CN111487175A

CN111487175A - 渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构

Info

Publication number: CN111487175A
Application number: CN202010369681.4A
Authority: CN
Inventors: 么红超; 张发旺; 张晓辉; 李敏巍; 韩占涛; 王美平
Original assignee: Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS
Current assignee: Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2040-05-05
Also published as: CN111487175B

Abstract

一种渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，具有探头测量装置，探头测量装置具有不锈钢套管，不锈钢套管的外壁固定安装有稳流装置，稳流装置具有固定在不锈钢套管的外壁后部的一对稳流板即第一稳流板和第二稳流板、固定在不锈钢套管的外壁前部的另一对稳流板即第三稳流板和第四稳流板，第一、二、三、四稳流板与不锈钢套管的外壁之间皆形成兜水区域，在兜水区域内第一二、三、四稳流板的侧壁皆具有对水流产生阻力的多个凸起。测量时探头测量装置进入观测井中，本发明使得上、下压力传感器附近周围的水流能够短时间趋于静止状态，使得上、下压力传感器的测定值准确性提高，测量精度提高；节约了检测时间，提高了测量效率。

Description

渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构

技术领域

本发明涉及一种渗透系数原位测量系统，具体是一种渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，属于水文地质勘察含水层渗透系数测量装置，应用在水文地质、工程地质等领域。

背景技术

确定岩（土）体的渗透系数是水利水电等工程勘察的重要任务之一。它是水文地质、工程地质条件分析、（水工）建筑物基础安全监测评估和地基基础处理不可缺少的定量参数。迄今为止。国内测定水文地质参数的主要手段为抽水试验法，其它还有注水试验法、水位恢复法等。

国外对钻孔水文地质测试方法的研究比较普遍，方法较多，尤其是在工程应用中，由于往往需要了解的参数代表性范围及精度不同于水资源评价，一般希望通过简易、快速的现场试验获取岩（土）体的水文地质参数，其中以瞬间在钻孔中抽（注）水的快速微水试验法测量渗透系数应用较为广泛。该试验方法是通过测量井内瞬时微小水量的增加（或减少）而引起测量井水位随时间的变化以确定含水层渗透系数参数的一种方法。其测量装置包括数据采集系统、传感器以及水泵等。参数测量时，利用水泵在测量井中瞬时抽（注）一定量的水体，使井水位突然上升或下降，通过传感器和数据采集系统记录井中水位上升或下降的变化过程，结合测量地点的其他地质数据和测量井的数据，计算得到测量井的渗透系数。该抽（注）水测量方法的主要缺点是，要求很高的水文地质边界条件，试验规程复杂，费时费力，试验成本高，精度低。尤其是身后覆盖层钻孔内低水位、高涌水量情况下常规抽（注）水设备往往难以满足要求，实际应用非常困难。

测定岩体材料的渗透系数可以通过室内试验和现场原位试验。由于室内试验中不仅取样容易扰动原样结构，试验工作量大，而且测试结果离散性也将会很大，使实验结果不能准确的反应岩体松动圈的渗透性变化。现场原位试验特别是基于瞬态压力脉冲原位试验，因其结果具有良好的代表性、准确性以及测量速度快而被优先采用。系统庞大的测试设备不易应用，因此这种测试空间小、测试深度浅的岩体类材料渗透性原位测量就对原位渗透系数测量系统提出了新的要求。

渗透系数原位测量系统是配合抽水泵使用的渗透系数原位智能测量系统（装置），所述渗透系数原位测量系统具有位于地面的自动放线装置、位于观测井中的探头测量装置、连接线缆。所述探头测量装置具有上压力传感器、下压力传感器、不锈钢套管。上压力传感器与下压力传感器在观测井中测得连续水压变化进而测出井中水位变化。自动放线装置根据所测得的水压变化经线缆长度测量器放出一定长度，达到连续测量的目的。PLC可编程控制器、计算机测量计时，线缆长度测量器与测量计时作用测得水位下降深度与降深时间的关系，最后经过数据处理完成测量计算含水层渗透系数（经数据处理可直接测得含水层渗透系数）。此测量系统的弊端是测量时探头测量装置进入观测井中，上压力传感器、下压力传感器附近周围的水流不易短时间趋于静止状态，这样上、下压力传感器的测定值准确性差，影响到最终的测量精度。同时，检测（测量）时间长，测量效率低。

