一种自动抽水试验测试装置及实现方法与流程

本发明涉及抽水试验测试装置领域，特别涉及一种自动抽水试验测试装置及实现方法。

背景技术：

工程建设中地下水对工程建筑物和工程建设的影响巨大，比如城市基坑开挖，地下水降水对工程工程建设本身以及周围建筑沉降的影响非常重要，在矿山行业，涉及地下硐室的施工、地下开采。水利行业的大坝修建、引水隧道的建设，公路铁路行业的隧道建设等等工程对查明地下水的性质都很重要。这里查明各地层地下水的富含情况，各层岩土体的水文地质参数是工程建设的一个必要环节。目前最常用和比较可靠的手段就是进行现场抽水试验，通过试验获取相关地层的水文地质参数。

目前，测试所得的数据，钻孔水位、抽水流量、地下水位降深、地下水的水位、温度等多依靠人工读数或者采用单个设备可以实现电子读数、数字显示，至于地下水水位降深的控制，深井泵抽水流量的控制，当地下水出水量不足时，为了满足持续抽水的流量补偿措施，抽水行为的判别，抽水程序和过程的控制，成果资料的生产等均依靠人工完成。

急需进一步技术改进和优化设计。

现有装置存在的问题有：①一场抽水试验需要两到三个技术人员，四到六个工人在现场轮流工作两到三天，其生产成本高，人力精力消耗大，过程繁琐，耗费人力精力，时间成本较高；②人工记录容易出现错漏和误差，数据精度和可靠性不足，数据采集频率不够；③现场人员素质要求高，对地下水位的变化，钻孔抽水流量的变化需要及时判断并作出决策，否则任何一处细节问题或者设备故障均可能导致整个抽水试验失败；④调控措施不及时，试验效果打折；⑤成果资料作图不规范，成果的质量控制不佳，资料记录不完整或者遗漏。

因此，急需一种自动测量仪器装置和实现方法能够解决以上几点问题，实现智能自动测量、判断、调整、记录、处理数据、生成成果报告等，提高抽水试验的质量和效率，降低总体成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种的自动抽水试验测试装置及实现方法，一种抽水试验自动测量、判断、调整、记录、处理数据、生成成果报告的装置和实现方法，能够实现无人值守的全自动抽水试验，并生成成果报告以解决上述背景技术提出的问题。

为了实现以上目的，本发明的技术方案如下：

一种自动抽水试验测试装置，包括抽水钻孔和排水渠，还包括数个观察钻孔、测试装置、流量补偿装置、现场测控模块和处理模块，所述测试装置包括深井泵、水位传感器和温度传感器，深井泵安装在抽水钻孔内并连接有抽水管，抽水管的出水端位于排水渠内，抽水管上安装有电控阀门a和液体涡轮流量计a，抽水钻孔和数个观察钻孔内均安装有水位传感器和温度传感器，所述流量补偿装置包括储水罐，所述储水罐连接有注水管，注水管的出水端位于抽水钻孔内，注水管上安装有电控阀门b和液体涡轮流量计b；

所述现场测控模块包括主控器a，主控器a连接有存储模块a、供电模块、通讯模块a、输入模块a、输出模块a和预留扩展接口；

数个所述水位传感器和温度传感器、电控阀门a、液体涡轮流量计a、深井泵、电控阀门b和液体涡轮流量计b均与主控器a连接。

所述处理模块包括主控器b，主控器b连接有存储模块b、输出模块b、输入模块b和通讯模块b，通讯模块b与通讯模块a连接，处理模块用于处理各水位传感器、温度传感器、液体涡轮流量计a和液体涡轮流量计b的数据。

优选的，所述储水罐连接有水泵，水泵与外部水源连接，所述储水罐内安装有水位探头，水泵和水位探头均与同一个水位继电器连接，水位继电器均与主控器a连接。

优选的，所述抽水钻孔和数个观察钻孔的中心在一条直线上。

自动抽水试验测试装置的实现方法，包括如下步骤，

s1：抽水试验前，观测抽水钻孔的设计水位降深、观测钻孔的静置水位和校核静止水位，每30分钟观测一次直至2小时内变幅不超过1厘米。

s2：开启抽水试验，启动深井泵开始抽水，同步观测、记录抽水钻孔的深井泵的抽水量、抽水钻孔及观察钻孔的水位，进行数据的实时存储；在抽水开始后的第1、2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、60分钟各测一次，若出现稳定趋势以后每隔30分钟观测一次；

