专利名称：在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备及其检测方法
技术领域：
本发明属于岩土工程勘察中岩土层的渗透系数室外试验技术领域，具体涉及一种在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备及其检测方法。
背景技术：
在工程勘探领域，地层的渗透系数是一项重要的水文地质参数，为了测得地层的渗透系数，主要采用室内试验和现场试验两种方法，室内试验一般有常水头法与变水头法， 对于粗粒土或成层土，易受取样代表性、取样扰动和尺度效应等因素影响，试验结果一般误差较大；而现场试验通过对试验地层进行注水试验与抽水试验，注水试验适用于地下水缺乏的地层，抽水试验适用于地下水比较丰富的地层，具体是先在选定位置钻一个抽水井，然后在与地下水流向垂直的方向上钻几个水位观测井，与抽水井的距离以1 2倍含水层厚度为宜，用水泵在抽水井中进行抽水，同时记录抽水井的出水量和观测井的水位下降对应关系，然后利用计算公式，计算出渗流区域的平均渗透系数。该方法的缺点是
(1)虽可准确地计算出渗流区域地层的平均渗透系数，但不能得出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深的分布情况，致使无法根据抽水试验准确找出渗透系数大的微小区段埋深位置和渗流量，不能满足目前现场工程需要。(2)当存在多个含水层而采用不同深度的钻孔进行分层抽水试验时，由于不同试段间有复杂的地下水连通网络而发生水力联系，抽水试验试段内的水量易受干扰而造成试验误差，有时试验误差甚大，失去了抽水试验的意义。
发明内容
本发明的第一个目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种操作简单、 测量精度与灵敏度高的在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备。本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的该在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备，用于岩土工程勘察中岩土层的渗透系数室外试验，它包括一个放置于试验用抽水井井底的流速仪探头，两个分别放置于试验用观测井I和观测井II中的水位监测仪；所述流速仪探头通过电缆线连接到伺服电机上，其信号输出端通过电缆线内的信号线与光电隔离器连接；所述两个水位监测仪的信号输出端也分别通过信号线与光电隔离器连接，光电隔离器的输出端与微型计算机系统的输入端连接；在所述抽水井上安装有抽水系统。更具体地说，所述流速仪探头采用超声波多普勒流速仪探头。本发明的第二个目的是提供基于上述在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备的检测方法，它包括如下顺序的步骤
(1)首先，标定流速仪、水位监测仪和伺服电机的准确度与灵敏度；
(2)将抽水井孔与两个观测井孔分别钻进至设计孔深，然后在抽水井孔上安装抽水系统，开始抽水至一定水位降深，使涌水流量符合抽水试验稳定标准；(3)将流速仪探头和两个水位监测仪分别沿井孔轴线放入抽水井井底和两个观测井内； (4 )开启设备，伺服电机开始运转并缓慢勻速提升与流速仪探头连接的电缆线，流速仪探头沿抽水井孔轴线自井底部而上勻速地提至稳定水位处，流速仪探头沿井孔轴心连续检测各点的流速，并转化为电脉冲信号经过电缆线内的信号线和光电隔离器送往微型计算机系统；同时放入观测井孔中的水位监测仪，测得观测井的水位数据，通过信号线和光电隔离器连接到微型计算机系统上；
(5)上一步经过光电隔离器消除了各种干扰和噪声后的流速和水位的电信号送到微型计算机系统后，进行数据处理和分析得出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深范围内的分布情况，并显示和打印出来。更进一步，步骤(5)所述微型计算机系统进行数据处理和分析过程包括如下顺序的步骤
(1)首先，微型计算机系统启动并初始化；
(2)开始捕捉暂停键是否按下，若有，暂停试验；捕捉启动键是否按下，若没有，则继续暂停试验，若有，则继续捕捉暂停键以外按键是否按下，同时采集流速仪检测的流速数据， 并转化为流量数据，结合伺服电机提供的抽水井井孔埋深的数据，得出沿抽水井井孔轴线不同埋深岩土层的流速分布的数据；
