專利名稱：三維流速矢量能量與質量測量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種土木工程檢測設備，尤其是一種用于地下水流速質點運動的能量與質量檢測設備，具體地說是一種三維流速矢量能量與質量測量儀。
背景技術：
眾所周知，所有土木工程基礎的建設均涉及二個重要的影響因素，水與巖土的相互作用。前者是動態的主動的無時的不在浸蝕著地下工程建筑的基石；后者則是靜態的被動的抵抗和阻止來自前者的浸蝕與危害。要使二者達到和平相處，長治久安，必須建立一套完備有效的監測機制。本發明為此提出用能量與質量守恒原理，建立起因流速矢量場引起的建筑物質的遷移來達到實施的對地下隱蔽工程進行定量化的預測和預報。1856年法國工程師H.-P.-G.達西首次通過室內實驗提出水在巖土孔隙中滲流規律的實驗定律，從而，奠定了地下水滲流力學的理論。然而，此理論在土木工程應用中主要是以滲透系數K值出現的。傳統方法獲得此值，大部分是通過取土樣，在室內進行滲流試驗獲得樣品個體的滲透特性，卻無法取得原位狀態下的真實滲流形態，因此，重要的工程建設均要求進行現場水文地質抽水試驗。自1863年法國工程師J.Dupuit，創立的“裘布依抽水試驗理論”，150年來，已經形成法定性的，在試驗現場獲取水文地質參數，權威的工程設計依據，隨著現代土木工程建設的高速發展，此類試驗已經不能滿足生產實踐的需要。眾所周知，由于“裘布依抽水試驗理論”本身的缺陷以及對試驗操作者的要求極高。所以，造成此種試驗的數量愈來愈少。更主要的是上述試驗所獲得的僅僅是人工干擾流場下的巖土各層序綜合的物性滲透指標，即巖土孔隙體積與抽水體積的平衡量，它無法在天然流場下獲得地下水的滲流速度場與矢量場，因此，也就無法解決土木工程遇到的諸多滲流關鍵技術問題。1957年德國科學家Moser首次提出利用同位素示蹤測定含水層滲透流速的稀釋測井法。由于能在天然流場下的單井中對多含水層地下水進行滲透流速、流向及垂向流測定，因比抽水試驗費用低，容易實施，而受到各國水文地質學家的關注與使用，于是有多種見諸面世的測定地下水流速流向的裝置。最早的有接桿式定向探頭；后來有波蘭1.B.Hazza發明的P-32吸附與X膠片定向測速裝置；日本落合敏郎的三層同位素稀釋室定向測速裝置；W.Drost和Kiotz等設計的棉紗網吸附測向、活性炭吸附測向裝置；美國專利4051368、英國專利2009921和1598837介紹的中子活化測向測速裝置；德國慕尼黑水文地質實驗室
W.Drostl982年測定地下水流速流向的新式示蹤探頭；中國專利:智能化單井地下水動態參數測試儀98111509.8，還有85107160、86104175專利介紹的熱釋光和電離室同位素示蹤測量裝置等。上述發明雖達到了測量地下水流速流向的要求，但在實際應用中，它們都涉及到放射性核素物質對人體和環境的影響等缺陷與負面作用，導致許多國家與政府禁止或者在嚴格的監控下有條件的限制使用，使之無法在生產實踐中得到推廣與應用。地下水之所以能夠運動，基于二個最基本條件，之一要有主動的能量(水頭差)作用，之二被動的阻水介質要有一定的孔隙。它們為對立統一的一對技術載體。盡管測試方法各不相同，傳統抽壓水試驗是以被動方法去研究阻水介質的滲透特性，即地質構造體系的完好程度。而主動的“能量與質量滲流測量方法”，則主要揭示地下水滲流質點的運移及其在時空的能量與質量的分布大小。聲納探測器陣列能夠精細地測量出聲波在流體中能量傳遞的大小與分布，依據聲納探測器陣列測量數據的時空分布，即可解析出流速質點運動的速度與矢量的方向；電導、溫度、壓力等能夠實時地跟蹤和監測流速質點在能量的驅動下，其水流實體的礦化度、鹽份、水的容重、溫度等質量量化指標的空間分布。有了現場原位同步測量到的地下水的流速矢量以及流速矢量驅動下的水體中化學物質的增量變化，就能夠從能量與質量變化量的監控中，定量地解決一系列土木工程滲漏中急需要解決關鍵技術問題，在地下工程還沒有出現破壞性隱患之前，對其進行預測和預報，防患于未然。如水庫大壩的滲漏、江河堤壩的管涌滲漏、地下連續墻體的止水結構質量檢測、地下水溶質運移與擴散測量等等。中國專利:單井地下水流速流向及水庫滲漏點測量方法及其裝置(申請號201110295635.5)雖然給出了水流質點運動速度與矢量，但是，它還不能夠獲得巖土體在流速矢量能量的驅動下，巖土體阻水介質的物質有沒有被帶出來，這就需要在人們的肉眼還沒有看到細顆粒的物質被帶出來之前，就能夠微觀的在原子與分子結構指標上進行量化。杜絕地下工程隱患的發生，造福人類。
