专利名称：三维流速矢量能量与质量测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土木工程检测设备，尤其是一种用于地下水流速质点运动的能量与质量检测设备，具体地说是一种三维流速矢量能量与质量测量仪。
背景技术：
众所周知，所有土木工程基础的建设均涉及二个重要的影响因素，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止来自前者的浸蚀与危害。要使二者达到和平相处，长治久安，必须建立一套完备有效的监测机制。本发明为此提出用能量与质量守恒原理，建立起因流速矢量场引起的建筑物质的迁移来达到实施的对地下隐蔽工程进行定量化的预测和预报。1856年法国工程师H.-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，奠定了地下水渗流力学的理论。然而，此理论在土木工程应用中主要是以渗透系数K值出现的。传统方法获得此值，大部分是通过取土样，在室内进行渗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，因此，重要的工程建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.Dupuit，创立的“裘布依抽水试验理论”，150年来，已经形成法定性的，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产实践的需要。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操作者的要求极高。所以，造成此种试验的数量愈来愈少。更主要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量，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首次提出利用同位素示踪测定含水层渗透流速的稀释测井法。由于能在天然流场下的单井中对多含水层地下水进行渗透流速、流向及垂向流测定，因比抽水试验费用低，容易实施，而受到各国水文地质学家的关注与使用，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1.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核素物质对人体和环境的影响等缺陷与负面作用，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用。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(水头差)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，传统抽压水试验是以被动方法去研究阻水介质的渗透特性，即地质构造体系的完好程度。而主动的“能量与质量渗流测量方法”，则主要揭示地下水渗流质点的运移及其在时空的能量与质量的分布大小。声纳探测器阵列能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小与分布，依据声纳探测器阵列测量数据的时空分布，即可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、盐份、水的容重、温度等质量量化指标的空间分布。有了现场原位同步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，定量地解决一系列土木工程渗漏中急需要解决关键技术问题，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。中国专利:单井地下水流速流向及水库渗漏点测量方法及其装置(申请号201110295635.5)虽然给出了水流质点运动速度与矢量，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，这就需要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行量化。杜绝地下工程隐患的发生，造福人类。
发明内容
本发明的目的是针对现有地下水渗流测量仪器不能及时测量和及时反应地下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量，从而，得出相应的三维流速矢量能量与质量测量仪。本发明的技术方案是:
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1，该弹性皮囊I的两端各安装有一个刚性堵头2，所述弹性皮囊I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上设有电缆连接线进出孔，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算机中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量；
一渗漏点质量测量装置14，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定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,下声纳传感器阵列4用于确定声源方向，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用于确定声源到达测量仪的时差；
一航向定位器5，该航向传感器用于根据最先感应到声源信号的下声纳传感器阵列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置；一压力传感器6，该压力传感器6安装在圆柱形密封腔体中，用于确定测量仪所处水位的深度，以便于测量仪位置的确定；
一电子讯号处理系统7，它用于接收上声纳传感器3、下声纳传感器阵列4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11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中进行处理从而得到测量点的地下水的流动方向和速度。所述的航向传感器5为罗盘、磁传感器、驼罗仪或电子驼罗仪。所述的渗漏点质量测量装置14包括:
一电导电极传感器10，该电导电极传感器位于刚性堵头2的外表面上，能够与测量的水体接触，测量出水体中的导电率与盐份送入计算机8中；
一温度传感器11，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根据所测得的电导率和温度的变化得出测量点的质量变化，如果变化率大于一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I应采用与水体波速传递速度相近的皮质材料并具有绝缘、坚固的性倉泛。所述的皮囊I中所注的液体应与水体波速传递速度相近并绝缘不导电。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3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10为石墨、不锈钢、钛合金或钼金电极传感器。所述的温度传感器11为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)或IC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。因为它能够对地下水的任一空间点的水平流速和垂向流速及其矢量进行准确测量，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与地下工程渗流相关的各种水文地质工程渗流方案。声纳渗流探测技术是对同位素示踪测量危机的革命性升级和创新替代产品。具有测量准确、高效、环保和便捷的应用特点，在水利、水电、地热能开发、废物库的选址、地质灾害评估、地铁渗流监护、石油管线水文地质调查、基坑止水墙质量检测等领域具有广泛的应用前景，已取得非常好的应用效果。本发明不仅能获得地下水文参数，而且可用于查找水库大坝、江河堤坝管涌渗漏的渗漏点，为快速、准确地确定渗漏点，及时发现安全隐患，防患于未然。本发明明确了皮囊中各检测元件的位置关系，并将GPS创造性地直接与计算机相连，具有结构简单，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、温度等质量量化指标的空间分布。有了现场原位同步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，定量地解决一系列土木工程渗漏中急需要解决关键技术问题，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、地下连续墙体的止水幕墙质量检测、地下水溶质运移与扩散测量等等。本发明从能量与质量守恒原理出发，通过对流速矢量质量引起的建筑物质的迁移实现了实时对地下隐蔽工程进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渗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、监测全面。
图1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渗流监测中的应用原理图。
