专利名称：单井地下水流速流向及水库渗漏点测量方法及其测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土木工程渗流测量方法及装置，尤其是一种既能测量单井地下水流速流向，又能测量出水库渗漏点的地下水三维流速矢量测量方法及装置，具体地说是一种利用水听器、磁航向传感器、压力传感器和GPS定位器组合而成的单井地下水流速流向及水库渗漏点测量方法及其测量装置。
背景技术：
水文地质勘察是点的观察与测试的科学，测点密度越大，测量精度越高。传统抽压水试验方法很难提高点的密度，所取得的参数在质量，特别在数量上满足不了先进的水文地质评价计算方法的需要。随着国民经济建设的高速发展，愈来愈多的工程建设对地下水渗流引起的潜在的事故隐患，提出了一系列渗流工程需要解决的技术难题。如水库渗漏入口的探测、江河提坝的管涌渗漏、水源地的合理开采、矿山的涌水防治、公路桥涵的地下水渗流、地下铁道的水文地质测量与监护、高层建筑的基坑的排水、农田地下水的溶质运移等等都对地下水渗流的测试方法与研究手段提出了更高更新的要求。长期以来，地下水流速矢的准确测量一直是水文地质工作者研究的课题。1957年德国科学家Moser首先提出利用放射性同位素作为指示剂在单井中测定地下水流速流向的稀释测井方法。于是有多种见诸面世的测定地下水流速流向的装置。最早的有接杆式定向探头；后来有波兰I. B. Hazza发明的P-32吸附与X胶片定向测速装置；日本落合敏郎的三层同位素稀释室定向测速装置；W. Drost和Kiotz等设计的棉纱网吸附测向、活性炭吸附测向装置；美国专利4051368、英国专利2009921和1598837介绍的中子活化测向测速装置；德国慕尼黑水文地质实验室W. Drostl982年测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98111509. 8，还有85107160、86104175 专利介绍的热释光和电离室同位素示踪测量装置等。上述发明虽达到了测量地下水流速流向的要求，但在实际应用中，它们都涉及到放射性物质对环境的影响等缺陷。而且接杆式只适用于浅井测量，且操作麻烦；各种吸附式易造成污染，对深井及井径有一定要求；中子活化，成本高，且存在防护问题；德国的新式探头，工艺复杂，造价昂贵，推广使用受到限制； 热释光、电离室虽工艺简单，造价低廉，却测量数据少，周期长。随着人们对环境意识的提高，对于地下水渗流的测量方法提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是针对目前地下水渗流探测难度大，成本高，效果差且影响环境等问题，设计一种利用声纳信号在水体中的优异传导特性，实现对渗流的直接或间接的敏感测量，从而用于解决水库库底、水下建筑的渗漏入口流速测量以及单井中的水文地质测量、 地下铁路遂道管壁渗漏水的检测和预测预报等的单井地下水流速流向及水库渗漏点测量方法及其测量装置。本发明的技术方案之一是一种单井地下水流速流向声纳测量方法，其特征是它包括以下步骤 首先，在一个柱形测量探头的下端安装一圈水听器，在柱形测量探头的上端安装一个水听器，在柱形测量探头的内部安装一个磁航向传感器；
其次，将柱形测量探头放入待测位置，根据下端的首先探测到声波信号的水听器及上端水听器接收到声波信号的时差及上下端水听器之间的距离计算出渗流点的流速；同时记录下声波信号的强度；
第三，磁航向传感器是根据最先感应到声波信号的传感器与周围的水听器进行测量强度的计算，得出水流矢量相对于探头的运动方向，然后将探头测量到的水流方向与磁航向测量到的地理北极进行叠加，就能够将水流的运动地理方向传送到地面仪表进行计算显示；
第四，根据该点所测量到的水流方向，指导下一个点位的流速矢量测量，重复第一到第四步，再次测量到流速值、方向角、声波信号强度值；
第五，根据上面步骤测量到的工程渗流的全部数据，即可定量地显示出水流运动的矢量值和三维坐标位置。在柱形检测头上安装有压力传感器来感应柱形检测头进入水面以下的坐标位置 Z。在柱形检测头上安装有GPS定位仪，以准确标定渗漏点的X、Y坐标。本发明的技术方案之二是
一种水库地下水渗漏点的方法，其特征是它包括以下步骤
首先，在一个柱形测量探头的下端安装一圈水听器，在柱形测量探头的上端安装一个水听器，在柱形测量探头的内部安装一个磁航向传感器；
其次，将柱形测量探头放入待测位置，根据下端的首先探测到声波信号的水听器及上端水听器接收到声波信号的时差及上下端水听器之间的距离计算出渗流点的流速；同时记录下声波信号的强度；
第三，磁航向传感器是根据最先感应到声波信号的传感器与周围的水听器进行测量强度的权重计算，得出水流矢量相对于探头的运动方向，然后将探头测量到的水流方向与磁航向测量到的地理北极进行叠加，就能够将水流的运动地理方向传送到地面仪表得出水流方向；
第四，根据所测量到的水流方向，使探头沿水流方向移动设定的距离，重复第一到第四步，再次测量到流速值、方向角、声波信号强度值；
第五，根据所测得的流速值即可判定出渗漏点的位置即如果流速值在相邻两个测量点之间出现峰值，则可判定渗漏点位于这两个测量点之间。本发明的技术方案之三是
