基于超声波负压的地下水位密封测量装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种地下水位测试工具与方法，尤其涉及基于超声波的负压条件下地 下水位的密封测量装置与测量方法。
【背景技术】
[0002] 在岩土工程领域，地下水位的测量有着不可替代的重要性，真空负压软基加固中 地下水位的变化过程是真空负压作用下渗流固结机理最直接、最重要的体现方式之一，地 下水位的变化趋势、变化程度以及不同位置的变化表现都会直接影响土体在真空负压作用 下加固的进度和加固方法的合理性。但是有关真空负压下地下水位的变化问题一直以来都 存在较大的争议，难以得出一致结论的原因之一源自目前地下水位测量方法以及仪器的限 制。工程上用于地下水位的测试方法多采用常规的敞口式测管法，其所测得水位变化反映 的实质是大气压力作用下水位管滤管段各点水位降深的平均值，而且真空预压期间水位观 测次数越多，引起的误差越大，所以常规地下水位测试方法并不适用于真空预压条件下地 下水位的测试要求。
[0003] 在本发明之前，中国专利（专利【申请号】201310478672.9)公开了"一种适用于真 空预压地基处理技术的地下水位测试装置及其使用方法"，结构特点是包括在软土地基中 的水位管、发射片以及固定于水位管顶端的透光片和手持的激光测距仪，密封整体水位管， 裸露在外的水位管顶端固定透光片，利用手持激光测距仪通过透光片测量水位管中随水位 变化的发射片，以此来测出真空预压下的地下水位。该方法思路新型，理论可行，但是却忽 略实际过程中的问题，存在以下不足：（1)水位管的埋设虽然是同轴连接，但是在真空预压 的过程中，水位管会随土体发生水平位移，会使得漂浮在水位管中的发射片与管口的透光 片不在同一竖直线上，从而影响到激光测距仪测量结果的精确性；（2)由激光测距仪的原 理可知，在激光照射到一切非光滑的面都发生漫反射，这也要求了该装置在测量过程中的 绝对垂直，然而实际过程中，发生水平位移的水位管很有可能对激光进行反射，从而导致测 出的距离并不是地下水位的准确位置；（3)固定于水位管管端的透光片的内侧会阻碍管内 水汽的蒸发，从而在透光片出冷凝形成水泡，鉴于真空预压加固期较长的缘故，透光片内侧 会形成大量的水泡，这也会对激光测距仪发出的激光产生折射，改变激光方向影响到测量 的结果。此外，中国专利（专利【申请号】201520017360. 2)还公开了"一种无线超声波水位 计"，其结构是通过立柱固定位于水位面上的仪器盒，仪器盒下端超声波传感器向水面发射 和接受超声波，并通过仪器盒顶端的射频天线对超声波信号进行传输和处理，利用超声波 的反射原理对江河湖海的水位进行监测，避免了传统水文水位监测方法的弊端，但是如用 于软基处理中的地下水位的监测则会存在以下缺点：（1)该装置接受和发射超声波的装置 为一体装置，安装组合固然方便，但是如用于水位管中，发射的超声波很可能的会与管壁产 生反射而避开了与水面的反射，从而会影响到所测结果的准确性；（2)因为该装置采用了 无线电的传输方式，对续航能力有较高要求，如用于真空负压下地下水位的观测造价过高， 性价比太低。
【发明内容】
[0004] 为克服现有地下水位测量装置的不足和缺陷，本发明结合超声波技术提供一种结 构更为简单，操作更方便，成本低廉的适用于真空负压下地下水位的密封测量装置和方法。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明技术方案如下：
[0006] -种基于超声波负压的地下水位密封测量装置，包括水位管、浮块、超声波发射装 置、超声波接收器、超声波信号输出端口、顶盖、底盖、测距读数仪、透水孔、土工滤布和密封 膜。
[0007] 水位管为中空管状结构，包括透水段和测量段，测量段穿过密封膜后连接透水段； 所述透水段管壁上设置透水孔，透水段管外包裹土工滤布；所述超声波发射装置设置在浮 块内，所述浮块设置在水位管的测量段中；所述顶盖、底盖分别设置在水位管的顶端和底 端，所述超声波接收器固定设置在顶盖的内侧，超声波接收器通过导线连接超声波信号输 出端口，所述超声波信号输出端口连接测距读数仪。
[0008] 超声波发射装置包括超声波发射器、电源和触水开关，超声波发射器、电源和触水 开关串联连接，所述超声波发射器设置于浮块的顶部，电源设置于浮块的内部，触水开关设 置在浮块的底部。
[0009] 水位管的直径为100mm-l10_，测量段长度延伸至密封膜下2m。
