一種單井地下水滲流流速流向測(cè)量方法及測(cè)量?jī)x的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種滑坡勘測(cè)中的單井地下水滲流流速流向測(cè)量方法及測(cè)量?jī)x，屬于 地質(zhì)勘探技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 滑坡是一種全球范圍內(nèi)危害嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，在滑坡的勘測(cè)與監(jiān)測(cè)工程中，由于 自然或人類活動(dòng)引起的水文環(huán)境變化形成的地下水滲流對(duì)滑坡巖土體的穩(wěn)定性具有重要 影響。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下水滲流活動(dòng)與巖土體災(zāi)害之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，必須精準(zhǔn)地測(cè)定滑坡 研究區(qū)域內(nèi)地下水的活動(dòng)情況，為相關(guān)工程人員提供數(shù)據(jù)支撐。
[0003] 地下水的流速流向的測(cè)定方法發(fā)展到現(xiàn)在有很多種類，主要可以分為間接法和直 接法。間接抽水實(shí)驗(yàn)法通過三角形鉆孔法繪得等水位線圖，間接算得滲流流速流向，但結(jié)果 可靠性和代表性差，操作復(fù)雜，尤其在含水層大埋深時(shí)更難實(shí)施，主要應(yīng)用在水文地質(zhì)勘測(cè) 中。間接示蹤法通過監(jiān)測(cè)隨滲流運(yùn)動(dòng)的人工示蹤劑可以達(dá)到測(cè)定流速流向的目的，但是放 射性示蹤劑種類少且每次使用前都需重新檢驗(yàn)其是否適用，故存在一定的局限性。此外還 存在一些化學(xué)法、比色法等單井測(cè)量方法，但測(cè)量結(jié)果需要修正、操作復(fù)雜。
[0004] 國(guó)外較著名的巖土工程監(jiān)測(cè)儀器廠家在滲流流速流向測(cè)量方面建樹鮮見，主要以 示蹤探頭為主，而且相關(guān)探頭造價(jià)昂貴，推廣使用受到限制。國(guó)內(nèi)已有的一些專利如以同位 素（專利85107160)、溫度（專利101782591)、顏料、純水、鹽為示蹤劑或者借助聲吶（專利 102445307)的單井地下水流速流向探測(cè)方法及裝置、單井地下水流速流向及水庫(kù)滲漏點(diǎn)測(cè) 量方法及其測(cè)量裝置等專利結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不方便。因此，研究和設(shè)計(jì)一款體積小巧、結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、功耗較低、操作方便、性能可靠的地下滲流流速流向的測(cè)量?jī)x器，既為滑坡勘測(cè)與監(jiān) 測(cè)工程必需，也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)目前地下水滲流探測(cè)成本高、方法復(fù)雜或污染環(huán)境的問題， 提供一種可以放置到鉆孔中某一深度處，可不受鉆孔傾斜度影響、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水滲流流 速和流向情況的測(cè)量方法和相應(yīng)測(cè)量?jī)x器。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種單井地下水滲流流速流向測(cè)量方法， 包括如下步驟：
[0007] (1)將細(xì)桿、圓盤和擺球順序連接形成擺錘，將擺錘的頂端與支撐裝置活動(dòng)連接使 得擺錘可自由擺動(dòng)，在支撐裝置上安裝3個(gè)以上壓力傳感器，各壓力傳感器處于同一平面上 并且沿同一圓周均布，調(diào)整壓力傳感器或圓盤位置，使得圓盤位于各壓力傳感器所在平面 上并且各壓力傳感器所圍區(qū)域與圓盤間隙配合，隨后將支撐裝置置于地下水水流中；