(3)根据达西定律和抽水试验规程中的计算公式分析与处理数据，得出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深范围内的分布情况；
(4)若捕捉到结束键按下，则试验完毕，打印相关曲线及试验数据。本发明提供的在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备及其检测方法，其主要特点体现在(1)不仅可计算出渗流区域岩土层的平均渗透系数，还可精确算出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深范围内的分布情况，绘制出二者相应的关系曲线，准确找出渗透系数大的微小区段埋深位置和渗流量，满足目前现场工程需要；(2)不论有几个含水层，都可采用全孔抽水试验检测方法，而非分层抽水试验，避免不同试段间的水力联系而造成试验误差，提高试验精度。因此，本发明技术成熟、原理可靠；试验操作方法简单、使用方便；采用在线检测方式，使试验过程无人为因素，测量精度与灵敏度高；试验费用低；目前还没有对稳定流抽水试验采用一种全孔连续检测的试验设备及检测方法，具有很好的推广使用价值。
图1是本发明实施例的结构示意图。图2是本发明微型计算机系统主程序流程图。图3是本发明实施例的抽水量随抽水井孔深的分布曲线图。图4是本发明实施例的渗流量随抽水井孔深的分布曲线图。图5是本发明实施例的渗透系数随抽水井孔深的分布曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。参见图1，本实施例中，试验用抽水井井底放置有流速仪探头1，流速仪探头1采用超声波多普勒流速仪探头；试验用观测井I和观测井II中分别放置有水位监测仪7和水位监测仪9 ；流速仪探头1通过电缆线2连接到伺服电机3上，其信号输出端通过电缆线2内的信号线与光电隔离器4连接；水位监测仪7和水位监测仪9的信号输出端也分别通过信号线8和信号线10与光电隔离器4连接，光电隔离器4的输出端与微型计算机系统5的输入端连接；在抽水井上安装有抽水系统6。其中，&是观测井I距离抽水井的距离，&是观测井II距离抽水井的距离，、是观测井I的水位高度，之是观测井II的水位高度。首先，将抽水井、观测井I和观测井II分别钻进至设计深度。由抽水系统6在抽水井孔抽水至一定水位降深，待涌水流量符合稳定标准后，将超声波多普勒流速仪探头1、水位监测仪7和水位监测仪9分别放入抽水井、观测井I和观测井II中。开启设备，伺服电机 3开始工作，缓慢勻速提升电缆线2，使流速仪探头1沿井孔轴线自井底部而上缓慢勻速地提至稳定水位处。流速仪探头1即高精度地测量出沿井孔轴线各点的流速，并通过信号线和光电隔离器4将流速电信号送到微型计算机系统5上；同时水位监测仪7和水位监测仪9 分别检测出观测井I与观测井II的水位数据，通过信号线8和信号线10送到微型计算机系统5上。微型计算机系统5根据流速仪探头1、水位监测仪7和水位监测仪9得到的数据， 结合伺服电机提供的井孔埋深的数据，通过数据处理和分析而得出岩土层的渗透系数沿抽水井孔埋深的分布关系，并显示和打印出来。参见图2，是本发明计算机主程序流程图。微型计算机启动并初始化，其初始化内容包括设置数据类型，包括伺服电机的勻速度等；然后启动，开始捕捉暂停键是否按下，若有，暂停试验；捕捉启动键是否按下，若没有，则继续暂停试验，若有，则继续捕捉暂停键以外按键是否按下，同时采集超声波多普勒流速仪处的流速数据，并转化为流量数据，结合伺服电机提供的井孔埋深的数据，得出沿井孔轴线不同埋深岩土层的流量分布的数据；根据达西定律和抽水试验规程中的计算公式进行处理与分析数据，从而得出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深范围内的分布情况。若捕捉到结束键按下，则试验完毕，打印相关曲线及试验数据。参见图3，是本发明实施例的抽水量随抽水井孔深的分布曲线图。参见图4，是本发明实施例的渗流量随抽水井孔深的分布曲线图。在模拟试验中，超声波多普勒流速仪沿抽水井孔轴线自井底部(地面下IOm处)而上勻速地提至稳定水位(地面下6m处)处，流速仪沿钻孔轴心连续检测各点的流速V，并转化为电脉冲信号通过信号线和光电隔离器送往微型计算机系统，经过数据分析与处理得出抽水量随抽水井孔深的分布曲线图与渗流量Q随抽水井孔深的分布曲线图。参见图5，是本发明实施例的渗透系数随抽水井孔深的分布曲线图。通过模拟试验实测出的渗流量Q随抽水井孔深的分布数据，观测井I与观测井II的水位、，之，及距离抽水井的距离代入稳定流抽水试验的公式之一 , Q 1ii(a Zr1)
