三维髓矢量畲 «与质量测量仪

铰术领域

本发明涉及一种±木工程检测设备，尤其是一� ��用于地下水流速质点运动的 能置与质量检测设备， 具体地说是一种: Ξ维流速矢量能量与质量 «量仪。

背景技术

众所周知，所有土木工程¾础的建设均涉及二� ��重要的影响因素，水与岩土 的相互作用 前者是动态的主动的无时的不在浸蚀着地下工 程建筑的基石； 后者 则是静态的被动的抵抗和阻 ih来自前者的浸蚀与危害。 耍使二者达到和平相处， 长治久安， 必须建立一套完备 ^: 效的监測机制 本发明为此提出用能量与质量守 恒原理，逑立起 S流速矢量场弓！起的建筑物质的迁移来达到� �施的对地下隐蔽工 程进行定量化的预测和预报。

18S6年法国工程师 II. - P. -G.达西首次通过室内实验提出水在岩土孔隙中 渗 流规律的实验定律， 从而， 奠定丁地下水漆流力学的理论。 然而， 此理论在土 木工程应 屮主要是以渗透系数 K值出现的 传统方法获得此值，大部分是通过 取土样，在室内进行溱流试验获得样品个体的 渗透特性. 却无法取得原位状态下 的真实渗流形态， 此， 重要的工程 ¾设均要求进行现场水文地质抽水试验。 自 1863年法国工程师 J. Dupui t , 创立的 "裘布依抽水试验理论" ， 150年来， 己 经形成法定性的， 在试验现场获取水文地质参数， 权威的工程设计依据， 随着现 代土木工程建设的高速发展，此类试验已经不 能满足生 实践的需要。众所周知， 由于 "裘布依抽水试验理论"本身的缺陷以及对试验� ��作者的要求极高。 所以， 造成此种试验的数量愈来愈少 更主耍的是上述试验所获得的仅仅是人工干扰 流 场下的岩土各层序综合的物性渗透指标 ' 即岩土孔隙体积与抽水体积的平衡 « 它无法在天然流场下获得地下水的渗流速度场 与矢量场， 因此， 也就无法解决土 木工程遇到的诸多渗流关键技术问题 1957年德国科学家 Moser首次提出利用 向位素示踪测定含水层溱透流速的稀释测并法 , 由于能在天然流场下的单井中对 多含水层地' F水进行渗透流速、流向及垂向流测定， ^比抽水试验费用抵， 容易 实施，而受到各阔水文地质学家的关注与使用 , 于是^多种见诸面 的测定地卜 水流速流向的装置。 最早的有接 式定向探头；后来有波 L B- Hazza 发明的 P".32 吸附与 X胶 It定向测速 ¾置：日本落合敏郎的 Ξί层同位素稀释: ' ¾ΐ向 速 装置； W. Drost和 Ki otz.等设计的棉纱 ^吸附测向、 活性炭吸附测向装置： 美画 ,利 051368 , 英国专利 2009921和 1598837介绍的中子活化测向测逨装置； 德 国慕尼黑水文地质实验室 I i)rost i982 年 «定地下水流速流向的新式示踪探 头； 中国专利:智能化单井地下水动态参数测试仪 981.11509. 8,还有 85.107160, 86 ΚΜ Π5专利介绍的热释光和电离室同位素示踪測量 装 ¾等 上述发明虽达到 了测量地下水流速流向的要求.，但在实际应� �中，它们都涉及到放射性核素物质 对人体和环境的影响等缺陷与负面诈用，导致 许多国家与政府禁止或者在严格的 监控下有条件的限制使用， 使之无法在生产实践中得到推广与应 )¾。

地下水之所以能够运动， 基于二个最基本条件， 之一要有主动的能量（水头 1)作用， 之二被动的阻水介质要有一定的孔隙 它们为对立统一的一对技术载 体 .>尽管测试方法各不相同，传统抽 水试验是以被动方法去研究阻水介质的渗 透特性， 即地质构造体系的宪好程度。 而主动的 "能量与质量潫流测量方法" , 则主要揭示地下水潘流质点的运移及其在时空 的能傲与质量的分布大小。声纳探 m器阵列能够.精细地测量出 波在流体中能最传递的大小与分布，依据声纳 探澱 器阵列测量数据的时 S分布， 即 解析出流速质点运动的速度与矢量的方向； 电 导、温度 压力等能够实时地跟踪和监测流速质点在能量 的驱动下， 其水流实体 的矿化度、 盐汾、 水的容重、 温度等质量量化指标的空问分布 有了现场原位 同歩测量到的地下水的流速矢量以及流速矢驚 驱动下的水体中化学物质的增量 变化， 就能够从能 ft与质量变化量的监拧中， 定量地解决一系列土木工程溱漏中 急需要解决关键技术向题. 在地下工程还没有出现破坏性隐患之前，对其 进行预 测和预报， 防患于未然。