發明內容
本發明的目的是針對現有地下水滲流測量儀器不能及時測量和及時反應地下水的微觀性能的變化，無法及時發現滲流環境變化中的安全隱患，設計一種能根據地下水流速矢量質點的運動能量跟蹤巖土物質的質量的變化量，從而，得出相應的三維流速矢量能量與質量測量儀。本發明的技術方案是:
一種三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是它包括:
一彈性皮囊1，該彈性皮囊I的兩端各安裝有一個剛性堵頭2，所述彈性皮囊I及所述的剛性堵頭2形成一 柱形密封腔體，其中上端的剛性堵頭上設有電纜連接線進出孔，下端的剛性密封堵頭上設有用于向所述圓柱形密封腔體中注入液體的注液孔，注液孔上安裝有密封塞；
一流速矢量能量測量裝置12，它被安裝在前述的柱形密封腔體中，并通過電纜連接線與帶有GPS定位儀9的計算機8電氣連接，通過將測量所得的水流聲納送入計算機中得到地下水的流動方向和速度，從而確定地下水流動的矢量和能量；
一滲漏點質量測量裝置14，它被安裝在前述的兩個剛性堵頭2中任一個或兩個的外表面上，并通過連接電纜與前述的計算機8電氣連接；它通過測量地下水中的電導率和溫度的變化從而確定被測點是否有巖土體阻水介質的流失，并對滲漏點的安全性作出及時的判斷。所述的流速矢量能量測量裝置12包括:
一上聲納傳感器3和一下聲納傳感器陣列4,下聲納傳感器陣列4用于確定聲源方向，上聲納傳感器3與下聲納傳感器陣列4中最先接收到聲源的一個聲納傳感器一起用于確定聲源到達測量儀的時差；
一航向定位器5，該航向傳感器用于根據最先感應到聲源信號的下聲納傳感器陣列4中的一個聲納傳感器與周圍的同一陣列中的其它聲納傳感器進行測量強度的計算，得出水流矢量相對于測量儀的運動方向，將所測量到的水流運動方向與磁航向測量到的地理北極進行疊加，即可得到水流的運動地理方向；從而確定下一個點位的流速矢量測量位置；一壓力傳感器6，該壓力傳感器6安裝在圓柱形密封腔體中，用于確定測量儀所處水位的深度，以便于測量儀位置的確定；
一電子訊號處理系統7，它用于接收上聲納傳感器3、下聲納傳感器陣列4航向定位器
5、壓力傳感器6、電導電極傳感器10以及溫度傳感器11所測量到得的原始信號轉換成數字信號，通過電纜發送到地面計算機8中進行處理從而得到測量點的地下水的流動方向和速度。所述的航向傳感器5為羅盤、磁傳感器、駝羅儀或電子駝羅儀。所述的滲漏點質量測量裝置14包括:
一電導電極傳感器10，該電導電極傳感器位于剛性堵頭2的外表面上，能夠與測量的水體接觸，測量出水體中的導電率與鹽份送入計算機8中；
一溫度傳感器11，該溫度傳感器也位于剛性密封堵頭2的外表面上，能夠與測量的水體接觸，進而直接測量出水體中的溫度值送入計算機8中，計算機8根據所測得的電導率和溫度的變化得出測量點的質量變化，如果變化率大于一定值則表面測量點處的滲漏情況在加劇，必須采取相應的堵漏措施以防患于未然。所述的皮囊I應采用與水體波速傳遞速度相近的皮質材料并具有絕緣、堅固的性倉泛。所述的皮囊I中所注的液體應與水體波速傳遞速度相近并絕緣不導電。所述的下聲納傳感器陣列4中的聲納傳感器的數量至少為3個，它們沿同一個圓周平面的邊緣均勻布置。所述的電導電極傳感器10為石墨、不銹鋼、鈦合金或鉬金電極傳感器。所述的溫度傳感器11為熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)或IC溫度傳感器。本發明的有益效果:
