度大于上顶针与下顶针的顶针锥度。

所述颜色码盘为上表面带有环形渐变色带的圆盘，颜色码盘与转轴同轴安装。

所述颜色识别模块为由颜色识别芯片和发光二极管构成的集成电路板，颜色识别模块通过透明防水密封膜封装。

控制室底部的中心开设有阶梯轴孔，所述上顶针为与阶梯轴孔间隙配合的阶梯轴，上顶针的小轴径段上套设有压簧，压簧通过轴肩和阶梯轴孔的台阶限位。

所述渗流跟踪杆由平衡轴、调节弹簧和平衡球构成，所述平衡轴为阶梯轴，转轴套于平衡轴的小轴段上并且通过轴肩限位，平衡球螺纹安装于平衡轴的小轴段的端部构成膨胀部，调节弹簧套于平衡轴位于平衡球与转轴之间的小轴段上。

所述连接筒上沿周向均匀开设有3个过水窗，过水窗的面积为连接筒筒壁表面积的0.25～0.3倍。

所述控制室通过顶盖封闭，控制室与顶盖通过密封圈密封，控制器通过电缆与外设设备进行数据通讯，顶盖上开设有电缆线孔，电缆与电缆线孔之间通过防水密封胶密封，所述底盘的外表面为弧面。

由上述技术方案可知，本发明提供的地下水流速流向单孔测量装置，通过顺序连接的控制室、连接筒和底盘构成装置的外部支撑，为内部的功能部分提供安装位和保护，功能部分包括：1、渗流跟踪单元，用于跟踪地下水流向并且反应流速，渗流跟踪单元以上顶针和下顶针为轴线，转轴安装在上顶针和下顶针之间、可以绕轴线自由转动，渗流跟踪杆垂直于转轴(及沿水平方向)穿插在转轴中，端部设置膨胀部，膨胀部对地下水水流产生一定阻力、承受地下水的冲刷并且带动渗流跟踪杆和转轴沿水流流向转动，渗流跟踪杆和转轴的转速与地下水流速正相关；2、位置检测单元，包括颜色码盘和颜色识别模块，颜色码盘固定于转轴的上部、随转轴转动，颜色识别模块安装于上顶针上并且与控制器电性连接，本发明中，颜色码盘为上表面带有环形渐变色带的圆盘，颜色识别模块为由颜色识别芯片和发光二极管构成的集成电路板，检测时点亮发光二极管并通过颜色识别芯片感应颜色码盘对准颜色识别模块处的颜色，用于采集颜色码盘的颜色变化情况以及颜色变化速度并将信号传输至控制器中；3、控制器，用于接收颜色识别模块传输的信号并且量化地下水流速。

为实现多次测量，装置中设置由3个以上与控制器电性连接的电磁铁构成的复位单元，控制器控制各电磁铁的电路通断，由于位于电磁铁下方的膨胀部由可磁化材料制成，当电磁铁得电具有磁性时，膨胀部被吸引至该电磁铁的正下方，若渗流跟踪杆此时轴线与水流流向不平行，该电磁铁断电失磁时，膨胀部受地下水的冲刷并且带动渗流跟踪杆和转轴沿水流流向转动，实现重复、多次测量，提高测量精度。

下顶针通过螺纹固定安装在底盘上；上顶针为阶梯轴，与控制室的阶梯轴孔间隙配合形成滑动副，其上套有压簧，通过压簧向下施加压力抵紧转轴进行轴向限位；转轴两端的轴心处均开设有圆锥状的沉孔，沉孔的锥度大于上顶针与下顶针的顶针锥度，使转轴与上顶针和下顶针处于点接触状态，保证转轴转动中受到的摩擦力趋于零。

渗流跟踪杆由平衡轴、调节弹簧和平衡球构成，平衡轴为阶梯轴，其大轴段用于平衡渗流跟踪杆、小轴段用于安装调节弹簧和平衡球，调节弹簧调节平衡球在平衡轴上的位置，使得整个渗流跟踪单元的保持静力平衡。

所述方案中的位置检测组件按颜色码盘和颜色识别模块两部分分离安装，实现非接触测量。颜色码盘固连在流速流向跟踪机构中的转轴上，随着转轴一块转动；颜色识别模块安装在上顶针上，与颜色码盘保持最佳的颜色识别距离。