发明人检索到以下相关专利文献：CN106644890A（或CN206431025U）公开了一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，包括供水箱、水泵、电控阀、计算机、压力传感器、温度传感器、压力水管和用来装填土样的试样管，压力水管上端通过进水管与供水箱连通，压力水管下端通过出水管连通在试样管下端，水泵安装在进水管上，电控阀和压力传感器安装在出水管上；压力传感器和温度传感器将检测的压力和温度传输给计算机，计算机控制水泵和电控阀启闭。CN104110253A公开了一种便携式防卡手自一体水位测试仪，具有线锤、绕线盘、测线、支架、测线分配器、测线计数采集器、第一电机、第一电机驱动模块、第二电机、第二电机驱动模块、PLC可编程控制器、编码器、触摸屏、电刷、24V直流电源。线锤由一个塑料软管和铁粉构成，测线的前端部与塑料软管固定连接。缠绕在绕线盘的卷筒上的测线通过其尾端与电刷电连接而和PLC可编程控制器相连接，编码器的信号输出端与PLC可编程控制器的输入端相连接，PLC可编程控制器的输出端分别与第一、二电机驱动模块的输入端相连接，第一、二电机驱动模块的输出端与第一、二电机电连接。

以上这些技术对于本发明如何提供一种将上压力传感器、下压力传感器附近周围的水流能够短时间趋于静止状态，使得上、下压力传感器的测定值准确性高，最终的测量精度提高，并未给出具体的指导方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，测量时探头测量装置进入观测井中，稳流结构使得上压力传感器、下压力传感器附近周围的水流能够短时间趋于静止状态，使得上、下压力传感器的测定值准确性提高，最终的测量精度提高；同时，能节约检测（测量）时间，提高测量效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构（或者说是渗透系数原位测量系统用的探头测量装置中的稳流结构，稳流机构），具有探头测量装置，探头测量装置具有不锈钢套管，其技术方案在于上述不锈钢套管呈圆柱体形，不锈钢套管的外壁（外侧壁）固定安装有稳流装置，稳流装置具有固定在不锈钢套管的外壁后部的一对稳流板即第一稳流板和第二稳流板、固定在不锈钢套管的外壁前部的另一对稳流板即第三稳流板和第四稳流板，第一稳流板、第二稳流板、第三稳流板、第四稳流板为相同的曲面形状且皆呈纵向设置，第一稳流板的左侧边（左侧端）与不锈钢套管的外壁固定连接（可以是焊接），第二稳流板的右侧边（右侧端）与不锈钢套管的外壁固定连接（可以是焊接），第一稳流板、第二稳流板呈相对设置，第一稳流板的右侧边（右侧端）、第二稳流板的左侧边（左侧端）皆向后倾斜且第一稳流板的右侧边与第二稳流板的左侧边的距离H″=（0.25~0.35）×D, D为不锈钢套管的外径尺寸；第三稳流板的左侧边（左侧端）与不锈钢套管的外壁固定连接（可以是焊接），第四稳流板的右侧边（右侧端）与不锈钢套管的外壁固定连接（可以是焊接），第三稳流板、第四稳流板呈相对设置，第三稳流板的右侧边（右侧端）、第四稳流板的左侧边（左侧端）皆向前倾斜且第三稳流板的右侧边与第四稳流板的左侧边的距离H′=（0.25~0.35）×D；第一稳流板的左侧边与第三稳流板的左侧边的距离（水平方向距离、间距）为（0.5~0.7）×D，第二稳流板的右侧边与第四稳流板的右侧边的距离（水平方向距离、间距）为（0.5~0.7）×D；第一稳流板、第二稳流板、第三稳流板、第四稳流板与不锈钢套管的外壁之间皆形成兜水区域，在兜水区域内第一稳流板的侧壁上、第二稳流板的侧壁上、第三稳流板的侧壁上、第四稳流板的侧壁上皆具有对水流产生阻力的多个凸起。