若抽水过程中出现深井泵的抽水量骤减，则打开电控阀门b，将储水罐内的水通过注水管通入抽水钻孔内，对抽水钻孔进行流量补偿；

s3：记录并现场绘制q-s曲线和s-t与q-t曲线，其中q是流量，s是降深，t是时间；

s4：结束抽水试验；

s5：根据抽水试验的数据，选取适合的公式计算稳定流多孔抽水试验渗透系数k和稳定流多孔抽水试验测试影响半径r。

本发明的有益效果：

(1)能实现对抽水试验的全自动，无人值守的工作，降低人力成本和时间成本；

(2)提高数据采集频率，并提高实验数据的精度和可靠性，且资料记录完整；

(3)能及时针对地下水位的变化、抽水钻孔内抽水流量的变化做出判断与决策，提高实验成功率。

附图说明

图1为本发明中一种自动抽水试验测试装置的结构示意图；

图2为本发明中一种自动抽水试验测试装置的模块连接示意图；

图3为本发明中一种自动抽水试验测试装置的实现方法流程图；

图4为本发明运行参数实时自动调整方法流程图；

图5为本发明中抽水流量补偿模块自动工作流程图；

图6为本发明中远程测控及后处理模块工作流程图。

图中标记：1-抽水钻孔、2-排水渠、3-观察钻孔、4-深井泵、51-水位传感器、52-温度传感器、6-储水罐、61-注水管、62-水泵、71-电控阀门b、72-液体涡轮流量计b、73-电控阀门a、74-液体涡轮流量计a、8-抽水管。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，然而这不应当被理解为将本发明限制为特定的实施例，仅用于解释和理解：

如图1～图6所示，本实施例提供了一种自动抽水试验测试装置及实现方法。

一种自动抽水试验测试装置，包括抽水钻孔1、排水渠2、数个观察钻孔3、测试装置、流量补偿装置、现场测控模块和处理模块。抽水钻孔1和数个观察钻孔3的中心在一条直线上，数个观察钻孔3距离抽水钻孔1由近到远依次为第一观察钻孔、第二观察钻孔、第三观察钻孔……第n观察钻孔，数个观察钻孔3之间的间距分别为l1、l2……ln，满足抽水试验的间距要求，一般的根据潜水或承压水类型的不同以及地层岩土体性质的不同，间距5m～50m不等。

测试装置包括深井泵4、水位传感器51、温度传感器52和储水罐6，深井泵4安装在抽水钻孔1内并连接有抽水管8，抽水管8的出水端位于排水渠2内，抽水管8上安装有电控阀门a73和液体涡轮流量计a74，抽水钻孔1和数个观察钻孔3内均安装有水位传感器51和温度传感器52。水位传感器51用于测量各钻孔内的水位，温度传感器52用于测量各钻孔的水温，避免水温异常影响实验。

流量补偿装置包括储水罐6，储水罐6连接有注水管61，注水管61的出水端位于抽水钻孔1内，注水管61上安装有电控阀门b71和液体涡轮流量计b72，所述储水罐6连接有水泵62，水泵62与外部水源连接，所述储水罐6内安装有水位探头。

电控阀门a73和电控阀门b71均采用电控球形阀门或电控蝶形阀门。

所述现场测控模块包括主控器a，主控器a连接有存储模块a、供电模块、通讯模块a、输入模块a、输出模块a和预留扩展接口。

数个所述水位传感器51、温度传感器52、液体涡轮流量计a74、电控阀门b71和液体涡轮流量计b72均通过输入模块a与主控器a连接。主控器a通过输出模块a与深井泵4、电控阀门a73和电控阀门b71连接。控制电控阀门a73和电控阀门b71开合的程序预存在主控器a内，使主控器a能远程并自由灵活地控制电控阀门a73和电控阀门b71的张合度，以控制注水管61的注水量大小和排水管的排水量大小。主控器a可以选用贴片式c51单片机、arm系列主控芯片如：stm32系列、兆易gd32系列等。