[0008] (2)測(cè)量擺錘圓盤與水平面的傾斜角Θ、擺錘的方位角和各壓力傳感器的方位角， 接收各壓力傳感器的壓力信號(hào)并計(jì)算壓力傳感器的合力矢量Fi，計(jì)算擺錘的重力在各壓力 傳感器所在平面上的分力矢量F2,計(jì)算公式為F2=mg*sin0，其中m為擺錘的質(zhì)量，g為重力加 速度，將合力矢量Fi與分力矢量F2合成得到合力矢量F3,通過擺錘的方位角和各壓力傳感器 的方位角得到合力矢量F3的方位角，合力矢量F3的方向的反方向即為地下水滲流流向； [000 9] (3)通過合力矢量F3計(jì)算地下水滲流流速v，計(jì)算公式為：
[0010]
[0011] 其中，4為已知的地下水總阻力系數(shù)，A為擺球的最大橫截面積。
[0012] 步驟(1)中沿豎直方向開挖測(cè)試井，在測(cè)試井的井壁上鋪設(shè)反濾層，將支撐裝置置 于測(cè)試井的地下水水流中。
[0013] 步驟(1)中在支撐裝置上安裝3個(gè)壓力傳感器。
[0014] 本發(fā)明還對(duì)應(yīng)提供了用于上述測(cè)量方法的測(cè)量?jī)x，包括控制器和滲流探測(cè)器，所 述滲流探測(cè)器包括外殼、上隔板、測(cè)斜集成傳感器、擺錘和3個(gè)以上與控制器電性連接的壓 力傳感器，外殼內(nèi)腔通過上隔板分隔為圓柱狀的滲流腔和位于滲流腔上方的測(cè)斜腔，測(cè)斜 集成傳感器安裝于測(cè)斜腔中并且與控制器電性連接，擺錘和3個(gè)以上壓力傳感器均安裝于 滲流腔中，所述擺錘由細(xì)桿、圓盤和擺球順序連接構(gòu)成，細(xì)桿的頂端與上隔板的中心活動(dòng)連 接，滲流腔下部的腔壁中開設(shè)有2個(gè)以上與滲流腔連通的導(dǎo)流孔，擺球的位置與導(dǎo)流孔相 對(duì)，各壓力傳感器均布于滲流腔的腔壁上并且均位于圓盤所在平面上，所述圓盤的直徑小 于滲流腔的腔徑，圓盤與各壓力傳感器所在腔壁間隙配合，外殼的頂端連接有擺繩。
[0015] 所述滲流腔中設(shè)有下隔板，滲流腔的底端呈錐形，下隔板位于滲流腔的錐形端部 上，導(dǎo)流孔開設(shè)于下隔板與圓盤之間的滲流腔腔壁中。
[0016] 所述細(xì)桿的頂端與上隔板的中心通過細(xì)繩連接。
[0017] 所述導(dǎo)流孔的分布區(qū)域的高度不小于擺球的直徑。
[0018] 滲流腔中安裝有3個(gè)壓力傳感器，3個(gè)壓力傳感器沿周向均布。
[0019] 所述測(cè)斜集成傳感器包括三軸加速度計(jì)、三維電子羅盤A和三維電子羅盤B。
[0020] 測(cè)量?jī)x還包括與控制器電性連接的供電組件，供電組件包括供電電源和電源開 關(guān)，測(cè)斜集成傳感器和各壓力傳感器均通過線纜與控制器和供電組件電性連接。
[0021] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的單井地下水滲流流速流向測(cè)量方法，設(shè)置擺 錘測(cè)量地下水滲流流速流向，地下水流動(dòng)沖刷擺錘，擺錘沿水流方向擺動(dòng)并壓迫與之共面 的壓力傳感器，壓力傳感器的測(cè)值與水流流速正相關(guān);該方法中測(cè)量擺錘圓盤與水平面的 傾斜角Θ、擺錘的方位角和各壓力傳感器的方位角，滲流壓力還受到擺錘重力分量干擾合成 的力，因此測(cè)定傾斜角Θ計(jì)算擺錘重力分量(分力矢量F 2)，壓力傳感器的安裝位置已知，通 過測(cè)定其中一個(gè)壓力傳感器的方位角可推測(cè)得到其余壓力傳感器的方位角，擺錘的方位角 和各壓力傳感器的方位角用于矢量合成時(shí)確定合成矢量的方向，合力矢量F 3由合力矢量Fi 與分力矢量F2合成，其中合力矢量^反映水流作用下各壓力傳感器的檢測(cè)值以及各壓力傳 感器的方位角，分力矢量F 2反映干擾因素即擺錘的重力分量，根據(jù)牛頓第三定律，合力矢量 F3的方向的反方向即為地下水滲流流向，通過合力矢量F3的大小可獲知地下水流速；由于地 下水多夾帶泥沙等雜質(zhì)，泥沙等雜質(zhì)對(duì)擺錘產(chǎn)生沖擊，其沖擊力會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，本發(fā) 明提供的單井地下水滲流流速流向測(cè)量方法中，開挖測(cè)試井并在測(cè)試井的井壁上鋪設(shè)反濾 層，反濾層有效過濾地下水中雜質(zhì)，保證測(cè)量準(zhǔn)確性。
