多钻孔含水层水流流速流向测定系统的制作方法

本实用新型涉及水文地质参数测定技术系统，具体涉及一种多钻孔含水层水流流速流向测定系统。

背景技术：

在工程实践中，许多工程项目需要在工程场地施工多个钻孔进行水文地质及工程地质参数采测，以能够较准确评价工程施工时的水文地质条件，例如矿山井筒工程，会在井筒施工前，施工一系列井筒检查孔；在井筒穿过厚松散层中需要利用施工多外冻结孔进行地层冻结等，期间需要掌握地下水含水层的水流流速和流向等参数，有效指导井筒灌注浆等工程施工。

钻孔施工过程中揭露有深部地下水含水层，其含水层的水流流速、流向等是一项重要的水文地质参数。这些参数的掌握对于了解地下水流动及钻孔灌注浆等工程施工具有重要的指导意义。

目前，测定地下水流速流向的方法主要有间接的抽水实验法和直接的示踪法。间接抽水实验法通过三角形钻孔法绘得等水位线图，间接算得流速流向，且抽水试验会扰动天然流场，其结果可靠性和代表性差，而且该方法操作复杂，尤其在含水层大埋深时更难实施。直接示踪法主要为单井同位素稀释技术，以放射性同位素为示踪剂。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，至今为止，该方法测定含水层中地下水的渗透流速流向取得了极大的成功。但是该方法还是存在着不可忽视的缺点，同位素单孔稀释试验在示踪剂投放过程中属于带有放射性操作，放射性同位素的存放、现场投放、防护、测试以及辅助人员配合工作容易发生放射性事故，对工作人员人身健康及环境造成极其严重的伤害。且放射性示踪剂种类稀少并且每次使用前都需重新检验其是否适用，存在一定的局限性。

直接示踪法一般包括多孔示踪试验与单孔示踪试验：

多孔示踪试验一般包括一个投源孔与若干个监测孔，在投源孔内投入示踪剂，在监测孔内监测示踪剂浓度的变化，由于孔的数量较多，所以试验成本高，试验周期长；

单孔示踪试验是一种基于单孔稀释理论的流速流向探测方法，在目前地下水流速流向探测中有着广泛的应用，但是在探测过程中，需要探头位于钻孔中央才能准确测量到流速与流向，而由于探头尺寸与钻孔大小有着一定的差距，一般在测量过程中都会出现偏心的情况，从而导致测量失真。并且，在现有的探测装置中，装置的探头一般较大，以放置所需要的模块，由于探头的作用，地下水会因探头的存在而受到干扰，因此使探测到的结果产生误差。而深部钻孔的含水层一般埋深较大，相关方法不适用于进行井中测量，

因此，亟需一种更加安全、快捷准确的深孔地下水流速流向测定方法及系统。

技术实现要素：

鉴于此，本实用新型提供一种多钻孔含水层水流流速流向测定系统，基于多钻孔条件，利用充电法，在多个钻孔中布置测试系统，通过等电位点测量，可以高效、快捷、准确、无放射性污染地测定深孔地下水的流速流向。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供一种多钻孔含水层水流流速流向测定系统，包括：

