CN109709018A - 一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，包含光纤、内筒、外筒、底座、钻头、传压盖、液压系统、顶盖、摇杆、拉杆；外筒设置在内筒外侧，底座设置在内筒和外筒的下方，钻头设置在底座底部，传压盖、液压系统、顶盖由下向上依次设置在内筒和外筒的上方；拉杆设置在顶盖的顶部，摇杆设置在顶盖的侧面；光纤包含两条，分别设置在内筒内部。该装置还设有用于电连接的电缆。本发明提供的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，设计精巧，内外取样筒与液压系统相结合，实现取土过程中的水土压力平衡，基本保证了原位测试的可靠性；测量精确快捷，可以实时计算渗透系数，统计出易发突水灾害的点位，为预测预报提供可靠依据。

Description

一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置

技术领域

本发明涉及一种测定装置，具体地，涉及一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置。

背景技术

在地下工程蓬勃发展、日新月异的今天，国家加大了对地下基础设施建设的投资，地下工程专家们在隧道工程的研究中遇到越来越多的技术理论难题及挑战，其中断层破碎带突水突泥灾害更是成为业内专家公认的“难中之难”。在硐室、巷道施工过程中，穿过溶洞发育的地段(尤其是遇到地下暗河系统)、厚层含水砂砾石层或与地表水连通的较大断裂破碎带等易发生突然大量涌水现象，造成人员伤亡和经济损失。因此，需要实时计算渗透系数，统计出易发突水灾害的点位，为预测预报提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于隧道区域性富水断层破碎带渗透检验的系统，解决上述问题，及时预测隧道突水灾害的发生，选择隧道破碎带作为检测部位，利用该装置实时计算渗透系数，统计出易发突水灾害的点位，为预测预报提供可靠依据。

为了达到上述目的，本发明提供了一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的装置包含光纤、内筒、外筒、底座、钻头、传压盖、液压系统、顶盖、摇杆、拉杆；所述的外筒设置在内筒外侧，所述的底座设置在内筒和外筒的下方，所述的钻头设置在底座底部，所述的传压盖、液压系统、顶盖由下向上依次设置在内筒和外筒的上方；所述的拉杆设置在顶盖的顶部，所述的摇杆设置在顶盖的侧面；所述的光纤包含两条，分别设置在内筒内部。摇杆、拉杆、传压盖、液压系统等构成传动系统。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的液压系统在启动后向下加压，推动内筒垂直下降，与底座和钻头钻入土层。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的内筒与底座连接，并在内筒与底座之间的内筒壁上设有若干空隙，水土混合物由空隙进入内筒。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的液压系统在启动后向下加压，推动外筒螺旋式向下。液压系统的外部边缘两侧之间的距离大于外筒的外径。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的外筒在装置上露出液压系统下方的初始长度小于内筒的长度，外筒壁的内径大于内筒壁的外径。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的外筒绕内筒外部旋转并钻入土层，在到达预定深度后，外筒继续向下旋转式延伸至底座上部并与底座接触，外筒与内筒的底部筒口的高度一致，使外筒与内筒闭合。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的外筒向下旋转式延伸时，也有水土混合物通过外筒壁与内筒壁之间的间隙进入外筒内，防止压力增大导致土中水的渗透路径改变。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的光纤包含第一光纤和第二光纤，分别沿内筒的直径两端相对向下垂直设置。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的光纤设有用于测量进入内筒中的累计土层长度和筒中液面倾角的光纤传感器。在外筒与内筒闭合后，通过液压系统的作用，推动传压盖向下，进一步将内筒中的土压缩，同时光纤传感器实时测量土柱压缩情况，取得精确的数值。传压盖的外径与内筒的内径相适配。