本發明解決了地下工程實踐急需要獲得的地下水的滲流質點運動的最基本的設計要素。因為它能夠對地下水的任一空間點的水平流速和垂向流速及其矢量進行準確測量，提供地下工程必須的各種水文地質參數。本發明解決了國民經濟急需的與地下工程滲流相關的各種水文地質工程滲流方案。聲納滲流探測技術是對同位素示蹤測量危機的革命性升級和創新替代產品。具有測量準確、高效、環保和便捷的應用特點，在水利、水電、地熱能開發、廢物庫的選址、地質災害評估、地鐵滲流監護、石油管線水文地質調查、基坑止水墻質量檢測等領域具有廣泛的應用前景，已取得非常好的應用效果。本發明不僅能獲得地下水文參數，而且可用于查找水庫大壩、江河堤壩管涌滲漏的滲漏點，為快速、準確地確定滲漏點，及時發現安全隱患，防患于未然。本發明明確了皮囊中各檢測元件的位置關系，并將GPS創造性地直接與計算機相連，具有結構簡單，制造方便的優點。本發明通過對電導、溫度、壓力等的測量，能夠實時地跟蹤和監測流速質點在能量的驅動下，其水流實體的礦化度、鹽份、水的容重、溫度等質量量化指標的空間分布。有了現場原位同步測量到的地下水的流速矢量以及流速矢量驅動下的水體中化學物質的增量變化，就能夠從能量與質量變化量的監控中，定量地解決一系列土木工程滲漏中急需要解決關鍵技術問題，在地下工程還沒有出現破壞性隱患之前，對其進行預測和預報，防患于未然。如水庫大壩的滲漏、江河堤壩的管涌滲漏、地下連續墻體的止水幕墻質量檢測、地下水溶質運移與擴散測量等等。本發明從能量與質量守恒原理出發，通過對流速矢量質量引起的建筑物質的遷移實現了實時對地下隱蔽工程進行定量化的預測和預報的目的，不僅能及時發現滲漏點，而且能對滲漏點是否有滲漏物質流出作出及時的監測，為及時發現和預防滲漏點的惡化提供決策依據。能防止潰壩、塌墻等惡性事故的發生。本發明結構簡單，制造方便、監測全面。
圖1是本發明的結構示意圖。圖2是本發明的測量儀的內部結構示意圖。圖3是本發明在水庫大壩滲流監測中的應用原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1、2所示。一種三維流速矢量能量與質量測量儀，它包括彈性皮囊1、流速矢量能量測量裝置12、滲漏點質量測量裝置14、計算機8和GPS定位儀9，如圖1所示，彈性皮囊I的兩端各安裝有一個剛性密封堵頭2，所述彈性皮囊I及所述的剛性密封堵頭2形成一圓柱形密封腔體，其中上端的剛性密封堵頭上設有電纜連接線進出孔，下端的剛性密封堵頭上設有用于向所述圓柱形密封腔體中注入液體的注液孔，注液孔上安裝有密封塞13，皮囊I應采用與水體波速傳遞速度相近的皮質材料并具有絕緣性能，具體實施時可采用堅固、有柔性的聚氨酯等材料制作，皮囊I中所注的液體應與水體波速傳遞速度相近并絕緣不導電(如硅油)。流速矢量能量測量裝置12被安裝在前述的柱形密封腔體中，并通過電纜連接線與帶有GPS定位儀9的計算機8電氣連接，通過將測量所得的水流聲納送入計算機中得到地下水的流動方向和速度，從而確定地下水流動的矢量和能量；滲漏點質量測量裝置14，它被安裝在前述的兩個剛性堵頭2中任一個或兩個的外表面上，并通過連接電纜與前述的計算機8電氣連接；它通過測量地下水中的電導率和溫度的變化從而確定被測點是否有巖土體阻水介質的流失，并對滲漏點的安全性作出及時的判斷。本發明的流速矢量能量測量裝置12包括:上聲納傳感器3、下聲納傳感器陣列4、航向定位器5、壓力傳感器6和電子訊號處理系統7，如圖2所示，下聲納傳感器陣列4用于確定聲源方向，上聲納傳感器3與下聲納傳感器陣列4中最先接收到聲源的一個聲納傳感器一起用于確定聲源到達測量儀的時差；上聲納傳感器3和下聲納傳感器陣列4中的聲納傳感器可為水聽器、換能器、陶瓷水聽器或纖維水聽器，下聲納傳感器陣列4中的聲納傳感器的數量至少為3個，它們沿同一個圓周平面的邊緣均勻布置。航向傳感器用于根據最先感應到聲源信號的下聲納傳感器陣列4中的一個聲納傳感器與周圍的同一陣列中的其它聲納傳感器進行測量強度的計算，得出水流矢量相對于測量儀的運動方向，將所測量到的水流運動方向與磁航向測量到的地理北極進行疊加，即可得到水流的運動地理方向；從而確定下一個點位的流速矢量測量位置，航向傳感器5可為羅盤、磁傳感器、駝羅儀或電子駝羅儀；電子訊號處理系統7用于接收上聲納傳感器3、下聲納傳感器陣列4及航向定位器5所測得的原始信號轉換成數字信號并通過電纜發送到計算機8中進行處理，可采用現有電氣技術自行設計制造；所述的GPS定位儀9與計算機8相連，用于確定測量儀所處的地理位置；
