CN110441545A - 岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪 - Google Patents

岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪 Download PDF

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Abstract

本申请涉及地质工程勘查技术领域，提供一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪。本测试仪包括主测试传感系统、保护支撑外壳系统和传动系统。测试仪放入钻孔前保护支撑外壳处于完全闭合状态，主测试传感系统位于保护支撑外壳内部；测试仪采用钻杆连接方式伸入勘探钻孔；待整个测试仪到达预定测试位置时，开启传动系统将保护支撑外壳打开并与钻孔壁固定，同时主测试传感系统向下伸出直至预定位置，测量地下水流向、流速并完成水样采集工作。本申请提供的方案，其有益效果在于：能够快速、精确测量地下水流向、流速，并且辅助完成水样采集工作，可以广泛应用于岩溶地区地下水渗流探测，具有集成化高、操作简便的优点。

Description

岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪
技术领域
本申请涉及地质工程勘查技术领域，尤其涉及一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪。
背景技术
我国岩溶分布广泛，岩溶区水文地质条件复杂，含水层的渗透性具有较强的非均一性。为探究岩溶含水层矢量渗透系数的分布规律，识别多级次岩溶水流系统的特征，需要对岩溶地下水流向与流速开展测量判别。然而，现有技术往往存在精度低、操作不便或者成本高的问题。因此。适用于岩溶地区的地下水流向、流速、采样测试设备亟待进一步开发。
发明内容
本申请的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪，以快速、精确测量地下水流向、流速，并且辅助完成水样采集工作。
为实现上述目标，本申请提供了如下技术方案:
一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪，包括主测试传感系统、保护支撑外壳系统和传动系统；
主测试传感系统设置在保护支撑外壳系统中，并通过传动系统与保护支撑外壳系统连接；传动系统用于控制主测试传感系统上下传动；保护支撑外壳系统用于在钻孔下放过程中保护其内部的主测试传感系统不受损坏，并在主测试传感系统到达预定测试位置后用于将整个测试仪固定在钻孔内；主测试传感系统用于测量地下水流向、流速，并且辅助完成水样采集工作。
进一步，主测试传感系统包括主测试传感系统仓、磁铁、水样存储仓、陀螺仪、稳流器、流速测量桨叶、转速传感器；保护支撑外壳系统包括保护支撑外壳、支撑弹簧、牵引滑块、两根牵引绳，保护支撑外壳包括保护上壳和两片活动下壳；传动系统包括传动杆、传动球绞、电磁铁、固定杆、固定转轴、电机及传动齿轮；
磁铁、水样存储仓、陀螺仪、转速传感器均位于主测试传感系统仓内，且磁铁及水样存储仓位于主测试传感系统仓的前端，同时水样存储仓的前端留有可开关的水样存储仓进水口；稳流器位于主测试传感系统仓的后部；流速测量桨叶位于主测试传感系统仓的尾端，并与转速传感器连接；
两片活动下壳相对设置，保护上壳的下端分别与两片活动下壳的上端铰接，共同构成保护支撑外壳；且两片活动下壳均可以沿铰接处转动以闭合或张开；支撑弹簧的两端分别与两片活动下壳的内壁固定连接，当两片活动下壳处于闭合状态时，支撑弹簧受压变形；两片活动下壳的外侧下部均设置有卡固齿纹，当两片活动下壳向外张开时，卡固齿纹用于与钻孔壁固定；两片活动下壳的下端各自连接一根牵引绳，两根牵引绳一端各自与一片活动下壳下端连接，两者的另一端均与牵引滑块连接，用于牵引两片活动下壳使之闭合；牵引滑块套设于传动杆上，并可以沿传动杆上下滑动，传动杆的末端设置有传动杆末端凸起，传动杆末端凸起位于牵引滑块下方，当传动杆移动到最顶端时，牵引滑块被传动杆末端凸起处卡住；