底盘的下端作圆角处理、表面呈弧面，避免装置在下放中与孔壁发生刮擦并且减小下放阻力；连接筒上沿周向均匀开设有3个过水窗，过水窗的面积为连接筒筒壁表面积的0.25～0.3倍，过水窗面积尽可能大，使得余留的三个支架在足以支撑底盘的情况下尺寸小到可以忽略其对测点水流的影响。

控制室和顶盖之间用密封圈密封，构造出一个密闭防水的电路控制室；顶盖上穿引出电缆绳，电缆绳既是电源和信号的传输线，也是仪器投放的牵引线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明充分考虑了滑坡勘测中地下水流速流向的真实测量条件，所涉及的测量装置可以通过单孔投放仪器就能测量不同深度处的地下水流速和流向。

2.本发明通过严格静力平衡的平衡球和平衡轴来对水流进行跟踪随动，其转动轴与顶针为点接触，摩擦力小，对水流的跟踪精度高。

3.本发明利用颜色码盘来编码跟踪机构的位置，编码色带为连续的渐变色，其编码精度高，位置连续。

4.本发明中利用颜色码盘对流速流向跟踪机构进行位置标定，与颜色识别模块分离安装，实现非接触测量，检测过程不会对流速流向的跟随产生影响。

5.本发明通过控制多个电磁铁的通断来控制平衡球处于多个不同位置，能够在平衡轴与水流方向一致后重新调整平衡球处于一个大角度非平衡位置以保证流速的跟踪测量，实现多次测量。

附图说明

图1为本发明提供的地下水流速流向单孔测量装置的整体结构图。

图2为本发明提供的地下水流速流向单孔测量装置的使用示意图。

图3为本发明提供的地下水流速流向单孔测量装置的测量原理图。

图中：1-顶盖，2-密封圈，3-控制室，4-连接筒，5-上顶针，6-平衡球，7-调节弹簧，8-底盘，9-下顶针，10-转轴，11-平衡轴，12-颜色码盘，13-颜色识别模块，14-模块连接线，15-压簧，16-电磁铁，17-控制器，18-安装槽，19-电缆，20-防水密封胶，21-透水地层，22-探测孔，23-阶梯轴孔，24-过水窗。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的地下水流速流向单孔测量装置，其结构如图1和图2所示，包括由从上至下顺序连接的封闭的控制室3、连接筒4和外表面为弧面的底盘8构成装置的外部支撑，以及安装于外部支撑中的渗流跟踪单元、位置检测单元、复位单元和控制器17，控制室3通过顶盖1封闭，控制室3与顶盖1通过密封圈2密封，连接筒4上沿周向均匀开设有3个过水窗24，过水窗的面积为连接筒筒壁表面积的0.25～0.3倍，复位单元和控制器17均封装于控制室中，控制器通过电缆19与外设设备进行数据通讯，顶,1上开设有电缆线孔，电缆与电缆线孔之间通过防水密封胶20密封，控制器17优选单片机；

所述渗流跟踪单元包括上顶针5、下顶针9、转轴10和渗流跟踪杆，上顶针5、转轴10和下顶针9沿竖直方向顺序安装并且同轴，上顶针5、下顶针9和转轴10均选用坚硬耐磨材料制成，转轴两端的轴心处均开设有圆锥状的沉孔，沉孔的锥度大于上顶针与下顶针的顶针锥度，转轴通过上顶针与下顶针抵紧固定，下顶针9的另一端与底盘螺纹连接，所述上顶针5为阶梯轴，控制室底部的中心开设有与阶梯轴间隙配合的阶梯轴孔23，上顶针5的小轴径段上套设有压簧15，压簧15通过轴肩和阶梯轴孔的台阶限位，渗流跟踪杆沿水平方向固定于转轴中并且两端均突出于转轴外，所示渗流跟踪杆由平衡轴11、调节弹簧7和平衡球6构成，所述平衡轴11为阶梯轴，转轴10套于平衡轴11的小轴段上并且通过轴肩限位，平衡球6螺纹安装于平衡轴的小轴段的端部构成尺寸小于过水窗尺寸的膨胀部，调节弹簧7套于平衡轴位于平衡球与转轴之间的小轴段上，平衡球6由密度小于平衡轴密度且能够被磁化的材料制成；

所述位置检测单元包括颜色码盘12和颜色识别模块13，颜色码盘12为上表面带有环形渐变色带的圆盘，颜色码盘12固定于转轴的上部并且与转轴10同轴，颜色识别模块13安装于上顶针上并且通过模块连接线14与控制器17电性连接，颜色识别模块为由颜色识别芯片和发光二极管构成的集成电路板，颜色识别模块通过透明防水密封膜封装；