上述技术方案中，优选的技术方案可以是：所述第一稳流板的右侧边与第二稳流板的左侧边的距离H″=0.32×D, D为不锈钢套管的外径尺寸；第三稳流板的右侧边与第四稳流板的左侧边的距离H′=0.32×D。第一稳流板的左侧边与第三稳流板的左侧边的距离（水平方向距离、间距）为（0.55~0.6）×D，第二稳流板的右侧边与第四稳流板的右侧边的距离（水平方向距离、间距）为（0.55~0.6）×D。上述不锈钢套管的外径最好为25~30毫米，不锈钢套管的壁厚最好为3~3.5毫米，不锈钢套管的高度（纵向长度）最好为150~170毫米。上述第一稳流板的高度（纵向长度）、第二稳流板的高度（纵向长度）、第三稳流板的高度（纵向长度）、第四稳流板的高度（纵向长度）最好皆与不锈钢套管的高度相同（相等）。每个上述凸起最好皆为球冠状凸起（或者皆为凸曲面状凸起）。每个上述凸起的高度即每个凸起的顶端与其底端的距离皆为0.5~0.8毫米，每个凸起在该凸起所在的稳流板（即第一至第四稳流板其中一个稳流板）的侧壁（内壁）表面上的投影面积皆为1~3.2mm²，凸起的分布密度为所有凸起在四个稳流板即第一至第四稳流板的侧壁表面上的（几何）投影面积之和与所述四个稳流板表面积之比为40%~45%。所述四个稳流板表面积是指四个稳流板表面积之和。本发明的稳流结构是在不锈钢套管的外壁（外侧壁）固定安装有稳流装置，稳流装置中的（四个）所述兜水区域容易使上压力传感器、下压力传感器附近周围的水流在探头测量装置进入观测井中后短时间趋于静止状态；同时，所述（四个稳流板上的）多个凸起皆对水流产生阻力，也容易使上、下压力传感器附近周围的水流趋于静止状态，水流更加稳定，这样上、下压力传感器的测定值更准确。经试验，与已有相关的测量装置相比，本发明设置稳流装置后测量精度提高了18%以上，测量精度更高，本发明还节约了测量（检测）的时间和人力，节约检测时间在20%以上，提高了测量效率，测量效率提高了20%以上。

综上所述，本发明提供了一种渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，测量时探头测量装置进入观测井中，稳流结构使得上压力传感器、下压力传感器附近周围的水流能够短时间趋于静止状态，使得上、下压力传感器的测定值准确性提高，最终的测量精度提高；同时，节约了检测（测量）时间，提高了测量效率。