传动杆从保护支撑外壳的中心穿过，传动齿轮分别两两对称设置在传动杆的左右两侧，并与传动杆啮合，同时传动齿轮与电机连接，通过电机转动带动传动齿轮转动，从而带动传动杆上下移动；传动杆的末端与固定杆的顶端之间通过传动球绞连接，并使固定杆可以沿水平方向旋转；同时固定杆的末端与主测试传感系统之间通过固定转轴连接，使主测试传感系统可以沿竖直方向旋转；且固定杆的顶端设置有电磁铁，电磁铁与外接电源连接，在通电状态下可以与主测试传感系统上的磁铁相互吸引，使主测试传感系统保持竖直。
本申请提供的测试仪放入钻孔前保护支撑外壳处于完全闭合状态，主测试传感系统位于保护支撑外壳内部；测试仪采用钻杆连接方式伸入勘探钻孔；待整个测试仪到达预定测试位置时，开启传动系统将保护支撑外壳打开并与钻孔壁固定，同时主测试传感系统向下伸出直至预定位置，测量地下水流向、流速并完成水样采集工作。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：本申请适用于地质工程勘查技术领域，能够快速、精确测量地下水流向、流速，并且辅助完成水样采集工作，可以广泛应用于岩溶地区地下水渗流探测，具有集成化高、操作简便的优点。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪在闭合状态下的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪在张开状态下的结构示意图。
附图标记说明：
11为磁铁、12为水样存储仓、13为水样存储仓进水口、14为陀螺仪、15为稳流器、16为流速测量桨叶、17为转速传感器；
21为保护上壳、22为活动下壳、23为卡固齿纹、24为支撑弹簧、25为牵引滑块、26为牵引绳；
31为传动杆、32为传动杆末端凸起、33为传动球绞、34为电磁铁、35为固定杆、36为固定转轴、37为电机、38为传动齿轮。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1、图2所示，一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪，包括主测试传感系统、保护支撑外壳系统和传动系统；其中，主测试传感系统用于测量地下水流向、流速，并且辅助完成水样采集工作；保护支撑外壳系统用于在钻孔下放过程中保护其内部的主测试传感系统不受损坏，如图1所示，并在到达预定测试位置后用于将整个测试仪固定在钻孔内，如图2所示；传动系统用于主测试传感系统的传动控制。
进一步，主测试传感系统包括主测试传感系统仓、磁铁11、水样存储仓12、陀螺仪14、稳流器15、流速测量桨叶16、转速传感器17；保护支撑外壳系统包括保护支撑外壳、支撑弹簧24、牵引滑块25、两根牵引绳26，保护支撑外壳包括保护上壳21和两片活动下壳22；传动系统包括传动杆31、传动球绞33、电磁铁34、固定杆35、固定转轴36、两个电机37及四个传动齿轮38。
在主测试传感系统中，磁铁11、水样存储仓12、陀螺仪14、转速传感器17均位于主测试传感系统仓内，且磁铁11及水样存储仓12位于主测试传感系统仓的前端，同时水样存储仓12的前端留有可开关的水样存储仓进水口13；稳流器15位于主测试传感系统仓的后部；流速测量桨叶16位于主测试传感系统仓的尾端，并与转速传感器17连接，通过转速传感器17采集流速测量桨叶16的转速。
在保护支撑外壳系统中，两片活动下壳22相对设置，保护上壳21的下端分别与两片活动下壳22的上端铰接，共同构成保护支撑外壳，两片活动下壳22均可以沿铰接处转动以闭合或张开；支撑弹簧24的两端分别与两片活动下壳22的内壁固定连接，当两片活动下壳22处于闭合状态时，支撑弹簧24受压变形；两片活动下壳22的下部外侧均设置有卡固齿纹23，当两片活动下壳22向外张开时，卡固齿纹23用于与钻孔壁固定；两片活动下壳22的下端各连接一根牵引绳26，两根牵引绳26的一端各自与一片活动下壳22的下端连接，两根牵引绳26的另一端均与牵引滑块25连接，用于牵引两片活动下壳22使之闭合；牵引滑块25套设在传动杆31上，并可以沿传动杆31上下滑动，传动杆31的末端设置有传动杆末端凸起32，传动杆末端凸起32位于牵引滑块25下方，当传动杆31移动到最顶端时，牵引滑块25被传动杆末端凸起32处卡住。