[0010] 超声波发射器为压电式超声波发射器，固定设置在浮块顶部的中央，超声波发射 器与超声波接受器为配套装置。
[0011] 触水开关为电极式开关，触水开关包括开关电路板和两极电片，所述开关电路板 密封于浮块内，两极电片伸出浮块的底面，两极电片遇水后及连通开关电路；电源分别连接 超声波发射器与触水开关的开关电路板，，由触水开关连接电源控制超声波发射器。
[0012] 浮块为空心块，高度为20cm_25cm，直径为90mm-100mm，浮块镶嵌入超声波发射装 置后密闭为不透水浮块。
[0013] 超声波接收器与超声波发射器的连线平行于水位管，且垂直于地面，超声波接收 器与超声波发射器之间的距离为竖直距离。
[0014] 测距读数仪为便携式读数器，能够通过超声波信号输出端口，由计算芯片可直接 显示出浮块超声波发射器与超声波接收器直接的距离。
[0015] 基于超声波负压的地下水位密封测量方法，包括如下步骤：
[0016] (1)成孔钻机在工作区预定测点定位开孔，将土工滤布包裹的透水段进行埋设，预 留30cm长度水位管高于地面，水位管固定后，冲洗水位管内壁，防止土颗粒影响浮块的上 下自由滑动；
[0017] (2)将固定有超声波发射装置的浮块在水桶中进行试验，确认浮块可正常工作的 前提下，将浮块放入步骤（1)已固定的水位管中，超声波接收器固定于顶盖内侧，并从顶盖 引出导线，连接超声波信号输出端口，固定顶盖后，并对顶盖与水位管接口进行密封处理；
[0018] (3)地下水通过透水孔进入水位管，待水位管中地下水位和浮块位置稳定后，测距 读数仪连接超声波信号输出端口，测距读数仪读取第i个波段从浮块传至超声波接收器的 时间（时长）h(1彡i彡N,N表示波段数），其中，Si=vjti，1:占ti+1对应计算出的浮块 顶端与水位管管口的距离相等，得出
S1的平均值为最终浮块顶端距离水位 管管口的距离％;其中，ti表示第i个波段从浮块传至超声波接收器的时间，Vi表示第i个 波段的波速，S1表示通过第i个波段计算获取的浮块顶端与水位管管口之间的距离；
[0019] (4)在工作区之外确定基准点，负压施加前利用水准仪测量水位管上端口的初 始标高Hz。，根据通过超声波接收器获取的浮块顶端距离水位管管口（顶端）的最终距离 (平均距离）s。和浮块顶端超声波发射器距离水面的距离h。，计算出初始地下水位Hq = 扎。-8。-1!。出。是超声波发生器距离水面的距离，直接测试获取，即浮块放置在水中时，浮块露 出水面的高度；
[0020] (5)抽真空施加负压，浮块随着地下水位的变化而上下自由浮动，带动超声波发射 装置上下浮动，计算出第j次浮块顶端距离水位管管口（顶端）的距离8]及相对于基准点 水位管⑴顶端的高程Hz]，由公式民=Hz]-S]_h。，得出第j次地下水位值H];
[0021] 根据测量频率重复步骤（3)、（4)、（5)从而获得负压条件下地下水位的实时变化 值。
[0022] 本发明基于超声波技术，避免了同类型真空负压下地下水位测量技术的复杂性， 达到了如下有益效果：1.超声波测距技术成熟，测量精度高，得出结果精确可靠；2.测量装 置结构简单，易于操作，避免了间接测量带来的误差和繁琐；3.测量装置易于密封且密封 性能好，能够测出真空负压下真实的地下水位；4.测量装置所有组合配件廉价，成本低，适 用于大范围推广。
【附图说明】
[0023]图1为本发明基于超声波负压的地下水位密封测量装置结构示意图；
[0024]图2为本发明超声波发射装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0026] 如图1所示，一种基于超声波负压的地下水位密封测量装置，包括水位管1、浮块 2、超声波发射装置3、超声波接收器4、超声波信号输出端口 5、顶盖6、底盖7、测距读数仪 8、透水孔9、土工滤布10和密封膜11。
[0027] 水位管1为中空管状结构，包括透水段101和测量段102,测量段102穿过密封膜 11后连接透水段101;所述透水段101管壁上设置透水孔9,透水段101管外包裹土工滤布 10 ;所述超声波发射装置3设置在浮块2内，所述浮块2设置在水位管1的测量段102中； 所述顶盖6、底盖7分别设置在水位管1的顶端和底端，所述超声波接收器4固定设置在顶 盖6的内侧，超声波接收器4通过导线连接超声波信号输出端口 5,所述超声波信号输出端 口 5连接测距读数仪8。
[0028] 如图2所示，超声波发射装置3包括超声波发射器31、电源32和触水开关33,超 声波发射器31、电源3