本發明的滲漏點質量測量裝置14包括電導電極傳感器10和溫度傳感器11，電導電極傳感器位于剛性堵頭2的外表面上，能夠與測量的水體接觸，測量出水體中的導電率與鹽份送入計算機8中；溫度傳感器11也位于剛性密封堵頭2的外表面上，能夠與測量的水體接觸，進而直接測量出水體中的溫度值送入計算機8中，計算機8根據所測得的電導率和溫度的變化得出測量點的質量變化，如果變化率大于一定值則表面測量點處的滲漏情況在加劇，必須采取相應的堵漏措施以防患于未然。具體實施時，電導電極傳感器10可位于下端的剛性密封堵頭2的底部，能夠與測量的水體接觸，通過兩個電極片直接測量出水體中的導電率與鹽份；溫度傳感器11也位于下端的剛性密封堵頭2的底部，能夠與測量的水體接觸，通過溫度傳感器直接測量出水體中的溫度值，通過電導、溫度值的測量，加上所測得的矢量和能量就能夠實時地跟蹤和監測流速質點在能量的驅動下，其水流實體的礦化度、鹽份、水的容重、溫度等質量量化指標的空間分布。加上現場原位同步測量到的地下水的流速矢量以及流速矢量驅動下的水體中化學物質的增量變化(可采用201110295635.5所公開的方法)就能夠從能量與質量變化量的監控中，定量地解決一系列土木工程滲漏中急需要解決關鍵技術問題，在地下工程還沒有出現破壞性隱患之前，對其進行預測和預報，防患于未然。如水庫大壩的滲漏、江河堤壩的管涌滲漏、地下連續墻體的止水結構質量檢測、地下水溶質運移與擴散測量等等；所述的上聲納傳感器3、下聲納傳感器陣列4、航向定位器5及電子訊號處理系統7均安裝定位在所述的圓柱形密封腔體中；GPS定位儀9、計算機8、485接口以及地面供電電源均位于圓柱形密封腔體外并通過電纜與圓柱形密封腔體中的電子訊號處理系統7相連。當本發明的測量儀用于水庫滲漏點檢測時，還應在圓柱形密腔體中安裝一個壓力傳感器6，以確定測量儀所處水位的深度，壓力傳感器6可采用電阻式、電容式、壓阻式或壓電式壓力傳感器。本發明在水庫大壩滲流測量中的應用如圖3所示，通過本發明的流速矢量能量測量裝置中的聲納、壓力傳感器、磁航向儀等結合伯努力早能量方程即可實現對滲漏點的定位，通過對滲漏點電導率的變化率及溫度的變化量即可確定滲漏點的滲漏孔是否擴大，會不會造成管涌，為及時采取相應的補救措施提供第一手的資料，對提高水庫大壩的安全性十分重要，為預防和防止潰壩提供重要的依據。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是它包括: 一彈性皮囊(I )，該彈性皮囊(I)的兩端各安裝有一個剛性堵頭(2)，所述彈性皮囊(I)及所述的剛性堵頭(2)形成一柱形密封腔體，其中上端的剛性堵頭上設有電纜連接線進出孔，下端的剛性密封堵頭上設有用于向所述圓柱形密封腔體中注入液體的注液孔，注液孔上安裝有密封塞； 一流速矢量能量測量裝置(12)，它被安裝在前述的柱形密封腔體中，并通過電纜連接線與帶有GPS定位儀(9)的計算機(8)電氣連接，通過將測量所得的水流聲納送入計算機中得到地下水的流動方向和速度，從而確定地下水流動的矢量和能量； 一滲漏點質量測量裝置(14)，它被安裝在前述的兩個剛性堵頭(2)中任一個或兩個的外表面上，并通過連接電纜與前述的計算機(8)電氣連接；它通過測量地下水中的電導率和溫度的變化從而確定被測點是否有巖土體阻水介質的流失，并對滲漏點的安全性作出及時的判斷。