在传动系统中，传动杆31从保护支撑外壳的中心穿过，两个电机37和四个传动齿轮38分别左右对称设置于保护支撑外壳的保护上壳21的内部，传动杆31上设置有齿纹，四个传动齿轮38分别两两对称设置在传动杆31的左右两侧，并通过所述齿纹与传动杆31啮合，一个电机37连接两个传动齿轮38，两个电机37转动带动四个传动齿轮38转动，从而带动传动杆31上下移动；固定杆35的顶端通过传动球绞33与传动杆31的末端连接，并使固定杆35可以沿水平方向旋转；同时固定杆35的末端与主测试传感系统之间通过固定转轴36连接，使主测试传感系统可以沿固定杆35竖直方向旋转；同时，固定杆35的顶端设置有电磁铁34，电磁铁31通过电缆与外接电源连接，在通电状态下可以与主测试传感系统上的磁铁11相互吸引，使主测试传感系统保持竖直。
在优选的实施方式中，可以在传动杆31中开设贯通的穿线孔，用于穿设电缆，通过所述电缆连接电磁铁34及外接电源，通过控制外接电源的开关为电磁铁34通电或断电。
本申请提供的岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪，其工作方式如下：
首先对主测试传感系统进行通电，并开启传动系统上的电磁铁34，使其与主测试传感系统上的磁铁11相互吸引，使主测试传感系统保持垂直；将整个测试仪通过螺纹或螺栓连接到钻杆上，放入勘探钻孔；待整个测试仪到达预定测试位置后，启动传动系统中的电机37转动带动四个传动齿轮38转动，从而带动传动杆31以及主测试传感系统向下移动；在传动杆31向下移动的同时，牵引滑块25在重力作用下产生向下移动，并使牵引绳26拉力解除，两片活动下壳22在支撑弹簧24弹力的作用下沿铰接处发生向外旋转，使得两片活动下壳22张开，直至卡固齿纹23与钻孔壁固定接触并卡紧，从而使整个保护支撑外壳与钻孔壁固定；随着传动杆31继续向下移动，牵引滑块25与传动杆末端凸起32脱离，两片活动下壳22保持张开状态，直至主测试传感系统到达预定测试位置。
主测试传感系统到达预定测试位置后，关闭传动系统上的电磁铁34，使其与主测试传感系统上的磁铁11不再相互吸引；此时，稳流器15受水流作用影响，带动主测试传感系统可沿固定转轴36做垂直旋转，同时带动固定杆31可沿传动球绞33做水平旋转；待主测试传感系统稳定后，通过陀螺仪14可以获得地下水流向。
待主测试传感系统稳定后，地下水流带动流速测量桨叶16旋转，通过与流速测量桨叶16直接连接的转速传感器17获得流速测量桨叶16的转速，根据流速与桨叶转速相关关系可以换算得到地下水流速，换算公式如下：
V＝(Kn+C)I
式中：V——地下水流速(m/s)
n——流速测量桨叶转速率，等于流速测量桨叶总转数N与相应测速历时T之比，即n＝(l/s)
K——水力螺距，单位是m；
C——常数，单位是m/s；
I——主测试传感系统仓干扰系数，该干扰系数通过对主测试传感系统进行标定得到，为常数，主测试传感系统的标定在本领域属于公知技术，此处不再赘述。
待地下水流速、流向测试完成后，开启水样存储仓进水口13，使地下水流入水样储存仓12，完成水样采集后关闭水样存储仓进水口13。
待地下水流速、流向测试及水样采集完成后，开启传动系统上的电磁铁34，使其与主测试传感系统上的磁铁11相互吸引，使主测试传感系统恢复垂直状态；启动传动系统中的电机37转动带动四个传动齿轮38转动，从而带动传动杆31以及主测试传感系统向上移动；在传动杆31向上移动至一定高度时，牵引滑块25与传动杆末端凸起32卡住，并随传动杆31一同向上移动，并逐渐对牵引绳26施加拉力，两片活动下壳22在牵引绳26的拉动下沿铰接处发生向内旋转，卡固齿纹23与钻孔壁脱离，支撑弹簧24恢复受压变形；继续提升传动杆31直至两片活动下壳22完全闭合，此时主测试传感系统进入保护支撑外壳内部。