附图说明

图1为本发明的探头测量装置在使用时的结构示意图（立体图）。

图2为本发明的探头测量装置的结构示意图（俯视图）。

图3为本发明的探头测量装置的结构示意图（纵剖面图）。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1、图2、图3所示，本发明的渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构具有探头测量装置2，探头测量装置具有不锈钢套管203，其技术方案在于上述不锈钢套管203呈圆柱体形，不锈钢套管203的外壁（外侧壁）固定安装有稳流装置4。稳流装置4具有固定在不锈钢套管203的外壁后部的一对稳流板即第一稳流板401和第二稳流板401′、固定在不锈钢套管203的外壁前部的另一对稳流板即第三稳流板402和第四稳流板402′。第一稳流板401、第二稳流板401′、第三稳流板402、第四稳流板402′为相同的曲面形状且皆呈纵向设置，第一稳流板401的左侧边（左侧端）与不锈钢套管203的外壁固定连接（可以是焊接），第二稳流板401′的右侧边（右侧端）与不锈钢套管203的外壁固定连接（可以是焊接）。第一稳流板401、第二稳流板401′呈相对设置，第一稳流板401的右侧边（右侧端）、第二稳流板401′的左侧边（左侧端）皆向后倾斜且第一稳流板401的右侧边与第二稳流板401′的左侧边的距离H″=（0.25~0.35）×D, D为不锈钢套管203的外径尺寸。第三稳流板402的左侧边（左侧端）与不锈钢套管203的外壁固定连接（可以是焊接），第四稳流板402′的右侧边（右侧端）与不锈钢套管203的外壁固定连接（可以是焊接），第三稳流板402、第四稳流板402′呈相对设置。第三稳流板402的右侧边（右侧端）、第四稳流板402′的左侧边（左侧端）皆向前倾斜且第三稳流板402的右侧边与第四稳流板402′的左侧边的距离H′=（0.25~0.35）×D，D为不锈钢套管203的外径尺寸。第一稳流板401、第二稳流板401′、第三稳流板402、第四稳流板402′与不锈钢套管203的外壁之间皆形成兜水区域400，在兜水区域内第一稳流板401的侧壁上、第二稳流板401′的侧壁上、第三稳流板402的侧壁上、第四稳流板402′的侧壁上皆具有对水流产生阻力的多个凸起403。每个上述凸起403最好皆为球冠状或者皆为凸曲面状。每个上述凸起403的高度即每个凸起的顶端与其底端的距离皆为0.8毫米，每个凸起在该凸起所在的稳流板（即第一至第四稳流板其中一个稳流板）的侧壁表面上的投影面积皆为2.54mm²（或者投影面积皆为2.0mm²），凸起的分布密度为所有凸起在四个稳流板即第一至第四稳流板的侧壁表面上的投影面积之和与所述四个稳流板表面积之比为42%。所述四个稳流板表面积是指四个稳流板表面积之和。

如图1、图2、图3所示，所述第一稳流板401的右侧边与第二稳流板401′的左侧边的距离H″=0.32×D, D为不锈钢套管203的外径尺寸。第三稳流板402的右侧边与第四稳流板402′的左侧边的距离H′=0.32×D。第一稳流板401的左侧边与第三稳流板402的左侧边的距离为0.55×D或者0.6×D，第二稳流板401′的右侧边与第四稳流板402′的右侧边的距离为0.55×D或者0.6×D。上述不锈钢套管203的外径为30毫米（D=30毫米，还可选用25毫米、26毫米、28毫米），不锈钢套管203的壁厚最好为3~3.5毫米（可选用3毫米），不锈钢套管203的高度最好为150~170毫米（可选用150毫米、160毫米、170毫米）。上述第一稳流板401的高度、第二稳流板401′的高度、第三稳流板402的高度、第四稳流板402′的高度皆与不锈钢套管203的高度相同。第一稳流板401、第二稳流板401′、第三稳流板402、第四稳流板402′呈前后、左右对称结构。本发明设置了稳流装置4，稳流装置中的（四个）所述兜水区域400容易使上压力传感器201、下压力传感器202附近周围的水流趋于静止状态；同时，所述（四个稳流板上的）多个凸起403皆对水流产生阻力，也容易使上、下压力传感器附近周围的水流趋于静止状态，水流更加稳定，这样上、下压力传感器的测定值更准确。经试验，与已有相关的测量装置相比，本发明设置稳流装置4后测量精度提高了18%以上，测量精度更高，本发明还节约了测量的时间和人力（节约检测时间在20%以上），提高了测量效率（测量效率提高了20%以上）。上述不锈钢套管203可以由钢管（不锈钢钢管）制成。各稳流板、凸起可以由薄钢板制成（凸起可以采用冲压加工而成），也可以由塑料、有机玻璃等制成。凸起还可以由橡胶制成。稳流板与凸起的连接可以是焊接（都是薄钢板时）或者粘连接或者其它连接方式。