水泵62和水位探头均与同一个水位继电器连接，水位继电器均与主控器a连接，水位探头将探测到的储水罐6内的水位传输给水位继电器，水位继电器判断液位后通过控制水泵62的运行与否实现对储水罐6内液位的控制。液体涡轮流量计a74和液体涡轮流量计b72均采用lwgy系列液体涡轮流量计。

所述处理模块包括主控器b，主控器b连接有存储模块b、输出模块b、输入模块b和通讯模块b，通讯模块b与通讯模块a根据距离的远近采取不同的连接方式，当距离较近如直线距离100m以内时，可采用采用zigbee、wifi、蓝牙连接，当距离较远时可采用gprs无线上网连接。当距离在10m以内时也可以采用有线连接，有线连接方式采用rs232、rs485、iic协议。

处理模块用于实时同步和处理各水位传感器51、温度传感器52、液体涡轮流量计a74和液体涡轮流量计b72的数据，并根据测控参数进行实时自动调整、控制各现场设备的参数，直至现场测试圆满结束，同时，技术人员可以通过处理模块在现场或远程实时监控测量参数，并决定是否采取人工干预的方式控制试验的各个设备运行状态。

深井泵4采用适用范围流量较大且变频能力较强的深井泵4，深井泵4最大抽水流量应大于预估抽水量的1/3，深井泵4单位时间抽水流量为qb，且qb的范围为q1～q2m³/h。抽水钻孔1第i次降深的出水流量为q0im³/h，抽水钻孔1中设计水位降深hi位置依次为抽水试验第三降深水位、抽水试验第二降深水位、抽水试验第一降深水位、抽水钻孔1原始静止水位。

结合试验要求和现场情况根据试验项目设计文件要求，预设试验的各项指标参数，如设计钻孔地下水位降深、抽水降深次数、水位稳定标准、稳定后持续试验时间、试验成果图的作图方式、选择一个或多个试验适宜的经验或理论计算公式、变频电机和电控阀门的控制参数，试验结束条件将这些参数初始化为预设参数。深井泵4优选预估抽水量和扬程在额定抽水量和扬程的1/3～2/3量程范围内的设备，其它的各传感器也应满足精度和使用场景要求。

自动抽水试验测试装置的实现方法，包括如下步骤：

s1：抽水试验前，观测抽水钻孔1的设计水位降深、观测钻孔的静置水位和校核静止水位，每30分钟观测一次直至2小时内变幅不超过1厘米。

s2：开启抽水试验，启动深井泵4开始抽水，同步观测、记录抽水钻孔1的深井泵4的抽水量、抽水钻孔1及观察钻孔3的水位，进行数据的实时存储；在抽水开始后的第1、2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、60分钟各测一次，若出现稳定趋势以后每隔30分钟观测一次；

若抽水过程中出现深井泵4的抽水量骤减，则打开电控阀门b71，将储水罐6内的水通过注水管61通入抽水钻孔1内，对抽水钻孔1进行流量补偿；

s3：记录并现场绘制q-s曲线和s-t与q-t曲线，其中q是流量，s是降深，t是时间；

s4：结束抽水试验；

s5：根据抽水试验的数据，选取适合的公式计算稳定流多孔抽水试验渗透系数k和稳定流多孔抽水试验测试影响半径r。

本实施例中，自动抽水试验测试装置的实现方法，包括如下具体步骤：

ss1：使主控器a连接主控器b，实时同步数据指令；

ss2：启动深井泵4，同步观测、记录抽水钻孔1的涌水量和抽水钻孔1及观察钻孔3的动水位，进行数据的实时存储；

ss3：在抽水开始后的第1、2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、60分钟各测一次，出现稳定趋势以后每隔30分钟观测一次；；

ss4：记录并现场绘制q-s曲线和s-t与q-t曲线；

ss5：对数据进行判断，

若数据满足要求，则执行ss6，

若数据不满足要求，则对数据进行判断，若水量满足要求，则执行ss5.1

若水量满足要求，则执行ss5.2；

ss5.1：检修或更换设备，并执行ss1；

ss5.2：判断是否启动流量补偿装置，

若是，则进行流量补偿后，执行ss3，

若否，则执行ss3；

ss6：关闭深井泵4，同步观测抽水钻孔1和观察钻孔3的恢复水位，观测时间按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120分钟的间隔观测，以后隔30分钟观测一次，对进行数据的实时存储；

