CN105676308A - 一种单井地下水渗流流速流向测量方法及测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单井地下水渗流流速流向测量方法及测量仪，测量仪包括控制器和渗流探测器，所述渗流探测器包括外壳、上隔板、测斜集成传感器、摆锤和压力传感器，摆锤与上隔板的中心通过细绳连接，由于水流的作用，摆锤底部摆球会受到持续不断的渗流力，该渗流力通过圆盘传递到相邻的压力传感器上，同时测斜集成传感器测得测量仪的倾角与方位角以及压力传感器的方位角，可知此时摆锤重力分量，通过力的矢量计算可判断出渗流力的大小和方向从而间接地换算成渗流的流速和流向；本测量仪具有结构简单、功耗低等特点，测量方法可广泛应用于边坡、地下连续墙、水坝等岩土体或地下建筑的渗流情况监测。

Description

一种单井地下水渗流流速流向测量方法及测量仪

技术领域

本发明涉及一种滑坡勘测中的单井地下水渗流流速流向测量方法及测量仪，属于地质勘探技术领域。

背景技术

滑坡是一种全球范围内危害严重的地质灾害，在滑坡的勘测与监测工程中，由于自然或人类活动引起的水文环境变化形成的地下水渗流对滑坡岩土体的稳定性具有重要影响。为了准确评价地下水渗流活动与岩土体灾害之间的对应关系，必须精准地测定滑坡研究区域内地下水的活动情况，为相关工程人员提供数据支撑。

地下水的流速流向的测定方法发展到现在有很多种类，主要可以分为间接法和直接法。间接抽水实验法通过三角形钻孔法绘得等水位线图，间接算得渗流流速流向，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，主要应用在水文地质勘测中。间接示踪法通过监测随渗流运动的人工示踪剂可以达到测定流速流向的目的，但是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，故存在一定的局限性。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。

国外较著名的岩土工程监测仪器厂家在渗流流速流向测量方面建树鲜见，主要以示踪探头为主，而且相关探头造价昂贵，推广使用受到限制。国内已有的一些专利如以同位素(专利85107160)、温度(专利101782591)、颜料、纯水、盐为示踪剂或者借助声呐(专利102445307)的单井地下水流速流向探测方法及装置、单井地下水流速流向及水库渗漏点测量方法及其测量装置等专利结构复杂，操作不方便。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、性能可靠的地下渗流流速流向的测量仪器，既为滑坡勘测与监测工程必需，也是一项关键技术。

发明内容

本发明的目的是针对目前地下水渗流探测成本高、方法复杂或污染环境的问题，提供一种可以放置到钻孔中某一深度处，可不受钻孔倾斜度影响、实时监测地下水渗流流速和流向情况的测量方法和相应测量仪器。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种单井地下水渗流流速流向测量方法，包括如下步骤：

(1)将细杆、圆盘和摆球顺序连接形成摆锤，将摆锤的顶端与支撑装置活动连接使得摆锤可自由摆动，在支撑装置上安装3个以上压力传感器，各压力传感器处于同一平面上并且沿同一圆周均布，调整压力传感器或圆盘位置，使得圆盘位于各压力传感器所在平面上并且各压力传感器所围区域与圆盘间隙配合，随后将支撑装置置于地下水水流中；

(2)测量摆锤圆盘与水平面的倾斜角θ、摆锤的方位角和各压力传感器的方位角，接收各压力传感器的压力信号并计算压力传感器的合力矢量F₁，计算摆锤的重力在各压力传感器所在平面上的分力矢量F₂，计算公式为F₂＝mg*sinθ，其中m为摆锤的质量，g为重力加速度，将合力矢量F₁与分力矢量F₂合成得到合力矢量F₃，通过摆锤的方位角和各压力传感器的方位角得到合力矢量F₃的方位角，合力矢量F₃的方向的反方向即为地下水渗流流向；

(3)通过合力矢量F₃计算地下水渗流流速v，计算公式为：

$v=\sqrt{\frac{2F_3}{C_{F0}A}}$

其中，为已知的地下水总阻力系数，A为摆球的最大横截面积。

步骤(1)中沿竖直方向开挖测试井，在测试井的井壁上铺设反滤层，将支撑装置置于测试井的地下水水流中。

步骤(1)中在支撑装置上安装3个压力传感器。

本发明还对应提供了用于上述测量方法的测量仪，包括控制器和渗流探测器，所述渗流探测器包括外壳、上隔板、测斜集成传感器、摆锤和3个以上与控制器电性连接的压力传感器，外壳内腔通过上隔板分隔为圆柱状的渗流腔和位于渗流腔上方的测斜腔，测斜集成传感器安装于测斜腔中并且与控制器电性连接，摆锤和3个以上压力传感器均安装于渗流腔中，所述摆锤由细杆、圆盘和摆球顺序连接构成，细杆的顶端与上隔板的中心活动连接，渗流腔下部的腔壁中开设有2个以上与渗流腔连通的导流孔，摆球的位置与导流孔相对，各压力传感器均布于渗流腔的腔壁上并且均位于圆盘所在平面上，所述圆盘的直径小于渗流腔的腔径，圆盘与各压力传感器所在腔壁间隙配合，外壳的顶端连接有摆绳。

