一种用于监测区域地下水位的成像装置的制作方法

1.本实用新型涉及区域地下水位监测技术领域，具体涉及一种用于监测区域地下水位的成像装置。


背景技术：

2.在基坑开挖过程中，地下水通常是影响基坑稳定性的重要因素。为避免地下水位引起边坡失稳、坑底隆起和承载力降低，广泛采用降水。地下水位监测是基坑开挖降水过程中的关键环节。传统的地下水位监测方法依赖于观测井(ows)和相应的水位测量仪器。然而，使用观测井(ows)测量地下水位对地下水评估具有破坏性和侵入性，并且在井开挖过程中也会花费大量成本。如何提供一种非侵入性、低成本的装置准确监测地下水位，是科研工作者们亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供了一种用于监测区域地下水位的成像装置。
4.为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
5.本实用新型提供了一种用于监测区域地下水位的成像装置，包括箱体、水位观测组件、电极阵列和电阻层析成像仪，所述箱体顶部敞口，所述箱体内部设置有两个挡板，两个所述挡板将所述箱体内部分割成依次排列的第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述第一腔室和所述第二腔室均用来盛放水，所述第二腔室用来盛装模拟地层，所述第二腔室的一侧壁的底部沿所述箱体的延伸方向等间距设置有多个脱水孔；所述第二腔室的另一侧壁的底部沿所述箱体的延伸方向等间距设置有多个通孔，所述通孔用来连通所述水位观测组件与所述第二腔室；所述水位观测组件包括多个透明空心圆管和水位球，所述透明空心圆管两端开口，所述透明空心圆管通过直角弯管与所述通孔相连通，所述透明空心圆管的底端插设在直角弯管的竖直端，直角弯管的水平端插设在所述通孔内在；所述水位球放置在所述透明空心圆管内，所述水位球和所述透明空心圆管一一对应；所述电极阵列由多个铜片电极组成，多个所述铜片电极沿所述箱体的延伸方向等间距插设在所述模拟地层的表层；所述电阻层析成像仪包括依次连接的电极转换器、电压采集器和数据处理计算机，所述电极转换器与所述电极阵列电性连接。
6.进一步的，所述铜片电极通过银丝导线与所述电极转换器电性连接。
7.进一步的，所述电极阵列由至少16个所述铜片电极组成，所述铜片电极形状为矩形。
8.进一步的，还包括抽水泵，所述抽水泵的入口通过抽水管道与任一所述脱水孔连通，所述抽水泵的出口连接有出水管，所述出水管与所述第一腔室或者所述第三腔室相连通。
9.进一步的，所述脱水孔的直径为不小于1cm，相邻的两个所述脱水孔的间距不小于
5cm。
10.进一步的，所述透明空心圆管的管径为5mm，相邻两个所述透明空心圆管的间距为5cm，所述水位球的外径为4mm。
11.进一步的，相邻的两个所述渗水孔的间距为5cm，所述渗水孔的直径为5mm，所述渗水孔的数量为不少于10个。
12.进一步的，所述箱体为有机玻璃箱体。
13.进一步的，所述水位球为彩色塑料水位球。
14.与现有技术比较，本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：
15.(1)本实用新型提供的一种用于监测区域地下水位的成像装置，包括箱体、水位观测组件、电极阵列和电阻层析成像仪。通过在箱体内对井点降水过程进行模拟，利用电阻层析成像技术，基于测量的电压与物体的电导率的关系，对井点降水过程中地下水位的变化进行模拟测试，进而反映降水过程中浸润线的形状和位置，能够提供开挖井点降水期间地下水位分布的实时信息；
16.(2)通过在箱体的侧壁上沿箱体的延伸方向等间距设置有多个脱水孔，挡板上沿箱体竖直方向上布置多个渗水孔，通过调节抽水泵功率、脱水孔位置及渗水孔数量，可模拟土层中不同水位情况；
17.(3)通过将水位观测组件的透明空心圆管设置在箱体的第二腔室的前壁上，水位球放置在透明空心圆管内，水位球随水位高度变化以实时反映各点处水位变化，进一步验证电阻层析成像技术最终得到结果的准确性。
附图说明
18.图1是本实用新型提供的一种用于监测区域地下水位的成像装置的结构示意图。
19.1、箱体；11、挡板；111、渗水孔；12、第一腔室；13、第二腔室；131、模拟地层；132、脱水孔；133、通孔；14、第三腔室；2、水位观测组件；21、透明空心圆管；22、水位球；23、直角弯管；3、电极阵列；31、铜片电极；32、银丝导线；4、电阻层析成像仪；41、电极转换器；42、电压采集器；43、数据处理计算机；5、抽水泵；51、抽水管道；52、出水管。