ss7：判断数据是否满足结束要求，

若是，则停止测试，

若否，则调整水位降深测量，执行ss1。

以上ss5.2中，判断是否启动流量补偿装置的条件为：

条件一：在抽水稳定延续时间内，实测涌水量的最大值与最小值之差应小于平均涌水量的5％，且涌水量应无持续变大或变小的趋势；

条件二：在抽水稳定延续时间内，采用深井泵4抽水过程中，抽水钻孔1测压管的水位波动值不应大于3cm，同一时间观察钻孔3内的水位波动值不应大于1cm，且动水位应无持续上升或下降的趋势；

若满足以上条件一与条件二，则无需启动流量补偿装置。

根据以上自动抽水试验测试装置的实现方法得到的数据，自动抽水试验测试渗透系数计算公式为：

自动抽水试验测试影响半径r计算公式为：

式中，

k为含水层渗透系数(m/d)

q为抽水井流量(m³/d)，即钻孔第i次降深，稳定后的出水流量为q0i，qb为深井泵4的功率

h为天然情况下潜水含水层厚度

s1为第一观察钻孔中水位的降深变化值

s2为第二观察钻孔中水位的降深变化值

r1、r2分别为第一观察钻孔和第二观察钻孔至抽水钻孔1间的中心距离，r1＝l1，r2＝l1+l2

b为抽水钻孔1中心至补给边界或隔水边界的垂直距离

所述深井泵4的控制方案包括，当q1＜qb＜q0i＜q2时，加大深井泵4功率；当q1＜q0i＜qb＜q2时，减小深井泵4功率；当q2＜q0i时，更换大功率深井泵4；当q0i＜q1时，换额定最小流量q1更小的深井泵4或启动流量补偿装置开始流量补偿后测量，hi、s1、s2小于设计值时加大深井泵4功率，即增加实时qb值，反之hi、s1、s2大于设计值时减小深井泵4功率，即减小实时qb值，hi为抽水钻孔1第i次水位降深。

所述流量补偿装置的进、出水流量为q′，当q1＜q′+q0i＜q2，即q′＞q1-q0i，q′＜q2-q0i，首次启动按q′取流量补偿模块37的稳定流量最大值开始测量，q0i、q′等各时段流量控制分别由现场测控模块34控制电控阀门a73、电控阀门b71和水泵62实时控制。

对流量补偿装置的控制方案包括，当q′＜q1-q0i，增大电控阀门b71的开合度，当q′＞q2-q0i，减小电控阀门b71的开合度。

流量补偿装置自动工作流程及控制原理，如图5，包括：

s4.1：打开电控阀门b71，液体涡轮流量计b72进行实时测量，水位继电器；

s4.2：对测量数据进行实时存储和同步；

s4.3：判断流量是否满足要求

若否，则对电控阀门b71进行调节，

若是，则执行s4.4；

s4.4：液体涡轮流量计b72持续测量，并执行s4.2。

处理模块中预装相关的控制程序及数据后处理分析程序，设计参数及后处理的方法、公式、图表根据相关规定和技术标准预置在程序中，处理模块的工作程序和方法如图6所示，包括：

s3.1：实时同步测量和设备运行数据；

s3.2：数据分析处理，实时成图；

s3.3：判断数据是否满足技术要求；

若否，则预判原因，并发出修正指令，执行s3.1

若是，则执行s3.4；

s3.4：维持测量；

s3.5：现场测试完成；

s3.6：生成成果数据图表；

s3.7：分析计算试验参数及成果图表；

s3.8：测试数据质量评价并结束。

设备运行参数实时自动调整方法流程如图4所示，包括：

s2.1：启动深井泵4和液体涡轮流量计a74，对流量数据实时存储和同步；

s2.2：判断水位是否稳定，

若是，则维持测量，并对流量数据实时存储和同步，

若否，则执行s2.3；

s2.3：判断抽水钻孔1内水位降升程度，

若降深相差小，则微调电控阀门a73后，执行s2.2，

若降深过大，则减少深井泵4功率后，执行s2.2，

若降深过小，则加大变频深井泵4功率后，执行s2.2。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。