所述渗流腔中设有下隔板，渗流腔的底端呈锥形，下隔板位于渗流腔的锥形端部上，导流孔开设于下隔板与圆盘之间的渗流腔腔壁中。

所述细杆的顶端与上隔板的中心通过细绳连接。

所述导流孔的分布区域的高度不小于摆球的直径。

渗流腔中安装有3个压力传感器，3个压力传感器沿周向均布。

所述测斜集成传感器包括三轴加速度计、三维电子罗盘A和三维电子罗盘B。

测量仪还包括与控制器电性连接的供电组件，供电组件包括供电电源和电源开关，测斜集成传感器和各压力传感器均通过线缆与控制器和供电组件电性连接。

由上述技术方案可知，本发明提供的单井地下水渗流流速流向测量方法，设置摆锤测量地下水渗流流速流向，地下水流动冲刷摆锤，摆锤沿水流方向摆动并压迫与之共面的压力传感器，压力传感器的测值与水流流速正相关；该方法中测量摆锤圆盘与水平面的倾斜角θ、摆锤的方位角和各压力传感器的方位角，渗流压力还受到摆锤重力分量干扰合成的力，因此测定倾斜角θ计算摆锤重力分量(分力矢量F₂)，压力传感器的安装位置已知，通过测定其中一个压力传感器的方位角可推测得到其余压力传感器的方位角，摆锤的方位角和各压力传感器的方位角用于矢量合成时确定合成矢量的方向，合力矢量F₃由合力矢量F₁与分力矢量F₂合成，其中合力矢量F₁反映水流作用下各压力传感器的检测值以及各压力传感器的方位角，分力矢量F₂反映干扰因素即摆锤的重力分量，根据牛顿第三定律，合力矢量F₃的方向的反方向即为地下水渗流流向，通过合力矢量F₃的大小可获知地下水流速；由于地下水多夹带泥沙等杂质，泥沙等杂质对摆锤产生冲击，其冲击力会直接影响测量结果，本发明提供的单井地下水渗流流速流向测量方法中，开挖测试井并在测试井的井壁上铺设反滤层，反滤层有效过滤地下水中杂质，保证测量准确性。

本发明提供的测量仪主要包括三部分，其一为渗流探测器，用于测量力矢量、倾斜角θ和方位角，渗流探测器主体通过上隔板分隔为圆柱状的渗流腔和位于渗流腔上方的测斜腔，测斜腔用于安装测斜集成传感器，测斜集成传感器包括用于测量仪器倾角与方向角的三轴加速度计和三维电子罗盘A，以及用于测量压力传感器方位角的三维电子罗盘B，渗流腔用于安装摆锤和压力传感器，摆锤活动连接于上隔板的中心，渗流腔下部的腔壁中密集开设与渗流腔连通的导流孔，导流孔用于地下水的流动，由于水流的作用，摆锤底部摆球会受到持续不断的渗流力，该渗流力通过圆盘传递到相邻的压力传感器上，所述测斜集成传感器测得仪器的倾角、方位角以及压力传感器的方位角后，可知此时摆锤重力分量，将各传感器所测数据通过线缆传递至地面计算机，通过力的矢量计算可判断出渗流力的大小和方向从而间接地换算成渗流的流速和流向；其二为控制器，用于接收测斜集成传感器和各压力传感器传输的信号并进行力的合成以及对应计算；其三为电源组件，为控制器、测斜集成传感器和各压力传感器提供电能。

导流孔的分布区域的高度不小于摆球的直径，保证进入渗流腔中的地下水可达到真实地下水对摆球的冲刷效果，摆锤的圆盘与各压力传感器共面并且圆盘与各压力传感器所在腔壁间隙配合，保证摆锤倾斜时其圆盘可压迫压力传感器，渗流腔的底端呈锥形，便于整个渗流探测器下放。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的测量方法，摆锤的摆球将所受渗流冲击力通过圆盘传递到相邻的压力传感器上，把各压力传感器的测值通过矢量换算后，可得到渗流的冲击力的大小和方向，从而间接测得渗流大小和方向；通过地下水水流冲刷摆锤形成的力矢量测量地下水流速和流向，将地下水流速和流向的测量转化为对可直接测量的力矢量的大小和方向的测量，原理简单，测量方便，解决了现有的地下渗流流速流向测量步骤繁琐的难题。

