地層滲透系數快速測定探頭及其使用方法與流程

本發明屬于測量地層滲透系數的設備，特別是涉及一種地層滲透系數快速測定探頭及其使用方法。

背景技術：

在各類工程的水文地質勘察中，地基土的滲透特性是勘察工作的重點，也是設計和施工中關鍵參數的組成部分。

目前，常規確定滲透系數的現場試驗主要有抽水試驗、注水試驗、提水試驗等，這些方法主要缺點是試驗周期長，耗費人力和物力多，受野外作業條件制約大，尤其在鐵路工程勘測過程中，線路一般具有距離遠，條件差，勘察難度大等特點，因此常規確定滲透系數的現場試驗的困難程度更為突出。

微水試驗是國內外公認的試驗方式簡單、操作速度快的水文試驗方法，但極度缺少可以借鑒的公開資料。

本申請人針對微水試驗做了大量的研究，形成了較完整的理論系統，包括：微水試驗理論、關鍵技術和現場試驗方法，并結合部分鐵路工程的水文地質試驗，進行了對比分析，提出了具有借鑒意義的結論(詳見[鐵道勘察]2009年第1期“水文地質試驗技術應用研究”)。然而，如何實現微水試驗數據的采集是長期難以解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的是依據前述微水試驗理論、關鍵技術和現場試驗方法而提出一種地層滲透系數快速測定探頭及其使用方法。

本發明的地層滲透系數快速測定探頭的構成采用以下技術方案：探頭由下至上設有螺紋連接的下殼體、中殼體和上殼體，各連接部分別設有橡膠密封圈，所述下殼體底端部鑲嵌有電阻式水壓傳感器，該傳感器與下殼體內壁之間設有橡膠密封圈，下殼體設有螺紋連接的保護電阻式水壓傳感器的端帽，端帽底端圓周分布進水孔，進水孔以上的端帽內側設有雙層細沙過濾網，該過濾網與端帽內壁過渡配合，所述中殼體設有包括模數轉換電路和信號調節電路構成的電路板，下殼體中的電阻式水壓傳感器輸出端連接于模數轉換電路，模數轉換電路的輸出連接于信號調節電路，所述上殼體中設有與中殼體上端口螺紋連接的航空插座，電路板信號調節電路的信號輸出端與航空插座的插孔對應連接，航空插頭設有通訊線攬，上殼體的上端口設有與通訊線攬接合的密封圈，通訊線攬設有與計算機連接的usb插頭，通訊線攬設有為電路板提供電源的電源線。

所述電阻式水壓傳感器采用應變式電阻傳感器。

所述通訊線攬從探頭上端起算以米為單位標注實際長度。

所述快速測定探頭的使用方法：

(1)對地層滲透系數快速測定探頭的傳感器進行標定，將探頭與設有標定程序和數據采集程序的便攜計算機連接，通過便攜計算機的界面對地層滲透系數快速測定探頭的傳感器進行標定，便攜計算機在標定時其界面包括傳感器初始值、深度增量級差值、本級修正系數值和本級已標定值的顯示窗口；首先確定傳感器初始值，傳感器剛接觸水面時采集到的零點數據值減去傳感器入水前在空氣中的數據值，即初始值等于零點數據值減去空氣數據值；再根據測試水深度以米或相同深度為一級設置深度增量，在無擾動情況下獲得對應每級深度增量的傳感器數值為該級的標定值，本級標定值減去上級標定值為本級級差值，本級級差值除以本級標定值即為本級修正系數值，以上各數值均存儲于便攜計算機；

(2)在進行微水試驗時，地層滲透系數快速測定探頭應置于距井底30-50mm以上能準確及時反映被測壓力真實情況的位置，該位置應在本探頭中傳感器處于其標稱工作深度范圍的中間區域，并且在提水筒或注水水泵之下的水擾動范圍以外；