2.根據權利要求1所述的三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是所述的流速矢量能量測量裝置(12)包括: 一上聲納傳感器(3)和一下聲納傳感器陣列(4),下聲納傳感器陣列(4)用于確定聲源方向，上聲納傳感器(3)與下聲納傳感器陣列(4)中最先接收到聲源的一個聲納傳感器一起用于確定聲源到達測量儀的時差； 一航向定位器(5)，該航向傳感器用于根據最先感應到聲源信號的下聲納傳感器陣列(4)中的一個聲納傳 感器與周圍的同一陣列中的其它聲納傳感器進行測量強度的計算，得出水流矢量相對于測量儀的運動方向，將所測量到的水流運動方向與磁航向測量到的地理北極進行疊加，即可得到水流的運動地理方向；從而確定下一個點位的流速矢量測量位置； 一壓力傳感器(6)，該壓力傳感器(6)安裝在圓柱形密封腔體中，用于確定測量儀所處水位的深度，以便于測量儀位置的確定； 一電子訊號處理系統(7),它用于接收上聲納傳感器(3)、下聲納傳感器陣列(4)航向定位器(5)、壓力傳感器(6)、電導電極傳感器(10)以及溫度傳感器(11)所測量到得的原始信號轉換成數字信號，通過電纜發送到地面計算機(8)中進行處理從而得到測量點的地下水的流動方向和速度。
3.根據權利要求1所述的三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是所述的航向傳感器(5)為羅盤、磁傳感器、駝羅儀或電子駝羅儀。
4.根據權利要求1所述的三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是所述的滲漏點質量測量裝置(14)包括: 一電導電極傳感器(10)，該電導電極傳感器位于剛性堵頭(2)的外表面上，能夠與測量的水體接觸，測量出水體中的導電率與鹽份送入計算機(8)中； 一溫度傳感器(11)，該溫度傳感器也位于剛性密封堵頭(2)的外表面上，能夠與測量的水體接觸，進而直接測量出水體中的溫度值送入計算機(8)中，計算機(8)根據所測得的電導率和溫度的變化得出測量點的質量變化。
5.根據權利要求1所述的三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是所述的皮囊(I)應采用與水體波速傳遞速度相近的皮質材料并具有絕緣、堅固性能。
6.根據權利要求1所述的三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是皮囊(I)中所注的液體應與水體波速傳遞速度相近并絕緣不導電。
7.根據權利要求1所述的三維流速矢量聲納測量儀，其特征是所述的下聲納傳感器陣列(4)中的聲納傳感器的數量至少為3個，它們沿同一個圓周平面的邊緣均勻布置。
8.根據權利要求4所述的三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是所述的電導電極傳感器(10)為石墨、不銹鋼、鈦合金或鉬金電極傳感器。
9.根據權利要求4所述的三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是所述的溫度傳感器(11)為熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)或IC溫度傳感器。
全文摘要
一種三維流速矢量能量與質量測量儀，其特征是它包括彈性皮囊(1)，彈性皮囊(1)的兩端各安裝有一個剛性密封堵頭(2)，所述彈性皮囊(1)及所述的剛性密封堵頭(2)形成一圓柱形密封腔體，其中上端的剛性密封堵頭上設有電纜連接線進出孔，下端的剛性密封堵頭上設有用于向所述圓柱形密封腔體中注入液體的注液孔，注液孔上安裝有密封塞；圓柱形密封腔體中安裝有測量流速矢量能量的測量裝置及測量質量的裝置。它具有結構簡單，制造方便、檢測全面的優點。
文檔編號G01P13/02GK103148992SQ20131007642
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者杜國平, 杜家佳, 宋曉峰, 杜廣林 申請人:南京帝壩工程科技有限公司
專業數控銑床產品供應商
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