如图1、图2、图3所示，图1中附图标记A为抽水泵，B为输水管，C为观测井。渗透系数原位测量系统是配合抽水泵A使用的渗透系数原位智能测量系统（装置），所述渗透系数原位测量系统具有位于地面的自动放线装置1、位于观测井中的探头测量装置2、连接线缆3。所述探头测量装置2具有上压力传感器201、下压力传感器202、不锈钢套管203。所述不锈钢套管203的顶部内壁和底部内壁分别固定安装所述上压力传感器201和下压力传感器202，即上压力传感器201的壳体和下压力传感器202的壳体分别与不锈钢套管203的顶部内壁和底部内壁焊接而安置于不锈钢套管203中，上压力传感器201的中心部位具有线缆穿入孔204，连接线缆3的前部通过所述线缆穿入孔204在不锈钢套管内分别与上压力传感器201、下压力传感器202电连接。连接线缆3与所述线缆穿入孔204处设有密封体204′。上述上压力传感器201、下压力传感器202为相同尺寸的圆柱体形，上压力传感器201的顶端与不锈钢套管203的顶端相齐，下压力传感器202的底端与不锈钢套管203的底端相齐。上述密封体204′为一个橡胶套。上述连接线缆3的外面通过起密封保护作用的软塑胶管包裹，即连接线缆套装在软塑胶管内，所述软塑胶管带有长度刻度。上述连接线缆3的外面通过起密封保护作用的软塑胶管包裹，即连接线缆套装在软塑胶管内，连接线缆3上套装的软塑胶管与所述线缆穿入孔204处的密封体204′为一个橡胶套。渗透系数原位测量系统具有自动放线装置、连接线缆、位于观测井中的探头测量装置，所述探头测量装置具有上压力传感器、下压力传感器、不锈钢套管。所述不锈钢套管的顶部内壁和底部内壁分别固定安装所述上压力传感器和下压力传感器，即上压力传感器的壳体和下压力传感器的壳体分别与不锈钢套管的顶部内壁和底部内壁焊接而安置于不锈钢套管中，上压力传感器的中心部位具有线缆穿入孔，连接线缆的前部通过所述线缆穿入孔在不锈钢套管内分别与上压力传感器、下压力传感器电连接；连接线缆与所述线缆穿入孔处设有密封体。上述连接线缆绕过线缆长度测量器的从动绕线滚筒、绕线器的主动绕线滚筒且连接线缆的尾端通过滑环与PLC可编程控制器相连接，使得上压力传感器与下压力传感器与PLC可编程控制器相连接。上压力传感器与下压力传感器在观测井中测得连续水压变化进而测出井中水位变化；自动放线装置根据所测得的水压变化经线缆长度测量器放出一定长度，达到连续测量的目的。PLC可编程控制器、计算机测量计时，线缆长度测量器与测量计时作用测得水位下降深度与降深时间的关系，最后经过数据处理完成测量计算含水层渗透系数（经数据处理可直接测得含水层渗透系数）。工作时，观测井中水位随着抽水的进程逐渐下降，探头测量装置（探头）中的上、下压力传感器随水位下降而示数减小，压力示数与管径及井内液体密度有关。在进行抽水前输入井径值、井中水的密度值，将探头测量装置放置于水中，根据压力示数可得初始水位高度。抽水泵开始工作，水位在抽取一段时间后开始下降，压力示数开始变化，数据收集系统（计算机、PLC可编程控制器）记录压力示数随时间的变化值，根据压力与水位的关系可以得到抽水过程中水位降深与时间的关系，进而根据水文地质的相关公式可以测得该区域岩土体的渗透系数值。在此过程中当上压力传感器示数接近初始值时，表明水位即将低于探头位置，因此需要将探头放置较深位置，保持探头位置始终低于水位高度。

本发明的稳流结构使得上、下压力传感器附近周围的水流能够短时间趋于静止状态，使得上、下压力传感器的测定值准确性提高，测量精度提高；节约了检测时间，提高了测量效率。经试验，与已有相关的测量装置相比，本发明设置稳流装置后测量精度提高了18%以上，测量精度更高，本发明还节约了测量（检测）的时间和人力，节约检测时间在20%以上，提高了测量效率，测量效率提高了20%以上。