所述复位单元由4个与控制器17电性连接的电磁铁16构成，各电磁铁分别位于控制室下部沿周向均匀开设的4个的安装槽18中，电磁铁位于平衡球6上方。

应用本发明进行地下水流速流向单孔测量的过程为：

1.通过电缆绳19牵引，把测量装置投放到透水地层21中开挖的探测孔22中，如图2所示，调整装置所在的深度，确保测点位置有地下水流经钻孔之中；

2.待测量装置在钻孔中稳定后，通过电缆绳给测量装置上电，启动测量，控制器17是测量装置的控制中心，安装于控制室3种，测量前先等待装置达到平衡状态，即平衡轴11与测点地下水流向一致，此时颜色码盘12标识出的位置为水流相对于测量装置的流向，通过测量装置本身的方位后便能得到地下水的真实流向；平衡状态下，流速流向跟踪机构没有有效的扭矩，不会发生转动，因此也不能跟踪到地下水的流速，所以需要把平衡球6通过电磁铁16吸引到某一位置后释放，使得平衡轴11与地下水流向间存在一角度(尽可能略大于90°)，处于非平衡的状态，非平衡状态下平衡球6会在水流作用在朝着平衡状态转动，通过感应颜色码盘的转动速度和相对位置便可以换算出水流的速度，测量原理如图3所示，整个测量过程由控制器17自动控制完成，无需人工干预；

3.完成一次测量后可以改变测量装置的深度位置，继续对下一个测点进行测量。

Claims (10)

1.一种地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：包括由从上至下顺序连接的封闭的控制室、连接筒和底盘构成的外部支撑，以及安装于外部支撑中的渗流跟踪单元、位置检测单元和控制器，连接筒上开设有过水窗，复位单元和控制器均封装于控制室中；所述渗流跟踪单元包括上顶针、下顶针、转轴和渗流跟踪杆，上顶针、转轴和下顶针沿竖直方向顺序安装并且同轴，转轴通过上顶针与下顶针抵紧固定，上顶针与下顶针的另一端分别安装于控制室与底盘中，渗流跟踪杆沿水平方向固定于转轴中并且两端均突出于转轴外，渗流跟踪杆的其中一端设有尺寸小于过水窗尺寸的膨胀部；所述位置检测单元包括颜色码盘和颜色识别模块，所述颜色码盘固定于转轴的上部，颜色识别模块安装于上顶针上并且与控制器电性连接。

2.根据权利要求1所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：控制室中设有由3个以上与控制器电性连接的电磁铁构成的复位单元，各电磁铁分别位于控制室下部沿周向均匀开设的与电磁铁数量相同的安装槽中。

3.根据权利要求2所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：所述膨胀部由可磁化材料制成并且位于电磁铁下方。

4.根据权利要求1所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：所述转轴两端的轴心处均开设有圆锥状的沉孔，沉孔的锥度大于上顶针与下顶针的顶针锥度。

5.根据权利要求1所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：所述颜色码盘为上表面带有环形渐变色带的圆盘，颜色码盘与转轴同轴安装。

6.根据权利要求5所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：所述颜色识别模块为由颜色识别芯片和发光二极管构成的集成电路板，颜色识别模块通过透明防水密封膜封装。

7.根据权利要求1所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：控制室底部的中心开设有阶梯轴孔，所述上顶针为与阶梯轴孔间隙配合的阶梯轴，上顶针的小轴径段上套设有压簧，压簧通过轴肩和阶梯轴孔的台阶限位。

8.根据权利要求1所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：所述渗流跟踪杆由平衡轴、调节弹簧和平衡球构成，所述平衡轴为阶梯轴，转轴套于平衡轴的小轴段上并且通过轴肩限位，平衡球螺纹安装于平衡轴的小轴段的端部构成膨胀部，调节弹簧套于平衡轴位于平衡球与转轴之间的小轴段上。

9.根据权利要求1所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：所述连接筒上沿周向均匀开设有3个过水窗，过水窗的面积为连接筒筒壁表面积的0.25～0.3倍。

10.根据权利要求1所述的地下水流速流向单孔测量装置，其特征在于：所述控制室通过顶盖封闭，控制室与顶盖通过密封圈密封，控制器通过电缆与外设设备进行数据通讯，顶盖上开设有电缆线孔，电缆与电缆线孔之间通过防水密封胶密封，所述底盘的外表面为弧面。