如水库大坝的渗漏、江河堤坝的管涌渗漏、地 卜 '连续墙体的止水结构质量检 测、地下水溶质运移与扩散测量等等。 中国专利： 单井地下水流速流向及水库滲 漏点测量方法及其装置 （申请号 2011 10295635, 5 ) 虽然给出了水流质点运动遠 度与矢量,， 但是， 它还不能够获得岩土体在流速矢量能量的驱动 下， 岩土体阻水 介质的物质有没有被带出来，这就需耍在人们 的肉眼还没有看到细颗粒的物质被 带出来之前， 就能够微观的在原子与分子结构指标上进 tf量化。社絶地下工程隐 患的发生， 造镉人类。

发明内容

本发明的 Θ的是针对现有地下水渗流测量仅器不能及时� ��量和及时反应地 卜-水的微观性能的变化， 无法及时发现渗流环境变化中的安全隐患， 设计一种能 根据地下水流速矢量质点的运动能量跟踪岩土 物质的质量的变化置，从而， 得出 相应的三维流速矢量能量与质量漉量仪 - 本发明的技术方案 ¾:

-一种三维流速矢量能量与质量测量仪， 其特征是它包括：

一弹性皮囊 Ί , 该弹性皮囊 1的两端各安装有一个 i 性堵头 2, 所述弹性皮 囊〗及所述的刚性堵头 2形成一柱形密封腔体，其中上端的刚性堵头� �设存电缆 连接线进出孔，下端的刚性密封堵头上设有用 于向所述圆柱形密封腔体中注入液 体的注液孔， 注液孔上安装有密封塞；

一流速矢量能量测量装置 12, 它被安装在前述的柱形密封腔体中， 并通过 电缆连接线与带有 GPS定位仪 9的计算机 8电气连接，通过将测量所得的水流声 纳送入计 T机中得到地下水的流动方向和速度，从而确� �地下水流动的矢量和能

Ά- 一渗漏点质量澱蘯装置 14, 它被安装在 f述的两个刚性堵头 2中任一个或 两个的外表面上， 并通过连接电缆与前述的计算机 8电气连接；它通过测量地下 水中的电导率和温度的变化从而确 ^被测点是否有岩土体阻水介质的流失，并对 渗漏点的安全性作出及时的判断。

所述的流速矢量能量测量装置 12包括：

一上声纳传感器 3和一下声纳传感器阵列 4, ―卜-声纳传感器阵列 4用于确定 声 ¾方向，上声纳传感器 3与下声纳传感器阵列 4中最先接收到声源的一个声纳 传感器一起 ffl于确定声源到达测量仪的时差； 一貌向定位器 5 , 该航向传感器/ ¾于根据最先感应到 ^源信 ¾-的下声纳传感 器阵列 4 中的一个声鈉传感器与周围的同一阵列中的其 它声纳传感器进行测量 强度的计算， 得出水流矢量相对于测量仪的运动方向， 将所 ¾量到的水流运动方 向与磁航向测量到的地理北极进行叠加， 即可得到水流的运动地理方向： 从而确 定下一个点位的流速矢量测量位 S ;

-压力传感器 6, 该压力传感器 6安装在圆柱形密封腔体中， 于确定测量 仪所处水位的深度 . 以便于测爆:仪位置的确定；

一电子讯兮处理系统 7 , 它用于接收上声纳传感器 3 , 下声纳传感器阵列 航向定位器 5、 压力传感器 6、 电导电极传感器 10以及温度传感器】1所测量到 得的原始信号转换成数字信号，通过电缆发送 到地面计算机 8中进行处理从而得

所述的航向传感器 δ为罗盘、 磁传感器、 ffi罗仪或电子驼罗仪

所述的渗漏点质量测量装置 14包括:

-电导电极传感器 】.()， 该电导电极传感器位于刚性堵头 2的外表雨上， 能 够¾澱量的水体接触， 测量出水体屮的导电率与盐份送 Λ计算机 8 _;

·温度传感器 1 1 , 该温.度传感器也位于刚性密封堵头 2的外表面上， 能够 与测量的水体接触， 进而直接测量出水体中的温度值送入计算机 8中， 计算机 8 裉据所测得的电导举和温度的变化得出测量点 的质量变化，如果变化率大于… 定 值则表面测量点处的渗漏情况在加剧， 必须采取相应的堵漏措施以防患于未然 所述的皮囊 1应采用与水体波速传递速度相近的皮质材料� �具有绝缘 坚 的性能。