具体实施方式
20.以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
21.如图1所示，本实用新型的用于监测区域地下水位的成像装置。包括箱体1、水位观测组件2、电极阵列3和电阻层析成像仪4，箱体1顶部敞口，箱体1内部设置有两个挡板11，两个挡板11将箱体1内部分割成依次排列的第一腔室12、第二腔室13和第三腔室14，第一腔室12和第三腔室14均用来盛放水，第二腔室13用来盛装模拟地层131，第二腔室13的一侧壁的底部沿箱体1的延伸方向等间距设置有多个脱水孔132；第二腔室13的另一侧壁的底部沿箱体1的延伸方向等间距设置有多个通孔133，通孔133用来连通水位观测组件2与第二腔室13；水位观测组件2包括多个透明空心圆管21和水位球22，透明空心圆管21两端开口，透明空心圆管21通过直角弯管23与通孔133相连通，透明空心圆管21的底端插设在直角弯管23的竖直端，直角弯管23的水平端插设在通孔133内；水位球22放置在透明空心圆管21内，水
位球22和透明空心圆管21一一对应；电极阵列3由多个铜片电极31组成，多个铜片电极31沿箱体1的延伸方向等间距插设在模拟地层131的表层；电阻层析成像仪4包括依次电性连接的电极转换器41、电压采集器42和数据处理计算机43，电极转换器41与电极阵列3电性连接。通过在箱体1内对井点降水过程进行模拟，利用电阻层析成像技术，基于测量的电压与物体的电导率的关系，对井点降水过程中地下水位的变化进行模拟测试，进而反映降水过程中浸润线的形状和位置，能够提供开挖井点降水期间地下水位分布的实时信息。通过在箱体1的侧壁底部沿箱体的延伸方向等间距设置有多个脱水孔132，两个挡板11上布置多个渗水孔111，通过调节抽水泵功率、脱水孔位置及渗水孔数量，可模拟土层中不同水位情况。通过将水位观测组件2的透明空心圆管21设置在箱体的第二腔室13的侧壁位置，水位球22放置在透明空心圆管21内，水位球22随水位高度变化以实时反映各点处水位变化，进一步验证电阻层析成像技术最终得到结果的准确性。
22.在一些实施方式中，为了获得更好的导电效果，铜片电极31可以通过银丝导线32与电极转换器41电性连接。
23.在一些实施方式中，为了确保数据采集精度，电极阵列3可以由至少16个铜片电极31组成，铜片电极31形状为矩形，尺寸大小可以为70mm
×
35mm
×
1mm。
24.在一些实施方式中，为实现以不同的抽水注水的模式模拟不同情况的井点降水过程中区域地下水位，还可以包括抽水泵，抽水泵5的入口通过抽水管道51与任一脱水孔132连通，抽水泵5的出口连接有出水管52，出水管52与第一腔室12或者第三腔室14相连通。抽水泵可以为调控功率的泵，通过连接不同位置的脱水孔132位可满足不同模拟条件下的区域水位变化曲线。
25.在一些实施方式中，为了确保脱水效果，脱水孔132的直径为不小于1cm，相邻的两个脱水孔132的间距不小于5cm。
26.在一些实施方式中，以实时反映水位变化，透明空心圆管21的管径为5mm，相邻两个透明空心圆管21的间距为5cm，水位球22的外径为4mm。水位球随着水位变化而上浮以实时反映各点处水位情况。
27.在一些实施方式中，相邻的两个渗水孔111的间距为5cm，渗水孔111的直径为5mm，渗水孔111的数量为不少于10个。通过橡皮塞控制渗水孔畅通的个数可控制第一腔室12和第三腔室14中的水以不同侵水速率进入，模拟不同工程条件下地层渗透系数。
28.在一些实施方式中，有利于工作人员观察，箱体1可以为有机玻璃箱体。
29.在一些实施方式中，为了清晰的观察到水位的变化，水位球22可以为彩色塑料水位球。
30.为了更好的理解本技术的实用新型结构，下面以具体尺寸的箱体来进一步说明本装置的结构和工作原理。
31.箱体为透明的有机玻璃箱体，内径为140cm
×
7cm
×
55cm。在有机玻璃箱体中部添加两个挡板，挡板上具有10个5mm泄水孔(间隔5cm排布在挡板上)。挡板将内部空间划分为三个腔室，内径分别为20cm
×
7cm
×
55cm、100cm
×
7cm
×
55cm和20cm
×
7cm
×
55cm。将模拟地层放置在中间较大的第二腔室(100cm
×
7cm
×
55cm)中以模拟工程实际地层条件，并在另外的第一腔室和第三腔室(20cm
×
7cm
×
55cm)中加入适量的水，以确保水位在模拟脱水过程中达到稳定状态。第二腔室(100cm
×
7cm
×
55cm)背底端预留有内径为1cm的抽水孔，各孔相