一种单井地下水流速流向声纳测量仪，其特征是它主要由水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位仪、信号处理电路和计算机组成，所述的水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位系统和信号处理电路安装在充满液体的柱形检测头中，所述的水听器由安装在柱形检测头下端的一圈水听器及安装在柱形检测头上端的一个水听器组成；水听器、磁航向传感器、压力传感器和GPS定位仪信号输出端同时与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与计算机相连。
本发明的有益效果
本发明测量成本低，精度高，低碳，环保。可广泛应用于水库和水下建筑的渗漏入口流速测量；单井水文地质参数测量；地下铁路遂道管壁渗漏水的路径检测和预测预报寸。
图1是本发明流速、流向测量原理图。图2是本发明的测量装置的原理框图。图3是本发明的测量头的组成原理示意图。
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的说明。实施例一。如图1所示。一种单井地下水流速流向声纳测量方法，它包括以下步骤
首先，在一个柱形测量探头的下端安装一圈水听器，在柱形测量探头的上端安装一个水听器，在柱形测量探头的内部安装一个磁航向传感器；
其次，将柱形测量探头放入待测位置，根据下端的首先探测到声波信号的水听器及上端水听器接收到声波信号的时差及上下端水听器之间的距离计算出渗流点的流速；同时记录下声波信号的强度； 流速的计算方法为
利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系，建立连续的渗流场的水流质点流速方程。如图1所示。
2 II T Ui T jjg式中
L一声波在传感器之间传播路径的长度，m;
H—传播路径的轴向分量，m; TBl—探头最高点的传感器感应到声波信号的时间与探头下部一圈传感器中第一个感应到声波的传感器的时间之差，单位秒；
TlB—探头最高点的传感器感应到声波信号的时间与探头下部一圈传感器中最后一个感应到声波的传感器的时间之差的绝对值；单位秒； U—流体的平均流速，m/s。第三，利用磁航向传感器根据最先感应到声波信号的传感器与周围的水听器进行测量强度的计算(计算方法可采用常的数学计算、权重计算、差分计算等数学计算方法)，得出水流矢量相对于探头的运动方向，然后将探头测量到的水流方向与磁航向测量到的地理北极进行叠加，就能够将水流的运动地理方向传送到地面仪表；
第四，根据该点所测量到的水流方向，确定下一个点位的流速矢量测量，重复第一到第四步，再次测量得到流速值、方向角、声波信号强度值；第五，根据上面步骤测量到的工程渗流的全部数据，即可定量地显示出水流运动的矢量值和三维坐标位置。具体测量时还可在柱形检测头上安装有压力传感器来感应柱形检测头进入水面以下的坐标位置Z，也可通过测量绳等之类的常规手段确定测量点的深度。为了确定渗漏点的坐标值，还可在柱形检测头上安装有GPS定位仪，以准确标定渗漏点的X、Y坐标。实施例二。如图1所示。一种水库地下水渗漏点的方法，它包括以下步骤
首先，在一个柱形测量探头的下端安装一圈水听器，在柱形测量探头的上端安装一个水听器，在柱形测量探头的内部安装一个磁航向传感器；
其次，将柱形测量探头放入待测位置，根据下端的首先探测到声波信号的水听器及上端水听器接收到声波信号的时差及上下端水听器之间的距离计算出渗流点的流速，计算方法同实施例一相同；同时记录下声波信号的强度；
第三，磁航向传感器是根据最先感应到声波信号的传感器与周围的水听器进行测量强度的计算，得出水流矢量相对于探头的运动方向，然后将探头测量到的水流方向与磁航向测量到的地理北极进行叠加，就能够将水流的运动地理方向传送到地面仪表得出水流方向；
第四，根据所测量到的水流方向，使探头沿水流方向移动设定的距离，重复第一到第四步，再次测量到流速值、方向角、声波信号强度值；
第五，根据所测得的流速值即可判定出渗漏点的位置即如果流速值在相邻两个测量点之间出现峰值，则可判定渗漏点位于这两个测量点之间。实施例三。如图2、3所示。一种单井地下水流速流向声纳测量仪，它主要由水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位仪、信号处理电路和计算机组成，如图2所示，所述的水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位系统和信号处理电路安装在充满液体的柱形检测头中，如图3所示，所述的水听器由安装在柱形检测头下端的一圈水听器及安装在柱形检测头上端的一个水听器组成；水听器、磁航向传感器、压力传感器和GPS定位仪信号输出端同时与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与计算机相连。本发明的三维流速矢量声纳测量仪， 它主要由测量探头连接电缆与计算机联为一个整体。测量探头内安装有水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位器和信号处理电路。水听器用于二个目的3个以上水听器均勻布置在探头的四周，测量水流的运动方向；测量方向中的最先接受到声波的那个探头与探头顶部的1号传感器构成对渗漏流速的测量。磁航向传感器的作用是把测量探头定位在北极。压力传感器是为了测量探头在水下的坐标(Z)位置。GPS定位器是用来测量探头的X、 Y坐标的。三维流速矢量声纳测量仪的工作流程是，首先用GPS定位器确定探头测量时的X、 Y平面坐标；压力传感器测量探头所在的水下深度坐标Z。有了探头测量时的X、Y、Z坐标定位以后，测量探头中的3个以上均勻分布的水听器就能够测量出渗漏声源发出的声波信号的方向，依据声源的方向与磁航向北极的方向进行叠加就能够把渗流的地理方向传送到地面仪表。然后通过渗流方向上的水听器与探头顶部的1号传感器所接收到的流速声源信号的时间差代入到流速方程计算公式，就能够得到水流的运动速度。同理如水体中有垂向流的运动，根据探头中上下水听器所接收到的时间先后，就能够得到垂向流的运动方向。这样就实现了发明中所要达到的X、Y、Z各方向上的水流流动速度和方向，即三维流速矢量声纳测量仪。本发明的测量原理是
