一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置及使用方法

1.本发明涉及一种地下水位测量装置，具体涉及一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置及使用方法。


背景技术：

2.真空排水预压法，简称真空预压，是一种有效的软基处理技术。目前，多数现有的真空预压地下水位测量方法所采用的水位测管内部均为中空，并由不透水管段和滤管段组成。而采用真空预压法处理的场地地下水位埋深常常较浅，若滤管段分布范围较小或埋深过大，会使得管内外流体交换缓慢，管中水位变化明显滞后于土中水位，同时水位测管顶部密封空间也容易出现密闭效应。且水位测管呈中空并上下连通，在负压环境下会因渗流阻力及压差在非饱和区的提水做功，使得负压自上而下递减，从而产生竖向提水作用，导致滤管段范围内的水位高于土中水位；其中，滤管段分布范围越大、真空度变化越剧烈，管内水位就越容易在竖向提水作用下高于土中水位。
3.因为，目前现有的真空预压地下水位测量方法并不能够消除上述密闭效应及竖向提水作用所带来的测量影响。所以，采用现有的真空预压地下水位测量方法将不透水管段和滤管段相结合的上下贯通的中空式水位测管结构放在负压环境的地基中，管内所测得的水位无法准确代表土中水位。
4.为此，本发明基于分布式光纤测试技术，提出了一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置及使用方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置及使用方法，以解决上述问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置，其特征在于：包括水位测管、光纤数据发射及接收器；所述水位测管包括中空的外管体、上盖、光电复合缆及填料，所述外管体包括管壁为密闭结构的上管段及管壁开设有透水孔的下管段；所述上管段的上端为开口，并安装有上盖；上管段的下端与下管段相连接，所述上盖上开设有供光电复合缆穿过的通孔，所述光电复合缆穿过通孔置于外管体的内腔中间，所述填料围绕光电复合缆均匀填充满所述外管体的内腔；所述光电复合缆与光纤数据发射及接收器相连接。
7.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，所述下管段的外侧包裹有无纺土工布。
8.进一步地，所述下管段采用开孔率为10-15%的花管。
9.进一步地，还包括下盖，所述下管段的下端设为开口，且安装有下盖。
10.进一步地，所述水位测管采用pe或pvc材料，水位测管的外径为100-200 mm，壁厚为4-10 mm；所述光电复合缆的外径为2-5 mm。
11.进一步地，所述一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置的使用方法，其特征在于，包含如下步骤：a）在待测的真空预压场地附近钻孔取土，并将所取得的土作为填料填入下管段内，所述上管段中采用福建标准砂作为填料；填筑过程中在填料中心位置安装光电复合缆；b）进行水位测管水位高度的标定验证；并采用竖管法进行水位测管内填料的毛细水上升高度的标定；c）在待测的真空预压场地钻孔后，埋设水位测管；上管段位于地表之上，下管段位于地表之下的地基土中；d）在待测的真空预压场地的地表上铺设两层密封膜，将上管段穿出密封膜，并做好穿出密封膜处的局部密封措施；e）通过光纤数据发射及接收器及光电复合缆基于可加热分布式光纤传感测量技术连续对待测的真空预压场地的现场稳定的地下水位进行测量，可取测量数值的平均值作为初始水位；f）对整个待测的真空预压场地进行抽真空处理；g）在抽真空后，可按需进行水位测管内的水位测量，并通过对比初始水位，判别地下水位的升降；同时通过测得水位测管上盖的绝对高程，从而得到地下水位的绝对高程；h）在真空预压施工测量结束后，得到所需采集的数据，回收水位测管。