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。如图1、2所示。一种三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12、渗漏点质量测量装置14、计算机8和GPS定位仪9，如图1所示，弹性皮囊I的两端各安装有一个刚性密封堵头2，所述弹性皮囊I及所述的刚性密封堵头2形成一圆柱形密封腔体，其中上端的刚性密封堵头上设有电缆连接线进出孔，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13，皮囊I应采用与水体波速传递速度相近的皮质材料并具有绝缘性能，具体实施时可采用坚固、有柔性的聚氨酯等材料制作，皮囊I中所注的液体应与水体波速传递速度相近并绝缘不导电(如硅油)。流速矢量能量测量装置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算机中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量；渗漏点质量测量装置14，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定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。本发明的流速矢量能量测量装置12包括:上声纳传感器3、下声纳传感器阵列4、航向定位器5、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用于确定声源到达测量仪的时差；上声纳传感器3和下声纳传感器阵列4中的声纳传感器可为水听器、换能器、陶瓷水听器或纤维水听器，下声纳传感器阵列4中的声纳传感器的数量至少为3个，它们沿同一个圆周平面的边缘均匀布置。航向传感器用于根据最先感应到声源信号的下声纳传感器阵列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置，航向传感器5可为罗盘、磁传感器、驼罗仪或电子驼罗仪；电子讯号处理系统7用于接收上声纳传感器3、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字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自行设计制造；所述的GPS定位仪9与计算机8相连，用于确定测量仪所处的地理位置；
本发明的渗漏点质量测量装置14包括电导电极传感器10和温度传感器11，电导电极传感器位于刚性堵头2的外表面上，能够与测量的水体接触，测量出水体中的导电率与盐份送入计算机8中；温度传感器11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根据所测得的电导率和温度的变化得出测量点的质量变化，如果变化率大于一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。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测量出水体中的导电率与盐份；温度传感器11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触，通过温度传感器直接测量出水体中的温度值，通过电导、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。加上现场原位同步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(可采用201110295635.5所公开的方法)就能够从能量与质量变化量的监控中，定量地解决一系列土木工程渗漏中急需要解决关键技术问题，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；所述的上声纳传感器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8、485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中的电子讯号处理系统7相连。当本发明的测量仪用于水库渗漏点检测时，还应在圆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可采用电阻式、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测量装置中的声纳、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渗漏点的定位，通过对渗漏点电导率的变化率及温度的变化量即可确定渗漏点的渗漏孔是否扩大，会不会造成管涌，为及时采取相应的补救措施提供第一手的资料，对提高水库大坝的安全性十分重要，为预防和防止溃坝提供重要的依据。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。
权利要求
1.一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(I )，该弹性皮囊(I)的两端各安装有一个刚性堵头(2)，所述弹性皮囊(I)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上设有电缆连接线进出孔，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算机中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量； 一渗漏点质量测量装置(14)，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定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。
2.根据权利要求1所述的三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是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),下声纳传感器阵列(4)用于确定声源方向，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用于确定声源到达测量仪的时差； 一航向定位器(5)，该航向传感器用于根据最先感应到声源信号的下声纳传感器阵列(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置； 一压力传感器(6)，该压力传感器(6)安装在圆柱形密封腔体中，用于确定测量仪所处水位的深度，以便于测量仪位置的确定； 一电子讯号处理系统(7),它用于接收上声纳传感器(3)、下声纳传感器阵列(4)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(11)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)中进行处理从而得到测量点的地下水的流动方向和速度。
3.根据权利要求1所述的三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是所述的航向传感器(5)为罗盘、磁传感器、驼罗仪或电子驼罗仪。
4.根据权利要求1所述的三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是所述的渗漏点质量测量装置(14)包括: 一电导电极传感器(10)，该电导电极传感器位于刚性堵头(2)的外表面上，能够与测量的水体接触，测量出水体中的导电率与盐份送入计算机(8)中； 一温度传感器(11)，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)根据所测得的电导率和温度的变化得出测量点的质量变化。
5.根据权利要求1所述的三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是所述的皮囊(I)应采用与水体波速传递速度相近的皮质材料并具有绝缘、坚固性能。
6.根据权利要求1所述的三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是皮囊(I)中所注的液体应与水体波速传递速度相近并绝缘不导电。
7.根据权利要求1所述的三维流速矢量声纳测量仪，其特征是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3个，它们沿同一个圆周平面的边缘均匀布置。
8.根据权利要求4所述的三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是所述的电导电极传感器(10)为石墨、不锈钢、钛合金或钼金电极传感器。
9.根据权利要求4所述的三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是所述的温度传感器(11)为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)或IC温度传感器。
全文摘要
一种三维流速矢量能量与质量测量仪，其特征是它包括弹性皮囊(1)，弹性皮囊(1)的两端各安装有一个刚性密封堵头(2)，所述弹性皮囊(1)及所述的刚性密封堵头(2)形成一圆柱形密封腔体，其中上端的刚性密封堵头上设有电缆连接线进出孔，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；圆柱形密封腔体中安装有测量流速矢量能量的测量装置及测量质量的装置。它具有结构简单，制造方便、检测全面的优点。
文档编号G01P13/02GK103148992SQ20131007642
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者杜国平, 杜家佳, 宋晓峰, 杜广林 申请人:南京帝坝工程科技有限公司