水下声纳渗流探测技术，是利用声波在水中的优异传导特性，而实现对水流渗漏场的测量。静止水体中声纳传播的速度是一个常数，如果被测水域的水体存在渗漏，则必然会在测区产生渗漏流场，声纳探测器能够精细地测量出声波在流体中传播的大小，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系，建立连续的渗流场的水流质点流速方程。如图1所示。
权利要求
1.一种单井地下水流速流向声纳测量方法，其特征是它包括以下步骤首先，在一个柱形测量探头的下端安装一圈水听器，在柱形测量探头的上端安装一个水听器，在柱形测量探头的内部安装一个磁航向传感器；其次，将柱形测量探头放入待测位置，根据下端的首先探测到声波信号的水听器及上端水听器接收到声波信号的时差及上下端水听器之间的距离计算出渗流点的流速；同时记录下声波信号的强度；第三，磁航向传感器是根据最先感应到声波信号的传感器与周围的水听器进行测量强度的计算，得出水流矢量相对于探头的运动方向，然后将探头测量到的水流方向与磁航向测量到的地理北极进行叠加，就能够将水流的运动地理方向传送到地面仪表；第四，根据该点所测量到的水流方向，指导下一个点位的流速矢量测量，重复第一到第四步，再次测量到流速值、方向角、声波信号强度值；第五，根据上面步骤测量到的工程渗流的全部数据，即可定量地显示出水流运动的矢量值和三维坐标位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是在柱形检测头上安装有压力传感器来感应柱形检测头进入水面以下的坐标位置Z。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是在柱形检测头上安装有GPS定位仪，以准确标定渗漏点的X、Y坐标。
4.一种水库地下水渗漏点的方法，其特征是它包括以下步骤首先，在一个柱形测量探头的下端安装一圈水听器，在柱形测量探头的上端安装一个水听器，在柱形测量探头的内部安装一个磁航向传感器；其次，将柱形测量探头放入待测位置，根据下端的首先探测到声波信号的水听器及上端水听器接收到声波信号的时差及上下端水听器之间的距离计算出渗流点的流速；同时记录下声波信号的强度；第三，磁航向传感器是根据最先感应到声波信号的传感器与周围的水听器进行测量强度的权重计算，得出水流矢量相对于探头的运动方向，然后将探头测量到的水流方向与磁航向测量到的地理北极进行叠加，就能够将水流的运动地理方向传送到地面仪表得出水流方向；第四，根据所测量到的水流方向，使探头沿水流方向移动设定的距离，重复第一到第四步，再次测量到流速值、方向角、声波信号强度值；第五，根据所测得的流速值即可判定出渗漏点的位置即如果流速值在相邻两个测量点之间出现峰值，则可判定渗漏点位于这两个测量点之间。
5.一种单井地下水流速流向声纳测量仪，其特征是它主要由水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位仪、信号处理电路和计算机组成，所述的水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位系统和信号处理电路安装在充满液体的柱形检测头中，所述的水听器由安装在柱形检测头下端的一圈水听器及安装在柱形检测头上端的一个水听器组成；水听器、磁航向传感器、压力传感器和GPS定位仪信号输出端同时与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与计算机相连。
全文摘要
一种单井地下水流速流向及水库渗漏点测量方法及其测量装置，其特征是它主要由水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位仪、信号处理电路和计算机组成，所述的水听器、磁航向传感器、压力传感器、GPS定位系统和信号处理电路安装在柱形检测头中，所述的水听器由安装在柱形检测头下端的一圈水听器及安装在柱形检测头上端的一个水听器组成；水听器、磁航向传感器、压力传感器和GPS定位仪信号输出端同时与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与计算机相连。本发明方法简单，无污染，用途广。
文档编号G01M3/02GK102445307SQ20111029563
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月8日 优先权日2011年7月20日
发明者宋晓峰, 杜国平, 杜家佳 申请人:南京帝坝工程科技有限公司