2、本发明的测量仪在钻孔具有一定倾斜角时，可以通过测斜集成单元所测顶角计算重力的分量，由矢量换算加以抵消，不影响其流速流向测量，故可以用于不同深度、不同倾斜度的钻孔中的渗流流速流向测量。

3、本发明的测量仪具有结构简单，体积小和功耗低，可随时检测地下渗流流速流向等优点。与传统测量方式相比，本发明利用力学原理实现地下渗流流速流向的探测，不会对环境造成污染，也不会对操作人员的健康产生危害，且造价低廉，容易实现，既可测不同钻孔中不同深度渗流的流速流向，操作流程也更加简单，测量结果精准，可靠性好。

附图说明

图1为本发明提供的测量仪的测量实施示意图。

图2为渗流探测器的结构示意图。

图3为矢量合成示意图。

其中，1-渗流探测器，2-下隔板，3-导流孔，4-外壳，5-上隔板，6-测斜集成传感器，7-细杆，8-圆盘，9-摆球，10-锥形端部，11-压力传感器，111-压力传感器a，112-压力传感器b，113-压力传感器c，12-计算机，13-供电电源，14-电源开关，15-反滤层，16-测试井，17-摆绳。

具体实施方式

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

本发明提供的单井地下水渗流流速流向测量方法，包括如下步骤：

1)参见图1，沿竖直方向开挖测试井16，在测试井16的井壁上铺设反滤层15，将细杆、圆盘和摆球顺序连接形成摆锤，将摆锤的顶端与支撑装置活动连接使得摆锤可自由摆动，在支撑装置上安装3个压力传感器，各压力传感器处于同一平面上并且沿同一圆周均布，调整压力传感器或圆盘位置，使得圆盘位于各压力传感器所在平面上并且各压力传感器所围区域与圆盘间隙配合，随后将支撑装置置于测试井的地下水水流中，摆锤受地下水水流冲刷产生倾斜，其圆盘压迫其中两个压力传感器；

(2)测量摆锤圆盘与水平面的倾斜角θ、摆锤的方位角和各压力传感器的方位角，接收各压力传感器的压力信号并计算压力传感器的合力矢量F₁，计算摆锤的重力在各压力传感器所在平面上的分力矢量F₂，计算公式为F₂＝mg*sinθ，其中m为摆锤的质量，g为重力加速度，将合力矢量F₁与分力矢量F₂合成得到合力矢量F₃，通过摆锤的方位角和各压力传感器的方位角得到合力矢量F₃的方位角，合力矢量F₃的方向的反方向即为地下水渗流流向；

(3)通过合力矢量F₃计算地下水渗流流速v，计算公式为：

$v=\sqrt{\frac{2F_3}{C_{F0}A}}$

其中，为已知的地下水总阻力系数，A为摆球的最大横截面积。

本发明还对应提供了用于上述测量方法的测量仪，其结构如图1所示，包括由供电电源13和电源开关14构成的供电组件、与供电组件电性连接的计算机12和渗流探测器1，参见图2，所述渗流探测器包括外壳4、下隔板2、上隔板5、测斜集成传感器6、摆锤和3个与控制器电性连接的压力传感器11(包括压力传感器a111、压力传感器b112和压力传感器c113，3个压力传感器沿周向均布于外壳内腔腔壁上)，测斜集成传感器6和各压力传感器11均通过线缆与控制器和供电组件电性连接，外壳内腔通过上隔板5分隔为圆柱状的渗流腔和位于渗流腔上方的测斜腔，测斜集成传感器6安装于测斜腔中，所述测斜集成传感器包括用于测量仪器倾角、倾向的三轴加速度计和三维电子罗盘A，以及用于测量压力传感器(以及整个渗流探测器)方位角的三维电子罗盘B，摆锤和3个压力传感器11均安装于渗流腔中，所述摆锤由细杆7、圆盘8和摆球9顺序连接构成，细杆的7顶端与上隔板5的中心通过细绳连接，摆锤可任意摆动，渗流腔的底端呈锥形，下隔板2位于渗流腔的锥形端部10上，位于下隔板2与圆盘5之间的渗流腔腔壁中开设有2个以上与渗流腔连通的导流孔3，导流孔3密集分布，其数量尽可能多，以不阻碍水流的流动又能保证渗流腔为一个整体为宜，摆球9的位置与导流孔9相对并且摆球的直径不大于导流孔的分布区域的高度，所述圆盘8的直径小于渗流腔的腔径，3个压力传感器均位于圆盘所在平面上，圆盘与各压力传感器所在腔壁间隙配合，外壳的顶端连接有摆绳17。