[0022]本發(fā)明提供的測(cè)量?jī)x主要包括三部分，其一為滲流探測(cè)器，用于測(cè)量力矢量、傾斜 角Θ和方位角，滲流探測(cè)器主體通過上隔板分隔為圓柱狀的滲流腔和位于滲流腔上方的測(cè) 斜腔，測(cè)斜腔用于安裝測(cè)斜集成傳感器，測(cè)斜集成傳感器包括用于測(cè)量?jī)x器傾角與方向角 的三軸加速度計(jì)和三維電子羅盤A，以及用于測(cè)量壓力傳感器方位角的三維電子羅盤B，滲 流腔用于安裝擺錘和壓力傳感器，擺錘活動(dòng)連接于上隔板的中心，滲流腔下部的腔壁中密 集開設(shè)與滲流腔連通的導(dǎo)流孔，導(dǎo)流孔用于地下水的流動(dòng)，由于水流的作用，擺錘底部擺球 會(huì)受到持續(xù)不斷的滲流力，該滲流力通過圓盤傳遞到相鄰的壓力傳感器上，所述測(cè)斜集成 傳感器測(cè)得儀器的傾角、方位角以及壓力傳感器的方位角后，可知此時(shí)擺錘重力分量，將各 傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)通過線纜傳遞至地面計(jì)算機(jī)，通過力的矢量計(jì)算可判斷出滲流力的大小和 方向從而間接地?fù)Q算成滲流的流速和流向；其二為控制器，用于接收測(cè)斜集成傳感器和各 壓力傳感器傳輸?shù)男盘?hào)并進(jìn)行力的合成以及對(duì)應(yīng)計(jì)算;其三為電源組件，為控制器、測(cè)斜集 成傳感器和各壓力傳感器提供電能。
[0023] 導(dǎo)流孔的分布區(qū)域的高度不小于擺球的直徑，保證進(jìn)入滲流腔中的地下水可達(dá)到 真實(shí)地下水對(duì)擺球的沖刷效果，擺錘的圓盤與各壓力傳感器共面并且圓盤與各壓力傳感器 所在腔壁間隙配合，保證擺錘傾斜時(shí)其圓盤可壓迫壓力傳感器，滲流腔的底端呈錐形，便于 整個(gè)滲流探測(cè)器下放。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0025] 1、本發(fā)明的測(cè)量方法，擺錘的擺球?qū)⑺軡B流沖擊力通過圓盤傳遞到相鄰的壓力 傳感器上，把各壓力傳感器的測(cè)值通過矢量換算后，可得到滲流的沖擊力的大小和方向，從 而間接測(cè)得滲流大小和方向；通過地下水水流沖刷擺錘形成的力矢量測(cè)量地下水流速和流 向，將地下水流速和流向的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)可直接測(cè)量的力矢量的大小和方向的測(cè)量，原理 簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，解決了現(xiàn)有的地下滲流流速流向測(cè)量步驟繁瑣的難題。
[0026] 2、本發(fā)明的測(cè)量?jī)x在鉆孔具有一定傾斜角時(shí)，可以通過測(cè)斜集成單元所測(cè)頂角計(jì) 算重力的分量，由矢量換算加以抵消，不影響其流速流向測(cè)量，故可以用于不同深度、不同 傾斜度的鉆孔中的滲流流速流向測(cè)量。
[0027] 3、本發(fā)明的測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小和功耗低，可隨時(shí)檢測(cè)地下滲流流速流 向等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，本發(fā)明利用力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)地下滲流流速流向的探測(cè)，不會(huì) 對(duì)環(huán)境造成污染，也不會(huì)