■t = *·，得出渗透系数k随抽水井孔深的分布曲线图。目前的抽水试验只能求出
π vh —柃ι)
该地层的平均渗透系数，而本发明可得出渗透系数随抽水井孔深的分布曲线图，满足目前现场日益求精的工程需要。本发明适用于完整井或非完整井的稳定流抽水试验，技术成熟，原理可靠；试验操作简单，采用在线检测方式，使试验过程无人为因素，测量精度与灵敏度高。
权利要求
1.一种在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备，用于岩土工程勘察中岩土层的渗透系数室外试验，其特征在于它包括一个放置于试验用抽水井井底的流速仪探头，两个分别放置于试验用观测井I和观测井II中的水位监测仪；所述流速仪探头通过电缆线连接到伺服电机上，其信号输出端通过电缆线内的信号线与光电隔离器连接；所述两个水位监测仪的信号输出端也分别通过信号线与光电隔离器连接，光电隔离器的输出端与微型计算机系统的输入端连接；在所述抽水井上安装有抽水系统。
2.根据权利要求1所述的在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备，其特征在于所述流速仪探头采用超声波多普勒流速仪探头。
3.一种基于如权利要求1所述在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备的检测方法， 其特征在于包括如下顺序的步骤(1)首先，标定流速仪、水位监测仪和伺服电机的准确度与灵敏度；(2)将抽水井孔与两个观测井孔分别钻进至设计孔深，然后在抽水井孔上安装抽水系统，开始抽水至一定水位降深，使涌水流量符合抽水试验稳定标准；(3)将流速仪探头和两个水位监测仪分别沿井孔轴线放入抽水井井底和两个观测井内；(4 )开启设备，伺服电机开始运转并缓慢勻速提升与流速仪探头连接的电缆线，流速仪探头沿抽水井孔轴线自井底部而上勻速地提至稳定水位处，流速仪探头沿井孔轴心连续检测各点的流速，并转化为电脉冲信号经过电缆线内的信号线和光电隔离器送往微型计算机系统；同时放入观测井孔中的水位监测仪，测得观测井的水位数据，通过信号线和光电隔离器连接到微型计算机系统上；(5)上一步经过光电隔离器消除了各种干扰和噪声后的流速和水位的电信号送到微型计算机系统后，进行数据处理和分析得出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深范围内的分布情况，并显示和打印出来。
4.根据权利要求3所述的基于在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备的检测方法， 其特征在于步骤(5)所述微型计算机系统进行数据处理和分析过程包括如下顺序的步骤(1)首先，微型计算机系统启动并初始化；(2)开始捕捉暂停键是否按下，若有，暂停试验；捕捉启动键是否按下，若没有，则继续暂停试验，若有，则继续捕捉暂停键以外按键是否按下，同时采集流速仪检测的流速数据， 并转化为流量数据，结合伺服电机提供的抽水井井孔埋深的数据，得出沿抽水井井孔轴线不同埋深岩土层的流速分布的数据；(3)根据达西定律和抽水试验规程中的计算公式分析与处理数据，得出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深范围内的分布情况；(4)若捕捉到结束键按下，则试验完毕，打印相关曲线及试验数据。
全文摘要
本发明公开了一种在线全孔连续检测的稳定流抽水试验设备及其检测方法。本发明试验设备包括一个放置于试验用抽水井井底的流速仪探头，两个分别放置于试验用观测井Ⅰ和观测井Ⅱ中的水位监测仪；流速仪探头通过电缆线连接到伺服电机上，其信号输出端通过电缆线内的信号线与光电隔离器连接；两个水位监测仪的信号输出端也分别通过信号线与光电隔离器连接，光电隔离器的输出端与微型计算机系统的输入端连接；在所述抽水井上安装有抽水系统。本发明将测得的流速和水位电信号送到微型计算机系统后，进行数据处理和分析得出岩土层渗透系数沿抽水井孔埋深范围内的分布情况。本发明能准确、灵敏、方便地测得岩土层的渗透系数。
文档编号G01N15/08GK102435543SQ20111039907
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者安永林, 崔大田, 张联志, 朱建群, 王志斌, 陈伟 申请人:湖南科技大学