12.进一步地，所述一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置的使用方法，其特征在于，所述b步骤包含以下步骤：b1）还包括透明有机玻璃筒，所述透明有机玻璃筒自下而上依次至少设有1#至6#的阀门；b2）当进行1#处的水位高度的注水标定验证时，向透明有机玻璃筒内注水至1#处的阀门高度后，继续保持小流量注水，保持1#处的阀门开启，维持3-5小时，至水位测管信号稳定为止；b3）当进行2#处的水位高度的注水标定验证时，关闭位于2#处以下的阀门，向透明有机玻璃筒内注水至2#处的阀门高度后，继续保持小流量注水，保持2#处的阀门开启，维持3-5小时，至水位测管信号稳定为止；b4）之后，逐次进行3#至6#处水位高度的注水标定验证；b5）再自上而下逐次进行释水的标定操作，当进行6#处的水位高度的释水标定验证时，将透明有机玻璃筒内释水至6#处的阀门高度后，继续保持小流量注水，保持6#处的阀门开启，维持3-5小时，至水位测管信号稳定为止；b6）之后，逐次进行5#至1#处水位高度的释水标定验证。
13.进一步地，所述一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置的使用方法中所述a步骤，其特征在于：在待测的真空预压场地附近钻孔取土，取土深度、直径均分别超过水位测管的下管段的埋深、内直径；并将所取得的土作为填料填入下管段内，填充时需按照原地层分布填入，且同一深度的下管段内部填料与原地层相同；所述上管段中采用福建标准砂作为填料。
14.本发明的有益效果是：本发明通过填料的设置，使得水位测管变为填充了与管周土具备相同或相似数量
级渗透系数的填料的实心结构，从而避免了竖向提水作用对测量造成影响；通过裹有无纺土工布的下管段，避免了密闭作用造成的影响；通过光电复合缆及光纤数据发射及接收器的配合使用，实现了在不改变水位测管周围区域的负压环境的情况下，进行完全无干扰的测试。
附图说明
15.图1为本发明的装置结构剖视图；图2为本发明的实际使用示意图；图3为本发明的装置俯视剖面图；图4为本发明的标定验证示意图。
16.附图标记：1.水位测管，11.上盖，12.上管段，13.下管段，14.光纤外接线，15.无纺土工布，16.透水孔，17.填料，18.光电复合缆，19.下盖，20.外管体，2.密封膜，3.光纤数据发射及接收器，4.透明有机玻璃筒。
具体实施方式
17.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
18.需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
19.如附图所示，在本实施例中的一种分布式光纤真空预压地下水位测量装置，其特征在于：包括水位测管1、光纤数据发射及接收器3；所述水位测管1包括圆柱体状中空的外管体20、上盖11、光电复合缆18及填料17，所述外管体20包括管壁为密闭结构的上管段12及管壁开设有透水孔16的下管段13；所述上管段12的上端为开口，并安装有上盖11；上管段12的下端与下管段13相连接，所述上盖11上开设有仅供光电复合缆18穿过的通孔，所述光电复合缆18穿过通孔置于外管体20的内腔中间，可沿圆柱体状所述外管体20的中心线进行设置，所述填料17围绕光电复合缆18均匀填充满所述外管体20的内腔；所述光电复合缆18通过光纤外接线14与光纤数据发射及接收器3相连接。
20.以此通过在外管体20的内腔中均匀填满填料17，使得水位测管1不再是中空的结构，而是填充了与管周土具备相同或相似数量级渗透系数的填料17的实心结构，不再具备竖向排水通道的作用，如此从根本上消除了水位测管1作为负压自上而下传递通道的作用，也就消除了水位测管1作为竖向排水通道的作用，即避免了水位测管1的“竖向提水作用”对测量造成影响。
21.在本实施例中，所述下管段13的外侧包裹有无纺土工布15，所述无纺土工布15用于允许下管段13与地基土中的流体交换，但阻隔固体颗粒交换。以此通过裹有无纺土工布15的下管段13，确保下管段13内的水位始终保持与周边地基土中水位相一致，从而避免“密闭作用”造成的影响。