T述的皮囊 i中所注的液体应与水体波速传递速度相近并� �缘不导电。 所述的下声纳传感器阵列 4中的声纳传感器的数量至少为 个，它们沿同一 个圆周平面的边缘均匀布置

所述的电导电极传感器 i()为石 不锈钢、 钛合金或铂金电极传感器 所述的温度传感器 1 1为热电偶、 热敏电阻、 电阻温度检澱器（RTD)或 1C温 度传感器。

本发明的有益效果- 本发明解决了地下工程实践急需要获得的地下 水的渗流质点运动的最基本 的设计要素 因为它能够对地 'F水的任一空间点的水平流速和 ¾向流速及其矢量 进行准确溺鐘:， 提供地下工程必须的各种水文地质参数

本发明解决了国民经济急需的. 地下工程渗流相关的 种水文地质 I：程渗 流方案。声纳潫流探测技术是对同位素示踪测 《危机的革命性升级和创新替代 品。 具 '灣量准确、 高效、 环保和便铋的应用特点， 在水利. 水电、 地热能开发、 废物库的选址、 地质灾害评估、 地铁谗流监护、 石油管线水文地感调查、 基坑 ± 水墙质量检 ¾等领域具有; 泛的应用前景， 已取得 .常好的应用效果。

本发明不仅能获得地下水文参数， 而且可'用于査找水库大坝、 江河堤坝 涌 漆漏的渗漏点, 为快速， 准确地硗定渗漏点， 及时发现安全隐患， 防患 未然 本发明明确了皮囊中各检测元件的 置关系，并将（,PS创造性地 J[接与计算 机相连， 具有结构简 ， 制造方便的优点

本发明通过对电导、 温度、 压力等的测量， 能够实时地跟踪和监测流速.质点 在能量的驱动下， 其水流实体的矿化度、 盐份、 水的容重、 温度等质 a量化指标 的 :¾问分布。 有了现场原位同歩测量到的地下水的流速矢量 以及流速矢量驱动 下的水体中化学物质的增量变化， 就能够从能量与质量变化量：的监控中， 定覽地 解决一系列土木工 s渗漏中急需要解决关键 术问题，在地下工程还没有出现破 坏性隐 ®之前， 对其迸行预溯和预报， 防患于未然。 如水库大坝的浚漏、 江河堤 坝的管涌渗漏 地下连续墙体的 .1:：水幕墙质量检测、地下水溶质运移与扩散 测量 本发明从能量^质量守恒原理出发，通过对流� �矢量质量引起的建筑物质的 迁移实现了实时对地下隐蔽丄程迸行定量化的 预测和预报的目的，不仅能及时发 现渗漏点， 而且能对渗漏点是否有凑漏物质流出作出及时 的监测， 为及时发现和 预防渗漏点的恶化提供决策依据 能防止溃坝、 塌墙等恶性事故的发生。

本发明结构简单， 制造方便、 监测: feiiiu

附图说明

图丄是本发明的结构示意图。 图 2是本发明的测量仪的内部结构示意图

图 3是本发明在水库大坝淺流监测中的应¾原理 a

具体实施方式

下面结合^图和实施例对本发 ί¾作进一步的说明

如图 1、 2所示::

一种二维流速矢量能量与质量测量仪， 它包括弹性皮囊 1、流速矢量能量测 量装置 i.2、 滚漏点质量测量装置 .14、 t算机 8和 GPS定位仪 9, 如图 1所示， 弹性皮囊 1的两端各安装有一个 性«封¾ ¾ 2 , 所述弹性皮囊 1及所述的刚性 密封堵头 2形成 圆柱形密封腔体，其中上端的刚性密封堵头丄 ¾齊电缵连接线 进出孔，下端：的刚性密封堵头上设有用于向 所述圆注形密封腔体中注入液体的注 液孔， 注液孔上安装有密封塞 1:; , 皮囊 1应 ¾用与水体波速传递速度相近的皮 质材料并具有绝缘性能. 具体实施时可釆闲坚固、 有柔性的聚氮酯等材料制作； 皮囊 1中所注的液体应与水体波速传递速度相近并� �缘不导电（如硅油 ,流速 矢量能量测 ft装覽 12被安装在前述的柱形密封腔体中 并通过电缆连接线与带 有 GPS .9的计算机 8电气连接，通过将测量所得的水流声纳送入� �算机巾 得到地下水的流动方向和速度， 从而确定地下水流动的矢量和能 ¾； 渗篛点质量 测量装置 1 , 它被安装在前述的两个刚性堵头 2中任一个或两个的外表面上， 并通过连接电缆 ¾前述的讦算机 S电气连接；它通过侧量地下水中的电导率和� � 度的变化从而确定被测点是否 岩土体阻水介质的流失，并对参漏点的安全性 作 出及时的判断,：