上述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其中，所述的装置还设有用于电连接的电缆。所述的装置还设有控制中心，所述的控制中心包含控制器、可显示测量仪表读数的显示界面、按钮、计时模块等。控制器优选为PLC控制器(可编程逻辑控制器)，其包含中央处理单元、存储器、输入\输出回路等。光纤传感器测量闭合内筒中土柱随液压系统作用而压缩的情况，得到的精确数值通过光纤输入控制中心的中央处理单元，中央处理单元接收数据并显示在显示界面上，同时计时模块的时间信息，根据现有公式进行计算，得出渗透系数，最终在显示界面上显示总时间、内筒中土长度，以及渗透系数等。计算并显示渗透系数后，可以通过控制中心进行回转操作，控制摇杆、拉杆和液压系统等，驱动内筒和外筒，反向旋转收回。控制中心通过电缆连接液压系统、传压盖、拉杆、钻头、电源等，控制液压系统和传动系统，实现数控液压加载和整个装置的操作。液压系统包含动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件附件和液压油等。动力元件优选为液压泵，执行元件优选为液压缸和液压马达，控制元件包含各种液压阀，辅助元件包括油箱、滤油器、冷却器、加热器、蓄能器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位计、油温计等，液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。液压系统可以通过控制中心进行信号控制。光纤传感器测量和控制中心、液压系统，以及渗透系数计算公式等均为本领域技术人员已知的现有技术。

本发明提供的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置具有以下优点：

本发明研制了结合光纤监测系统、数控液压加载系统、稳压供水系统等系统的功能效果组成的隧道区域性富水断层破碎带渗透检验系统。通过现场试验，实时计算其渗透系数。根据研究得出的隧道突水灾变的临界判据及临界水压力，检验判断是否超过阈值，对隧道突水灾害预测预报具有重要意义。

本发明还具有以下特点：(1)原位测定：土样扰动小，试验结果更贴近真实状态。(2)简单易行：相比较复杂的室内试验，该装置大大简化了测量渗透系数的成本。(3)半自动化：通过智能测量仪与读数仪表，解放工作人员的双手。

附图说明

图1为本发明的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置的结构示意图。

图2为本发明的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置的光纤传感器传输过程示意图。

图3为本发明的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置的光纤传感器电路示意图。

图4为本发明的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置的渗透系数计算原理示意图。

其中，1、拉杆；2、顶盖；3、电缆；4、摇杆；5、液压系统；6、传压盖；7、外筒；8、内筒；9、第一光纤；10、第二光纤；11、底座；12、钻头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图1所示，本发明提供的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，包含光纤、内筒8、外筒7、底座11、钻头12、传压盖6、液压系统5、顶盖2、摇杆4、拉杆1；外筒7设置在内筒8外侧，底座11设置在内筒8和外筒7的下方，钻头12设置在底座11底部，传压盖6、液压系统5、顶盖2由下向上依次设置在内筒8和外筒7的上方；拉杆1设置在顶盖2的顶部，摇杆4设置在顶盖2的侧面；光纤包含两条，分别设置在内筒8内部。

液压系统5在启动后向下加压，推动内筒8垂直下降，与底座11和钻头12钻入土层。

内筒8与底座11连接，并在内筒8与底座11之间的内筒8壁上设有若干空隙，水土混合物由空隙进入内筒8。

液压系统5在启动后向下加压，推动外筒7螺旋式向下。

外筒7在装置上露出液压系统5下方的初始长度小于内筒8的长度，外筒7壁的内径大于内筒8壁的外径。

外筒7绕内筒8外部旋转并钻入土层，在到达预定深度后，外筒7继续向下旋转式延伸至底座11上部并与底座11接触，外筒7与内筒8的底部筒口的高度一致，使外筒7与内筒8闭合。

外筒7向下旋转式延伸时，也有水土混合物通过外筒7壁与内筒8壁之间的间隙进入外筒7内。

光纤包含第一光纤9和第二光纤10，分别沿内筒8的直径两端相对向下垂直设置。

光纤设有用于测量进入内筒8中的累计土层长度和筒中液面倾角的光纤传感器。

该装置还设有用于电连接的电缆3。

下面结合实施例对本发明提供的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置做更进一步描述。

实施例1

一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，包含光纤、内筒8、外筒7、底座11、钻头12、传压盖6、液压系统5、顶盖2、摇杆4、拉杆1。

该装置还设有用于电连接的电缆3。

外筒7设置在内筒8外侧，底座11设置在内筒8和外筒7的下方，钻头12设置在底座11底部，传压盖6、液压系统5、顶盖2由下向上依次设置在内筒8和外筒7的上方；拉杆1设置在顶盖2的顶部，摇杆4设置在顶盖2的侧面。摇杆4、拉杆1、传压盖6、液压系统5等构成传动系统。