最后，通过提升钻杆将整个测试仪提出勘探钻孔。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (3)

1.一种岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪，其特征在于：包括主测试传感系统、保护支撑外壳系统和传动系统；
主测试传感系统设置在保护支撑外壳系统中，并通过传动系统与保护支撑外壳系统连接；传动系统用于控制主测试传感系统上下传动；保护支撑外壳系统用于在钻孔下放过程中保护其内部的主测试传感系统不受损坏，并在主测试传感系统到达预定测试位置后用于将整个测试仪固定在钻孔内；主测试传感系统用于测量地下水流向、流速，并且辅助完成水样采集工作。
2.根据权利要求1所述的岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪，其特征在于：主测试传感系统包括主测试传感系统仓、磁铁(11)、水样存储仓(12)、陀螺仪(14)、稳流器(15)、流速测量桨叶(16)、转速传感器(17)；保护支撑外壳系统包括保护支撑外壳、支撑弹簧(24)、牵引滑块(25)、两根牵引绳(26)，保护支撑外壳包括保护上壳(21)和两片活动下壳(22)；传动系统包括传动杆(31)、传动球绞(33)、电磁铁(34)、固定杆(35)、固定转轴(36)、电机(37)及传动齿轮(38)；
磁铁(11)、水样存储仓(12)、陀螺仪(14)、转速传感器(17)均位于主测试传感系统仓内，且磁铁(11)及水样存储仓(12)位于主测试传感系统仓的前端，同时水样存储仓(12)的前端留有可开关的水样存储仓进水口(13)；稳流器(15)位于主测试传感系统仓的后部；流速测量桨叶(16)位于主测试传感系统仓的尾端，并与转速传感器(17)连接；
两片活动下壳(22)相对设置，保护上壳(21)的下端分别与两片活动下壳(22)的上端铰接，共同构成保护支撑外壳，并使两片活动下壳(22)沿各自的铰接处转动以闭合或张开；支撑弹簧(24)的两端分别与两片活动下壳(22)的内壁固定连接，当两片活动下壳(22)处于闭合状态时，支撑弹簧(24)受压变形；两片活动下壳(22)的外侧下部均设置有卡固齿纹(23)，当两片活动下壳(22)向外张开时，卡固齿纹(23)用于与钻孔壁固定；两片活动下壳(22)的下端各自连接一根牵引绳(26)，两根牵引绳(26)一端各自与一片活动下壳(22)下端连接，两根牵引绳(26)的另一端均与牵引滑块(25)连接，用于牵引两片活动下壳(22)使之闭合；牵引滑块(25)可上下活动地套设于传动杆(31)上，传动杆(31)的末端设置有传动杆末端凸起(32)，传动杆末端凸起(32)位于牵引滑块(25)下方并对其进行限位；
传动杆(31)从保护支撑外壳的中心穿过，且传动杆(31)的左右两侧分别设置有齿纹，传动齿轮(38)两两对称设置在传动杆(31)的左右两侧，并通过所述齿纹与传动杆(31)啮合，同时传动齿轮(38)与电机(37)连接，通过电机(37)转动带动传动齿轮(38)转动，从而带动传动杆(31)上下移动；固定杆(35)的顶端通过传动球绞(33)与传动杆(31)的末端连接，并使固定杆(35)可沿水平方向旋转；同时固定杆(35)的末端与主测试传感系统之间通过固定转轴(36)连接，并使主测试传感系统可沿竖直方向旋转；同时固定杆(35)的顶端设置有电磁铁(34)，电磁铁(34)与外接电源连接，在通电状态下与主测试传感系统上的磁铁(11)相互吸引，使主测试传感系统保持竖直。
3.根据权利要求2所述的岩溶孔洞钻孔内地下水流向、流速、采样测试仪，其特征在于：传动杆(31)中开设有上下贯通的穿线孔，穿线孔中穿设有电缆，通过电缆将电磁铁(34)与外接电源连接。
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