Claims

1.一种渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，具有探头测量装置（2），探头测量装置具有不锈钢套管（203），其特征在于上述不锈钢套管（203）呈圆柱体形，不锈钢套管（203）的外壁固定安装有稳流装置（4），稳流装置（4）具有固定在不锈钢套管（203）的外壁后部的一对稳流板即第一稳流板（401）和第二稳流板（401′）、固定在不锈钢套管（203）的外壁前部的另一对稳流板即第三稳流板（402）和第四稳流板（402′），第一稳流板（401）、第二稳流板（401′）、第三稳流板（402）、第四稳流板（402′）为相同的曲面形状且皆呈纵向设置，第一稳流板（401）的左侧边与不锈钢套管（203）的外壁固定连接，第二稳流板（401′）的右侧边与不锈钢套管（203）的外壁固定连接，第一稳流板（401）、第二稳流板（401′）呈相对设置，第一稳流板（401）的右侧边、第二稳流板（401′）的左侧边皆向后倾斜且第一稳流板（401）的右侧边与第二稳流板（401′）的左侧边的距离H″=（0.25~0.35）×D, D为不锈钢套管（203）的外径尺寸；第三稳流板（402）的左侧边与不锈钢套管（203）的外壁固定连接，第四稳流板（402′）的右侧边与不锈钢套管（203）的外壁固定连接，第三稳流板（402）、第四稳流板（402′）呈相对设置，第三稳流板（402）的右侧边、第四稳流板（402′）的左侧边皆向前倾斜且第三稳流板（402）的右侧边与第四稳流板（402′）的左侧边的距离H′=（0.25~0.35）×D；第一稳流板（401）的左侧边与第三稳流板（402）的左侧边的距离为（0.5~0.7）×D，第二稳流板（401′）的右侧边与第四稳流板（402′）的右侧边的距离为（0.5~0.7）×D；第一稳流板（401）、第二稳流板（401′）、第三稳流板（402）、第四稳流板（402′）与不锈钢套管（203）的外壁之间皆形成兜水区域（400），在兜水区域内第一稳流板（401）的侧壁上、第二稳流板（401′）的侧壁上、第三稳流板（402）的侧壁上、第四稳流板（402′）的侧壁上皆具有对水流产生阻力的多个凸起（403）。

2.根据权利要求1所述的渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，其特征在于上述第一稳流板（401）的右侧边与第二稳流板（401′）的左侧边的距离H″=0.32×D, D为不锈钢套管（203）的外径尺寸；第三稳流板（402）的右侧边与第四稳流板（402′）的左侧边的距离H′=0.32×D；第一稳流板（401）的左侧边与第三稳流板（402）的左侧边的距离为（0.55~0.6）×D，第二稳流板（401′）的右侧边与第四稳流板（402′）的右侧边的距离为（0.55~0.6）×D。

3.根据权利要求1或2所述的渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，其特征在于上述不锈钢套管（203）的外径为25~30毫米，不锈钢套管（203）的壁厚为3~3.5毫米，不锈钢套管（203）的高度为150~170毫米。

4.根据权利要求1或2所述的渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，其特征在于上述第一稳流板（401）的高度、第二稳流板（401′）的高度、第三稳流板（402）的高度、第四稳流板（402′）的高度皆与不锈钢套管（203）的高度相同。

5.根据权利要求1或2所述的渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，其特征在于每个上述凸起（403）皆为球冠状凸起。

6.根据权利要求1或2所述的渗透系数原位测量系统中的探头测量装置用的稳流结构，其特征在于每个上述凸起（403）的高度即每个凸起的顶端与其底端的距离皆为0.5~0.8毫米，每个凸起在该凸起所在的稳流板的侧壁表面上的投影面积皆为1~3.2mm²，凸起的分布密度为所有凸起在四个稳流板即第一至第四稳流板的侧壁表面上的投影面积之和与所述四个稳流板表面积之比为40%~45%。