钻孔，所述钻孔有多个，设置在目标区域地面，钻孔深度不低于目标区域的土壤含水层深度；

电极，所述电极有多个，分别设置在钻孔内部，电极端部与含水层水流接触，用于导电；

供电装置，所述供电装置与其中一个电极连接，用于通过电极向含水层内水流供电；

测量装置，所述测量装置与其余电极连接，用于通过电极测量电极末端含水层的电位。

在上述的多钻孔含水层水流流速流向测定系统中，优选地，还包括：

计时装置，所述计时装置用于记录对电极或钻孔进行操作时间；

优选地，所述计时装置用于记录向钻孔投放电解质的时间和每次测量电位的时间。

在上述的多钻孔含水层水流流速流向测定系统中，优选地，所述钻孔按一定规律分布；

优选地，所述钻孔呈米字形或十字形排布；

再优选地，电极包括供电电极和测量电极，所述供电电极设置在十字形或米字形中心位置的钻孔内部，多个所述测量电极分别设置在其余钻孔内部；

再优选地，所述供电电极与供电装置连接，所述测量电极与测量装置连接；

再优选地，所述供电电极与测量电极末端均处于含水层同一深度。

在上述的多钻孔含水层水流流速流向测定系统中，优选地，所述测量装置包括测试仪器、测量电缆和滑轮，所述测试仪器设置在钻孔外部地面，所述滑轮固定设置在钻孔孔口上方，所述测量电缆一端连接测试仪器，另一端绕过滑轮后竖直伸入钻孔并连接钻孔内部的测量电极；

优选地，所述供电装置包括电源、供电电缆和滑轮，所述电源设置在钻孔外部地面，所述滑轮固定设置在钻孔孔口上方，所述供电电缆一端连接测试仪器，另一端绕过滑轮后竖直伸入钻孔并连接钻孔内部的供电电极。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有如下优异效果：

本实用新型提供了一种多钻孔含水层水流流速流向测定系统，具有如下

有益效果：

1、本实用新型的测定方法工作原理明确，测量过程简单方便，生产效率高，结果准确可靠，具有广泛的适用性；

2、本实用新型的测定方法所用元器件普遍，无需特殊处理，造价低廉，方法容易实现；

3、本实用新型的测定方法所采用的充电体规模越大，埋藏越浅，应用充电法的效果越理想，该方法将测点设置在钻孔含水层中，充电体规模较大，相对埋藏较浅，方法应用较为理想；

4、本实用新型的测定方法投放电解质，不会发生放射性事故，不会对工作人员人身健康及环境造成极其严重的伤害。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。其中：

图1为本实用新型一实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定方法的流程示意图；

图2为本实用新型另一实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定方法的流程示意图；

图3为本实用新型另一实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定方法的流程示意图；

图4为正常等位线与异常等位线确定流向的原理示意图；

图5为本实用新型实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定系统的结构示意图；

图6为本实用新型实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定系统的测量装置结构示意图；

图7为本实用新型实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定系统的供电装置结构示意图。

附图标记说明：

1-中心钻孔；2-正常等位线；3-第一异常等位线；4-第一流向；5-第二异常等位线；6-第二流向；7-最终流向；8-测量钻孔；9-供电电缆；10-滑轮；11-含水层；12-供电电极；13-电源；14-测试仪器；15-测量电缆；16-测量电极。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，根据本实用新型的实施例，提供了一种多钻孔含水层水流流速流向测定方法，包括以下步骤：

步骤S101、在多个钻孔中设置电极；电极设置在钻孔内的目标含水层中心，所谓目标含水层，即为需要测定地下水流向流速的含水层。

步骤S102、对其中一个钻孔中的电极供电；根据预测的地下水流向选取合适位置的钻孔，对该钻孔内部的电极进行供电。例如，预测地下水流向为自西向东，则选取靠近西侧的钻孔，对其内的电极进行供电；在例如，无法预测地下水流向，则选取多个钻孔中的中心位置处钻孔，对其内的电极进行供电。

步骤S103、在供电电极的钻孔中投入电解质，并记录投放时间。

步骤S104、测量其余钻孔中的电极电位，并记录电位测量时间。

步骤S105、确定含水层水流的流速和流向。在钻孔中研究的目标含水层位置投放电解质作为指示剂，因钻孔揭露了含水层，在钻孔中放入电解质，电解质将不断地被地下水溶解而带入含水层中，且会在钻孔周围的含水层中形成一个沿水流方向延伸的电解质低阻带，此低阻带在电场中呈一等电位体。通过对含水层中电解质低阻带在电场中产生的等电位线随时间的位移，测定地下水流向和地下水流速。本实施例的多钻孔含水层水流流速流向测定方法可完成矿井深孔含水层流速流向等水文地质参数测定。