液压系统5在启动后向下加压，推动内筒8垂直下降，与底座11和钻头12钻入土层。

内筒8与底座11连接，并在内筒8与底座11之间的内筒8壁上设有若干空隙，水土混合物由空隙进入内筒8。

液压系统5在启动后向下加压，推动外筒7螺旋式向下。液压系统5的外部边缘两侧之间的距离大于外筒7的外径。

外筒7在装置上露出液压系统5下方的初始长度小于内筒8的长度，外筒7壁的内径大于内筒8壁的外径。

外筒7绕内筒8外部旋转并钻入土层，在到达预定深度后，外筒7继续向下旋转式延伸至底座11上部并与底座11接触，外筒7与内筒8的底部筒口的高度一致，使外筒7与内筒8闭合。外筒7向下旋转式延伸时，也有水土混合物通过外筒7壁与内筒8壁之间的间隙进入外筒7内，防止压力增大导致土中水的渗透路径改变。

光纤包含两条，分别设置在内筒8内部。

光纤包含第一光纤9和第二光纤10，分别沿内筒8的直径两端相对向下垂直设置。光纤设有用于测量进入内筒8中的累计土层长度和筒中液面倾角的光纤传感器。在外筒7与内筒8闭合后，通过液压系统5的作用，推动传压盖6向下，进一步将内筒8中的土压缩，同时光纤传感器实时测量土柱压缩情况，取得精确的数值。传压盖6的外径与内筒8的内径相适配。

该装置还设有控制中心，控制中心包含控制器、可显示测量仪表读数的显示界面、按钮、计时模块等。

控制器优选为PLC控制器(可编程逻辑控制器)，其包含中央处理单元、存储器、输入\输出回路等。光纤传感器测量闭合内筒8中土柱随液压系统5作用而压缩的情况，得到的精确数值通过光纤输入控制中心的中央处理单元，中央处理单元接收数据并显示在显示界面上，同时计时模块的时间信息，根据现有公式进行计算，得出渗透系数，最终在显示界面上显示总时间、内筒8中土长度，以及渗透系数等。

按钮包含L(Length，长度测量)、A(Angel，角度测量)、S(Start，开始)、P(Pause，暂停)、保存等。

计算并显示渗透系数后，可以通过控制中心进行回转操作，控制摇杆4、拉杆1和液压系统5等，驱动内筒8和外筒7，反向旋转收回。控制中心通过电缆3连接液压系统5、传压盖6、拉杆1、钻头12、电源等，控制液压系统5和传动系统，实现数控液压加载和整个装置的操作。

液压系统5包含动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件附件和液压油等。动力元件优选为液压泵，执行元件优选为液压缸和液压马达，控制元件包含各种液压阀，辅助元件包括油箱、滤油器、冷却器、加热器、蓄能器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位计、油温计等，液压油是液压系统5中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。液压系统5可以通过控制中心进行信号控制。光纤传感器测量和控制中心、液压系统5，以及渗透系数计算公式等均为本领域技术人员已知的现有技术。

该装置的操作过程如下：

(1)启动液压系统5，外筒7呈螺旋式钻入土层，内筒8呈垂直下降式跟进，钻至合适深度后，使两筒口接触闭合。内筒8中已进入一定量的水土混合物。沿直径相对的两根光纤，即第一光纤9和第二光纤10，用以测量管内的土层累计长度和液面倾角。

(2)点击按钮L(Length)，测量已插入内筒8管中的累计土层长度。点击保存按钮；点击按钮A(Angel)，测量内筒8管中液面倾角。测定的内筒8管中液面的倾斜角度，通过光纤传感器，在显示屏上实时显示当前的角度。点击保存按钮。

(3)点击按钮S(Start)，便开始计时。

(4)时间T后，液面降到一定刻度处。点击按钮P(Pause)，停止计时。

(5)内置处理器根据角度自动换算，按公式计算渗透系数，最终显示出总时间T，管中土长度L，渗透系数K。

(6)启动回转系统，将内外圆筒反向旋转收回，使土样保持原地，基本维持原状。

回转系统包含设置在内筒的内部中心的中心管，中心管的底端与钻头12连接，中心管的顶端与液压系统5连接，中心管的内部一端安装有霍尔元件，中心管的外侧绕设有螺旋叶片。霍尔元件安装在中心管的中心轴端部上。中心管与液压系统5以及与钻头12之间均通过中心管上的接头连接。液压系统5通过中心管带动钻头12以及内筒8和外筒7，反向旋转收回。