实际使用中，由于摆锤受水流冲刷沿水流方向倾斜，因此圆盘压迫其中两个压力传感器，参见图3，两个压力传感器即压力传感器b112和压力传感器c113测得的力F₁₁₂、F₁₁₃可通过矢量计算得到合力矢量F₁的大小和方向，这一合力与渗流的作用力大小相等，方向相反，将摆锤倾斜因素加入计算，得到合力矢量F₃，进而可计算流速v；当钻孔发生形变，测量仪在其中处于倾斜状态时，测斜集成传感器6所测倾斜仪倾向倾角可计算得摆锤偏离轴心位置对压力传感器产生力的作用，通过将倾角角度带入计算可抵消摆锤重力的分力作用，然后采用上述步骤测量同样可测得渗流作用力的大小和方向，进而算得渗流流速和流向。

Claims (10)

1.一种单井地下水渗流流速流向测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将细杆、圆盘和摆球顺序连接形成摆锤，将摆锤的顶端与支撑装置活动连接使得摆锤可自由摆动，在支撑装置上安装3个以上压力传感器，各压力传感器处于同一平面上并且沿同一圆周均布，调整压力传感器或圆盘位置，使得圆盘位于各压力传感器所在平面上并且各压力传感器所围区域与圆盘间隙配合，随后将支撑装置置于地下水水流中；

(2)测量摆锤圆盘与水平面的倾斜角θ、摆锤的方位角和各压力传感器的方位角，接收各压力传感器的压力信号并计算压力传感器的合力矢量F₁，计算摆锤的重力在各压力传感器所在平面上的分力矢量F₂，计算公式为F₂＝mg*sinθ，其中m为摆锤的质量，g为重力加速度，将合力矢量F₁与分力矢量F₂合成得到合力矢量F₃，通过摆锤的方位角和各压力传感器的方位角得到合力矢量F₃的方位角，合力矢量F₃的方向的反方向即为地下水渗流流向；

(3)通过合力矢量F₃计算地下水渗流流速v，计算公式为：

$v=\sqrt{\frac{2F_3}{C_{F0}A}}$

其中，为已知的地下水总阻力系数，A为摆球的最大横截面积。

2.根据权利要求1所述的单井地下水渗流流速流向测量方法，其特征在于：步骤(1)中沿竖直方向开挖测试井，在测试井的井壁上铺设反滤层，将支撑装置置于测试井的地下水水流中。

3.根据权利要求1所述的单井地下水渗流流速流向测量方法，其特征在于：步骤(1)中在支撑装置上安装3个压力传感器。

4.一种用于权利要求1所述测量方法的测量仪，其特征在于：包括控制器和渗流探测器，所述渗流探测器包括外壳、上隔板、测斜集成传感器、摆锤和3个以上与控制器电性连接的压力传感器，外壳内腔通过上隔板分隔为圆柱状的渗流腔和位于渗流腔上方的测斜腔，测斜集成传感器安装于测斜腔中并且与控制器电性连接，摆锤和3个以上压力传感器均安装于渗流腔中，所述摆锤由细杆、圆盘和摆球顺序连接构成，细杆的顶端与上隔板的中心活动连接，渗流腔下部的腔壁中开设有2个以上与渗流腔连通的导流孔，摆球的位置与导流孔相对，各压力传感器均布于渗流腔的腔壁上并且均位于圆盘所在平面上，所述圆盘的直径小于渗流腔的腔径，圆盘与各压力传感器所在腔壁间隙配合，外壳的顶端连接有摆绳。

5.根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于：所述渗流腔中设有下隔板，渗流腔的底端呈锥形，下隔板位于渗流腔的锥形端部上，导流孔开设于下隔板与圆盘之间的渗流腔腔壁中。

6.根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于：所述细杆的顶端与上隔板的中心通过细绳连接。

7.根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于：所述导流孔的分布区域的高度不小于摆球的直径。

8.根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于：渗流腔中安装有3个压力传感器，3个压力传感器沿周向均布。

9.根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于：所述测斜集成传感器包括三轴加速度计、三维电子罗盘A和三维电子罗盘B。

10.根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于：测量仪还包括与控制器电性连接的供电组件，供电组件包括供电电源和电源开关，测斜集成传感器和各压力传感器均通过线缆与控制器和供电组件电性连接。