22.其中，所述下管段13可采用开孔率为10-15%花管。以此进一步保证地下水的自由渗透。
23.在本实施例中，还包括下盖19，所述下管段13的下端设为开口，且安装有下盖19。
以此通过下盖19与上盖11的配合使用，便于光电复合缆18的安置及填料17的填充。
24.在本实施例中，所述水位测管1可采用pe或pvc等材料，水位测管1的外径为100-200 mm，壁厚为4-10 mm；所述光电复合缆18的外径为2-5 mm，以此便于装置的装配及使用。所述光电复合缆18采用光电复合缆，以此便于光纤数据发射及接收器3及光电复合缆18利用布里渊散射理论，采用分布式光纤传感测量技术进行水位的测量。
25.本发明装置在使用时包含如下步骤：a在待测的真空预压场地附近钻孔取土，取土深度、直径均分别超过水位测管1的下管段13的埋深、内直径；并将所取得的土作为填料17填入下管段13内，填充时需按照原地层分布填入，且同一深度的下管段13内部填料17与原地层相同；所述上管段12中采用福建标准砂作为填料17；填筑过程中在填料17中心位置安装光电复合缆18；b进行水位测管1水位高度的标定验证，以此确保水位测管1的测量灵敏度及可靠性；并采用竖管法进行水位测管1内填料17的毛细水上升高度的标定；c在待测的真空预压场地钻孔后，埋设水位测管1；上管段12位于地表之上，下管段13位于地表之下的地基土中；且上管段12需高于地表0.5-1.0 m，下管段13的深度应超过地下水位最大的降幅埋深，且不宜小于2.0 m；d在待测的真空预压场地的地表上铺设两层密封膜2，将上管段12穿出密封膜2，并做好穿出密封膜2处的局部密封措施；e通过光纤数据发射及接收器3及光电复合缆18基于可加热分布式光纤传感测量技术连续对待测的真空预压场地的现场稳定的地下水位进行测量，可取测量数值的平均值作为初始水位；所述分布式光纤传感测量技术可采用主动加热型fbg分布式光纤传感技术，或主动加热型dts分布式光纤传感技术。
26.f对整个待测的真空预压场地进行抽真空处理；g在抽真空后，可按需进行水位测管1内的水位测量，并通过对比初始水位，判别地下水位的升降；同时通过测得水位测管1上盖的绝对高程，从而得到地下水位的绝对高程；h在真空预压施工测量结束后，得到所需采集的数据，回收水位测管1。
27.其中，所述b步骤可在室内进行。所述b步骤包含以下步骤：b1还包括透明有机玻璃筒4，所述透明有机玻璃筒4自下而上依次至少设有1#至6#的阀门；b2当进行1#处的水位高度的注水标定验证时，向透明有机玻璃筒4内注水至1#处的阀门高度后，继续保持小流量注水，保持1#处的阀门开启，维持3-5小时，至水位测管1信号稳定为止；b3当进行2#处的水位高度的注水标定验证时，关闭位于2#处以下的阀门，向透明有机玻璃筒4内注水至2#处的阀门高度后，继续保持小流量注水，保持2#处的阀门开启，维持3-5小时，至水位测管1信号稳定为止；b4之后，逐次进行3#至6#处水位高度的注水标定验证；b5再自上而下逐次进行释水的标定操作，当进行6#处的水位高度的释水标定验证时，将透明有机玻璃筒4内释水至6#处的阀门高度后，继续保持小流量注水，保持6#处的阀门开启，维持3-5小时，至水位测管1信号稳定为止；b6之后，逐次进行5#至1#处水位高度的释水标定验证。
28.因水位变动后，水位测管1内部可能吸水，也可能释水，以此通过上述阀门与注水的配合操作，利用小流量注水维持筒内水位恒定，来保证透明有机玻璃筒4内稳定的水位。且上述标定需要进行至少2个注水-释水循环。并再进行填料17中的毛细水上升高度的标定。
29.其中，光电复合缆18作为主动加热型fbg传感器；在测量时，对主动加热型fbg传感器通电加热后，与其紧密接触的周围土体会被加热升温，升温的时程曲线由fbg通过光电复合缆18获得，再综合时程曲线中温度特征值突变位置、标定试验中的毛细水上升高度及标定的水位三者之间的定量关系，可标定水位测管1中水位的位置，也就是地下水位的位置。水位测试精度为1mm。整个测试过程不改变水位测管周围区域的负压环境，以此做到完全无干扰的测试。
30.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。