如图2所示，根据本实用新型的实施例，提供了另一种具体的多钻孔含水层水流流速流向测定方法，包括以下步骤：

步骤S201、在目标区域地面布置多个钻孔，多个所述钻孔按一定规律分布；按一定的几何规律分布钻孔，对于不同情况的地形，选择不同的钻孔分布规律，更有利于记录和测量钻孔的位置信息，也可以对工程现场的现有钻孔加以利用，有规律的选取一些钻孔。

步骤S202、测量并记录每个钻孔的位置数据；记录钻孔位置信息，以便在绘制等位线或计算流速时提供更为直观的水文地质参数。

步骤S203、在多个钻孔中设置电极。

步骤S204、对其中一个钻孔中的电极供电；通过直流电源对供电电极进行供电，该供电电极以及供电电极附近得到高的电位。

步骤S205、测量其余钻孔电极电位，得到正常等位线；将无穷远处作为零电位点，针对某一预定数值的电位在钻孔中测量并寻找等电位点，对于按一定几何规律分布的钻孔及电极，将得到多个等电位点，由多个等电位点的钻孔位置，以供电电极钻孔为中心，绘制该预定数值的电位的等位线，作为正常等位线，理论上的正常等位线为圆形。

步骤S206、在供电电极的钻孔中投入电解质，并记录投放时间；投入电解质盐化目标含水层的地下水，在钻孔周围的含水层中形成一个沿水流方向延伸的电解质低阻带，此低阻带在电场中呈一等电位体。

步骤S207、投放电解质一定时间(视地下水流速而定，一般为2h～3h；在流速很慢的地区，有时需隔5h～6h)后，测量其余钻孔中电极电位，得到异常等位线。本实用新型中所指的投放电解质一定时间后开始测量钻孔中电极电位中的一定时间是根据实际生产应用中地质概况进行设定的，本实用新型对此不做限定。

步骤S208、重复测量其余钻孔中电极电位，得到多条异常等位线。

步骤S209、将异常等位线与正常等位线进行比较，得到含水层水流的流向；多个异常等位线均为椭圆形，椭圆长轴指向地下水流动方向，由于测量以及地质环境的影响，将出现多条不重合的长轴，选取长轴密集处，或者中间位置的长轴作为含水层地下水水流的最终流向；这样选择可以提高地下水流向测定的精度，忽略测量以及地质环境所带来的细微误差。

如图4所示，图4为正常等位线与异常等位线确定流向的原理示意图；理论正常等位线2为圆形，经过两批次的等位点测量，得到两条异常等位线，分别为第一异常等位线3和第二异常等位线5，由第一异常等位线3和第二异常等位线5分别得到第一流向4和第二流向6，在第一流向4和第二流向6的中间位置确定最终流向7。

步骤S210、沿同一方向对多个钻孔中的电极进行等位点监测，并分别记录监测时间。

步骤S211、根据测得等位点的位置和监测时间，计算含水层水流流速；选取最接近地下水流向的一条射线上的钻孔进行等位点测量，并分别记录测得等位点的时间，由测得时间和等电位的位移可以算出地下水在该射线上的流动速度，最后根据该射线方向与地下水之间的流向之间的夹角，结合三角函数，算得含水层地下水的最终流速。

在本实施例中，地下水盐化后，针对某一方向的钻孔进行三次等电位点观测，会得到三次测得等电位点钻孔距中心钻孔的距离，以及三次测定等电位点的时间，利用如下公式进行地下水流速计算：