距5cm，将抽水泵连接到预留的抽水孔上，控制抽水泵抽水功率以及抽水位置可模拟土层中不同水位情况，同时通过橡皮塞控制渗水孔畅通的个数可控制第一腔室和第三腔室中的水以不同侵水速率进入，模拟不同工程条件下地层渗透系数，以达到脱水的目的。同时，将一些直径为5mm的有机玻璃透明空心圆管固定连接到第二腔室内的前壁上，以实时反映水位变化，圆管的排列间距为5cm。将水位球放置于每根圆管内部，水位球随着水位变化而上浮以实时反映各点处水位情况。选用16个(70mm
×
35mm
×
1mm)尺寸大小的铜片电极组成的电极阵列，将16个铜片电极以恒定间距施加到模拟地层表面，所有铜片电极通过焊接和布线经电极转换器连接到电压采集器上，电极转换器采用可编程电极切换模型实现电极切换，可选型号electrode switching module，配套使用的交流电源可选用型号为keithley 6221；电压采集器可选用具有6
1/2
位分辨率(22bits)和0.004％的电压测量精度，可选型号为agilent 34970a，确保数据采集精度满足电阻层析成像的要求。电压采集器将采集到的数据传输给数据处理计算机，工作人员可以基于数据处理计算机内的数据处理软件实施图像重建，数据处理软件主要基于ert开源软件eidors和matlab，图像重建算法基于eidors和matlab所编写的tikhonov正则化的单步反演解算器，可避免由很小的测量和建模误差产生较大的重建误差。
32.模拟地层可以选用标准砂、碎石块与黏土混合物，标准砂是加工后符合标准规定的石英砂，碎石块为建筑工地常用粗骨料，黏土为常见绿植种植所需黏土，将三者按照一定比例混合均匀并放置有机玻璃箱体的第二腔室(100cm
×
7cm
×
55cm)中模拟实际工程中复杂情况的地层。
33.工作原理为：根据图像重建方法的不同，电阻层析成像技术可分为绝对成像和差分成像。在差分成像中，电导率的变化是通过对应于两种状态的电位测量来重建的。差分成像通常基于电阻层析成像非线性观测模型的全局线性化，因此，重建通常是定性的，尤其是在电阻率时间变化较大或线性化点选择不当的情况下。另一方面，差分成像相对容忍建模和测量误差，因此在许多电阻层析成像应用中得到广泛应用。在本实用新型装置中，电阻层析成像重建是在差分成像框架内进行的，并将脱水前的标准砂作为差分成像的参考状态。对于电阻层析成像测量，采用本实用新型具有16个铜片电极，按照其布置的位置将铜片电极依次编号为1、2、3
……
16。选择相邻模式进行电流刺激和电压测量，电流依次注入电极1-2、2-3、3-4、
…
、15-16、16-1之间。对应于每次电流注入，测量其余电极上的电势。由于接触电阻的存在，驱动电极上的电压测量误差较大，不能作为图像重建的数据源，导致总共208(16
×
13)个边界电压测量值用于电阻层析成像图像重建。此外，为了充分发挥电压采集器高精度的优势，在所有测量中使用了振幅为0.1ma、频率为10khz的正弦交流电(ac)。频率保持在尽可能低的水平，以避免由于的过长的银丝导线而产生的电感效应，同时频率保持在足够高的水平，以最小化电极极化效应。在选定的频率下，阻抗的虚部可以忽略不计。
34.在模拟监测井点降水过程中不同区域地下水位的变化中，进行了各种不同的泵送条件模拟研究，包括不同位置的脱水、有无水幕、不同泵功率以及不同地层条件等。对于所有试验，第一组电阻层析成像测量是在开始脱水之前进行的，这些电压数据集被用作差分成像中的参考测量值。脱水后，进行相应的电阻层析成像测量，以获得第二组电压数据。最后，利用两组电压测量数据对地下水位进行了图像重建。通过改变抽水泵不同的功率、不同脱水孔位以及不同的注水速率可以模拟出土侧中不同水位情况，如通过一侧脱水另一侧注
水可模拟“斜线”水头曲线，通过中间脱水两侧注水可模拟“u型”水头曲线，由于抽水孔位置排布紧密，可控制多处不同位置的抽水孔来模拟想得到的地下水头曲线。在实验模拟前按照一定比例将标准砂、碎石块与黏土混合后可以得到不同实际工程中复杂地层条件，并且可以通过在有机玻璃模具内放置塑料块来模拟地层中空腔情况。在实验开始时，通过控制两侧渗水孔闭合状态来实现不同渗透系数地层的渗水情况。最后电阻层析成像重建图像与实际水位进行了比较，提供了地下水二维分布的高分辨率信息。实验与数值模拟结果表明，本实用新型的装置能够检测地下水位的变化，并能大致反映降水过程中浸润线的形状和位置。
35.虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围，本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。