本发明提供的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，依靠钻进系统，将原位土体钻入取样内筒，同时少量水土进入取样外筒，防止压力增大导致土中水的渗透路径改变。依靠液压系统，将内筒中的土压缩，同时光纤传感器实时测量土柱压缩情况，将精确的数值返回处理器。内置程序自动根据计算公式，计算出原状土的渗透系数，最终将结果显示出来。

液压系统为现有的数控液压传动系统。

光纤传感器为反射式光纤位移传感器，是一种传输型光纤传感器。其原理为：光纤采用Y型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。光纤传感器的传输过程参见图2所示。

反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化(在小位移范围内)等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。光纤传感器在安装时，探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中；固定测微头。光纤传感器的型号优选为optoNCDT 2300-2DR。光电信号转换及调理、放大电路等如图3所示。

中央处理单元内置计算程序，具体信息示例如下：

x1＝3：0.5：15；

y1＝[3.83 3.71 3.51 3.26 3.01 2.76 2.53 2.31 2.10 1.91 1.73 1.57 1.431.3 1.17 1.07 0.97 0.88 0.79 0.72 0.66 0.60 0.53 0.49 0.48]；

k＝polyfit(x1，y1，1)(％计算拟合直线的斜率b、截距a)

Y＝polyval(k，x1)(％计算X数据点的拟合输出值)

hold

plot(x1，y1，′r-′，x1，Y，′g-′)

grid on

xlabel(′正行程位移值(mm)′)

ylabel(′正行程位电压(V)′)

axis([0，16，0，7])

title(′光纤传感器测位移′)

详细的计算公式和计算过程如下，参见图4所示：

假设竖管直径为D，倾角θ可以设计成任意值。当θ＝90°时，测定横向渗透系数Kh。当0°＜θ＜90°时，可测定其他任意方向的渗透系数Ks。

式中K为岩层的垂向渗透系数；Lv为测管内岩层的长度；h1、h2分别为测管中t1和t2时刻的水头值。若测管倾斜一定的角度θ，则光纤光栅会自动识别，即此时，测量渗透系数的原理同上，并同时记录该时刻的倾角值。

本发明提供的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，设计精巧，内外取样筒与液压系统相结合，实现取土过程中的水土压力平衡，基本保证了原位测试的可靠性。本装置测量精确快捷，将光纤监测技术与内置程序完美融合，大大节省了工作人员的时间。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的装置包含光纤、内筒、外筒、底座、钻头、传压盖、液压系统、顶盖、摇杆、拉杆；

所述的外筒设置在内筒外侧，所述的底座设置在内筒和外筒的下方，所述的钻头设置在底座底部，所述的传压盖、液压系统、顶盖由下向上依次设置在内筒和外筒的上方；所述的拉杆设置在顶盖的顶部，所述的摇杆设置在顶盖的侧面；

所述的光纤包含两条，分别设置在内筒内部。

2.根据权利要求1所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的液压系统在启动后向下加压，推动内筒垂直下降，与底座和钻头钻入土层。

3.根据权利要求2所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的内筒与底座连接，并在内筒与底座之间设有空隙，水土混合物由空隙进入内筒。

4.根据权利要求2所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的液压系统在启动后向下加压，推动外筒螺旋式向下。

5.根据权利要求4所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的外筒在装置上露出液压系统下方的初始长度小于内筒的长度，外筒壁的内径大于内筒壁的外径。

6.根据权利要求5所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的外筒绕内筒外部旋转并钻入土层，在到达预定深度后，外筒继续向下旋转式延伸至底座上部并与底座接触，外筒与内筒的底部筒口的高度一致，使外筒与内筒闭合。

7.根据权利要求6所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的外筒向下旋转式延伸时，也有水土混合物通过外筒壁与内筒壁之间的间隙进入外筒内。

8.根据权利要求1所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的光纤包含第一光纤和第二光纤，分别沿内筒的直径两端相对向下垂直设置。

9.根据权利要求8所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的光纤设有用于测量进入内筒中的土层长度和液面倾角的光纤传感器。

10.根据权利要求1所述的隧道富水断层破碎带渗透系数原位测定装置，其特征在于，所述的装置还设有用于电连接的电缆。