其中，t1，t2，t3为三次测定等电位点的时间；S1，S2，S3为三次测得等电位点距中心点的位移。

该方向与最终流向之间的夹角记为θ，根据三角函数速度拆分方法，最终流速V＝v/cosθ。

综上所述，即算得目标区域含水层地下水流向与流速。

如图3所示，根据本实用新型的实施例，提供了另一种具体的多钻孔含水层水流流速流向测定方法，包括以下步骤：

步骤S301、在目标区域米字形布置多个钻孔；工程现场施工多个钻孔，钻孔呈米字形分布，米字形中心处为中心钻孔，中心钻孔的东、西、南、北方向分别记为E、W、S、N，因此米字形分布的钻孔方向分别记为N、NE、E、SE、S、SW、W、NW，沿8个方向分别等间距设置多个钻孔。

步骤S302、测量并记录每个钻孔与中心钻孔的距离；对N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方向的钻孔进行编号，测量并记录每个钻孔与中心钻孔的距离。

步骤S303、在多个钻孔中设置电极；在中心钻孔中设置供电电极，在其余钻孔中设置测量电极，将供电电极置于中心钻孔中的目标含水层中心，将无穷远处作为零电位点，供电电极供电后，含水层电极从中心钻孔向无穷远处逐渐降低，无穷远电极距约为含水层深度的10倍；测量电极置于其余钻孔内的目标含水层中心。

步骤S304、对中心钻孔中的电极供电；通过直流电源对供电电极进行供电，中心钻孔的电极以及电极附近得到高的电位。

步骤S305、测量其余钻孔电极电位，绘制正常等位线；将无穷远处作为零电位点，针对某一预定数值的电位在钻孔中测量并寻找等电位点，对于米字形分布的钻孔及电极，将得到8个等电位点，由8个等电位点的钻孔位置，以中心钻孔为中心，绘制该预定数值的电位的等位线，作为正常等位线，理论上的正常等位线为圆形。

步骤S306、在中心钻孔中投入食盐，并记录投放时间；食盐作为一种导电率较好的电解质，可以实现中心钻孔电极

步骤S307、投放食盐一定时间后，测量其余钻孔中电极电位，得到异常等位线；将无穷远处作为零电位点，针对该预定数值的电位在钻孔中测量并寻找等电位点，对于米字形分布的钻孔及电极，将得到8个等电位点，由8个等电位点的钻孔位置，以中心钻孔为中心，绘制该预定数值的电位的等位线，作为异常等位线，如图4所示，理论上的异常等位线为椭圆形，椭圆的长轴方向即异常等位线相对于正常等位线的最大位移方向，视为含水层地下水流向。

步骤S308、重复测量其余钻孔中电极电位，得到多条异常等位线；间隔一定时间后，寻找该预定数值的电位在其余钻孔中的分布位置，随着含水层地下水食盐溶液流动与扩散，将会得到另一条不同的异常等位线；每间隔一定的时间，重复寻找该预定数值的等电位点，得到多条不同异常等位线。

步骤S309、将异常等位线与正常等位线进行比较，得到含水层水流的流向；多个异常等位线均为椭圆形，由于测量以及地质环境的影响，将出现多条不重合的长轴，选取长轴密集处，或者中间位置的长轴作为含水层地下水水流的最终流向；这样选择可以提高地下水流向测定的精度，忽略测量以及地质环境所带来的细微误差。

如图4所示，图4为正常等位线与异常等位线确定流向的原理示意图；理论正常等位线2为圆形，正常等位线2是以中心钻孔1为圆心的圆形，经过两批次的等位点测量，得到两条异常等位线，分别为第一异常等位线3和第二异常等位线5，由第一异常等位线3和第二异常等位线5分别得到第一流向4和第二流向6，在第一流向4和第二流向6的中间位置确定最终流向7。

在本实用新型的其它实施例中，更多批次的测量等位点，等到更多的异常等位线，以便更为精准的确定最终流向。

步骤S310、沿同一方向对多个钻孔中的电极进行等位点监测，并分别记录监测时间；米字形分布的钻孔可以得到8个的钻孔分布方向，将这8个方向视为8条射线，选取最接近最终流向的射线最为进行等位点监测的方向。