本发明的流速矢量能 ¾测量装置 12包括： 上声纳传感器 3、 下声鈉传感器 阵列 4、 航向定位器 ^ 压力传感器 6和电子讯号处理系统 7, 如图 2所示， 下 声纳传感器阵列 4用于确定声源方向， 上声纳传感器 3 ^下声纳传感器阵列 4 中最先接收到声源的一个声纳传感器一起用于 确定声源到达测量仪的时 ¾；上声 纳传感器 3和卜-声纳传感器阵列 4中的声纳传感器可为水听器、换能器、陶瓷� � 听器或纤维水听器，下声纳传感器阵列 4中的声纳传感器的数量至少为：:;个，它 们沿同 个圆周平面的边缘均勾布置 航向传感器 )¾于根据最先感应到声源信号 的 声纳传感器阵列 4 中的一个声纳传感器与周围的同一阵列中的其 它声纳传 感器进行测量强度的计算， 得出水流矢量相对于测量仪的运动方向，将所 测量到 的水流运动方向 . 磁航向测量到的她理北极进行叠加 .即可得到水流的运动地理 方向； 从而确定不一个点位的流速矢量测量位置， 航向传感器 δ可为罗盘、磁传 感器、 驼罗仪或电子驼罗仪； !f 子讯号处理系统？) ¾于接收上声纳传感器 :5、 下 声纳传感器阵列 4及航向定位器 5所测得的原始信号转换成数 信号并通过电缆 发送到计算机 8 中进行处理， 可采用现有电气技术 行设计制造： 所述的 GPS 定位仪 9与计算机 8相连， ¾于确¾测靈仪所处的地理位置；

本发明的浚 ϋ点质量翻量装置】4包括电 ^电极传感器 10和温度传感器 .]. , 电导电极传感器位子刚性堵; ¾ 2的外表面上， 能够与测《的水体接触，测量出水 体中的导电率与盐 ffr送入计算机 S中： 温度传感器 1 ;也位干刚性密封堵头 2的 外表面上， 能够与测量的水体接 te，进而直接测量出水体中的温度值送入 算机 8中， 计算机 8根据所溯得的电导率和温度的变化得出测量� �的质量变化， 如果 变化率大于一定 II则表面测量点处的渗漏情况在加剧，必须采� ��相应的堵漏措施 以防患于未然。

具体实施时， 电导电极传感器 10可位于下端的刚性密封堵头 2的底部， 能 够与测量的水体接触，通-过两个电极片直接� �量出水体中的导电率与盐份：键.度 传感器 Ϊ 1也位于下端的刚性密封堵头 2的底部， 能够与测量的水体接她， 遥过 温度传感器直接测量出水体中的温度值， 遒过电导、温度值的测量， 加上所测得 的矢量和能量就能够实时地跟踪和监测流速质 点在能量的驱动下，其水流实体的 矿化度、 盐份、 水的容重、 温度等质量量化指标的空间分布。 加上现场原位同歩 测量到 i¾地下水的流速矢量以及流速矢量驱动下的水 体中化学物质的增 M变化 (可. 用 201110295635. 5所公开的方法—)就能够从能量与质量变化量� ��监控中， ¾量地解决一系列土木工程渗漏中急需要解决� ��键 S术问题，在地下工程还没有 岀现破坏性隐患之前， 对其进行预测和预报， 防患于未然 如水库大坝的渗漏、 江河堤坝的管涌渗漏、地下连续墙体的止水结 构质量检测、地下水溶.质运移与扩 散测量等等; 所述的丄声绒传感器 3、 下声纳传感器阵列 4、 航向定位器 5及电 子讯号处理系统 7均安装定位在所述的圆柱形密封腔体中； GPS定位仪 9、 计算 机 S、 4S5接口以及地面供电电源均位于圆柱形密封腔 体外并通过电缆与圆柱形 密封腔体屮的电子 ¾号处理系统 7相连 本发明的测量仪用十水库渗漏点检测 时， 还应在圍柱形密腔体中安装一个压力传感器 6 , 以确定测量仪所处水位的深 度， 压力传感器 6可 用¾阻 A、 电容式， 压阻式或压电式压力传感器„

本发明在水库大坝渗流测量中的应用如图' 3所示，通过本发明的流速矢量能 量溯量装置中的声纳、压力传感器、磁航向仪 等结合伯努力早能量方程即可实现 对镲漏点的定位，通过对涹漏点电导率的变化 率及温度的变化量即可确定渗漏点 的溱漏孔是否扩大，会不会造成管涌， 为及时采取相应的补救措施提供第 ··· ·手的 资料 ' 对提高水库大坝的安全性十分重耍， 为预防和防 ±溃坝提供重耍的依据 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用 现有技术加以实现。