步骤S311、根据测得等位点的位置和监测时间，计算含水层水流流速；米字形分布的钻孔呈现8条射线，钻孔及电极则在这8条射线上分布，公共原点即为中心钻孔，由于所测得的地下水流向可能与8条射线均不重合，因此选取最接近地下水流向的一条射线上的钻孔进行等位点测量，并分别记录测得等位点的时间，由测得时间和等电位的位移可以算出地下水在该射线上的流动速度，最后根据该射线方向与地下水之间的流向之间的夹角，结合三角函数，算得含水层地下水的最终流速。

在本实施例中，地下水盐化后，针对某一射线方向的钻孔进行三次等电位点观测，会得到三次测得等电位点钻孔距中心钻孔的距离，以及三次测定等电位点的时间，利用如下公式进行地下水流速计算：

其中，t1，t2，t3为三次测定等电位点的时间；S1，S2，S3为三次测得等电位点距中心点的位移。

该射线与最终流向之间的夹角记为θ，根据三角函数速度拆分方法，最终流速V＝v/cosθ。

综上所述，即算得目标区域含水层地下水流向与流速。

在本实用新型的其他具体实施方式中，钻孔可以采用十字形排布方式。

在本实用新型的多钻孔含水层水流流速流向测定方法具体实施里中，各个部件可按照如下选择：

1、电极选择：

本实用新型的供电电极可以采用铁或铝合金电极，测量电极应使用紫铜电极棒、不锈钢电极棒等。

2、仪器设备：

该方法使用的电位测量装置没有特定的要求，可采用普遍适用的测量电位差的电法仪，比如DWD-2A微机电测仪、高密度电法仪、并行电法仪等。

3、测线布置(测线即钻孔分布方向的射线)：

对于利用多个钻孔进行地下水流速流向的测定，这里以某施工的多钻孔井筒注浆钻孔为例进行说明。其井筒注浆孔的多个钻孔呈辐射状分布，以井筒中心位置钻孔为中心孔，按照一定的方位间隔布置测线，测线的方向采用平面坐标方位，分为N(北)、E(东)、S(南)、W(西)方向(视现场钻孔施工情况可采用NE、SE、SW、NW方向或N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方向布置测线)。每条测线的测点选择该位置的钻孔作为测点孔。

现场测线布置具体视工程现场施工钻孔情况而定，选定一钻孔为中心钻孔，选定的测点孔需均匀分布在中心孔四周，且每条测线测量电极距(测点距)均等一致。

本实用新型的多钻孔含水层水流流速流向测定方法基于多钻孔条件，利用充电法，在多个钻孔中布置测试系统，在孔中研究的目标含水层位置投放电解质作为指示剂，因钻孔揭露了含水层，在钻孔中放入电解质，电解质将不断地被地下水溶解而带入含水层中，且会在钻孔周围的含水层中形成一个沿水流方向延伸的电解质低阻带，此低阻带在电场中呈一等电位体。通过对含水层中电解质低阻带在电场中产生的等电位线随时间的位移，测定地下水流向和地下水流速，该方法可完成矿井深孔含水层流速流向等水文地质参数测定。

如图5所示，根据本实用新型的实施例，还提供了一种多钻孔含水层水流流速流向测定系统，包括：钻孔，所述钻孔有多个，设置在目标区域地面，钻孔深度不低于目标区域的土壤含水层深度。电极，所述电极有多个，分别设置在钻孔内部，电极端部与含水层水流接触，用于导电。供电装置，所述供电装置与其中一个电极连接，用于通过电极向含水层内水流供电。测量装置，所述测量装置与其余电极连接，用于通过电极测量电极末端含水层11的电位。还包括：计时装置，所述计时装置用于记录对电极或钻孔进行操作时间。计时装置用于记录向钻孔投放电解质的时间和每次测量电位的时间。钻孔呈十字形排布。

在本实施例中，钻孔包括中心钻孔1和测量钻孔8，中心钻孔1为对其内部电极进行供电的钻孔，其余钻孔则为测量钻孔8。多个钻孔呈十字形辐射状分布，以中心位置钻孔为中心钻孔，按照一定的方位间隔布置测线，测线的方向采用平面坐标方位，分为N(北)、E(东)、S(南)、W(西)方向(视现场钻孔施工情况可采用NE、SE、SW、NW方向或N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方向布置测线)。每条测线的测点选择该位置的钻孔作为测量钻孔。计时装置可选用秒表，或者在与测试仪器连接的计算机上固化计时小程序。

电极包括供电电极12和测量电极16，供电电极12设置在十字形中心位置的钻孔内部，测量电极16分别设置在测量钻孔8内部；供电电极12与供电装置连接，所述测量电极16与测量装置连接；供电电极12与测量电极16末端均处于含水层11同一深度。

在本实施例中，供电电极12可以采用铁或铝合金电极，测量电极16应使用紫铜电极棒、不锈钢电极棒等。

在本实用新型的其它实施例中，作为优选方案，多个钻孔呈米字形或X字形分布，无论钻孔如何分布，均不影响本实用新型计算目标区域含水层地下水流向与流速的步骤与原理。

在本实用新型的其它实施例中，作为优选方案，可在中心钻孔1和测量钻孔8分别加入快速电导率测试控头，进行含水层电导率测试，收集数据进行综合判断。

如图6所示，图6为本实用新型实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定系统的测量装置结构示意图；测量装置包括测试仪器14、测量电缆15和滑轮10，测试仪器14设置在钻孔外部地面，滑轮10固定设置在测量钻孔8孔口上方，测量电缆15一端连接测试仪器14，另一端绕过滑轮后竖直伸入测量钻孔8并连接测量钻孔8内部的测量电极16。

在本实施例中，测试仪器可采用普遍适用的测量电位差的电法仪，比如DWD-2A微机电测仪、高密度电法仪、并行电法仪等。

如图7所示，图7为本实用新型实施例所提供的多钻孔含水层水流流速流向测定系统的供电装置结构示意图；所述供电装置包括电源13、供电电缆9和滑轮10，所述电源13设置在钻孔外部地面，所述滑轮10固定设置在中心钻孔1孔口上方，所述供电电缆9一端连接电源13，另一端绕过滑轮10后竖直伸入中心钻孔1并连接中心钻孔1内部的供电电极12。

在本实施例中，电源13采用直流电源。

在本实用新型的另一具体实施方式中，作为优选方案，供电电极12有两个，供电电极A连接至电源13正极，供电电极B接地或者连接电源13负极，将供电电极A置于中心钻孔1中的目标含水层11中心，将供电电极B置于无穷远处，无穷远电极距约为含水层深度的10倍。

在本实用新型的另一具体实施方式中，作为优选方案，每一组测量电极16均包括两个电极，测量电极M置于中心钻孔1孔口，电极入土深度大于20cm，保证与土层的紧密接触，测量电极N置于测量钻孔8中的目标含水层11中心，测量电极N用于测量目标含水层11的电位。

本实用新型的多钻孔含水层水流流速流向测定系统基于多钻孔条件，利用本系统，实施充电法，在多个钻孔中布置测试系统，在孔中研究的目标含水层位置投放电解质作为指示剂，因钻孔揭露了含水层，在钻孔中放入电解质，电解质将不断地被地下水溶解而带入含水层中，且会在钻孔周围的含水层中形成一个沿水流方向延伸的电解质低阻带，此低阻带在电场中呈一等电位体。通过对含水层中电解质低阻带在电场中产生的等电位线随时间的位移，测定地下水流向和地下水流速，该方法可完成矿井深孔含水层流速流向等水文地质参数测定。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。