(3)地層滲透系數快速測定探頭應通過其電纜使之位置固定，如果試驗過程中位置發生變化，則應重新標定；

(4)一次提水形成的水位變化不得少于30cm，以保證測量數據的可用性。

本發明的有益效果和優點在于：本探頭主要是采集地下水位變化信息，探頭由下殼體、中殼體和上殼體構成封閉的不銹鋼殼體，下殼體設置進水孔，使用時將探頭置于提水筒之下孔底之上和提水、注水擾動范圍之下，傳感器前端加裝一個雙層過濾網，防止鉆孔中的細顆粒從進水孔進入探頭，可有效保證傳感器的正常工作；電纜與傳感器之間設置一個航空插頭，可方便探頭的更換。本探頭可以把水壓力信號轉變成易于放大、反饋、濾波、微分、存儲和遠距離傳輸的能用計算機直接處理的電信號，便于數據后處理系統直接使用，后處理系統的計算機將常用注水、提水試驗公式嵌入，即可快速計算獲得滲透系數參數。本探頭可大大提高提水試驗效率和精度，在工程地質勘察中具有應用廣泛、可產業化的前景。

附圖說明

附圖1是本探頭實施例結構局部剖面示意圖。

附圖2是圖1下探頭局部剖面示意圖。

附圖3是電路板原理框圖。

圖中標記：1端帽，1-1進水孔，2下殼體，3中殼體，4上殼體，5通訊線攬，6usb插頭，7航空插座，8電阻式水壓傳感器，9橡膠密封圈，10過濾網。

具體實施方式

下面結合實施例及其附圖進一步說明本發明。

如圖1、2所示，探頭由下至上設有螺紋連接的下殼體2、中殼體3和上殼體4，各連接部分別設有橡膠密封圈(未示出)。

下殼體2底端部鑲嵌有電阻式水壓傳感器8，該傳感器與下殼體內壁之間設有橡膠密封圈9。下殼體2設有螺紋連接的保護電阻式水壓傳感器8的端帽1，端帽底端圓周分布進水孔1-1，進水孔以上的端帽內側設有雙層細沙過濾網10，該過濾網與端帽內壁過渡配合。

如圖3所示，中殼體3設有包括模數轉換電路和信號調節電路構成的電路板(未示出)，該電路板將電阻式水壓傳感器的電阻值變化轉化為電信號并放大，再通過電纜傳輸至數據采集設備，下殼體2中的電阻式水壓傳感器8輸出端即圖示被測信息連接于模數轉換電路，模數轉換電路的輸出連接于信號調節電路，信號調節電路的輸出信息通過圖1的通訊線纜5和usb插頭6連接于計算機。所述電阻式水壓傳感器采用應變式電阻傳感器，是利用電阻應變片的應變效應制造的一種測量水壓微小變化量的傳感器。

如圖1所示，上殼體4中設有與中殼體3上端口螺紋連接的航空插座7，電路板的信號輸出端與航空插座的插孔對應連接，與航空插座7插接連接的航空插頭設有通訊線攬5，上殼體4的上端口設有與通訊線攬5接合的密封圈(未示出)，通訊線攬設有與計算機連接的usb插頭6，通訊線攬設有為電路板提供電源的電源線，通訊線攬從探頭上端起算每米均標注實際長度。

以下敘述本快速測定探頭的使用方法。

對于傳感器，輸出量和被測量指標之間的關系大多數是非線性的，因此必需對非線性特性進行線性化處理即進行傳感器標定。

本探頭的傳感器在標定前其通訊線攬通過usb插頭與設有標定程序和數據采集程序的便攜計算機連接，通過便攜計算機的界面對地層滲透系數快速測定探頭的傳感器進行標定，便攜計算機在標定時其界面包括傳感器初始值、深度增量級差值、本級修正系數值和本級已標定值的顯示窗口。

本探頭的傳感器的標定過程：對地層滲透系數快速測定探頭的傳感器進行標定，首先確定傳感器初始值，傳感器剛剛接觸水面時采集到的零點數據值減去傳感器入水前在空氣中的數據值為傳感器初始值，即初始值等于零點數據值減去空氣數據值。然后，再根據測試水深度以米或相同深度為一級設置深度增量，例如1米、2米、3米……直至測試水最大深度。在無擾動情況下獲得對應每級深度增量的傳感器數值為該級的標定值，本級標定值減去上級標定值為本級級差值，本級級差值除以本級標定值即為本級修正系數值，以上各數值均存儲于計算機。

例如，測試水位深度5米，設計級差值每1米一級，計算出每級修正系數β值。在采集數據時每1米乘該級修正系數，對采集到的數據進行修整，其步驟如下：

(1)確定零點值

傳感器剛接觸水面時采集到的數據值減去傳感器沒入水前，在空氣中的數值。實測為24.38(kpa下同)。

(2)級差值

δ級差值＝本級級差值-上級級差值。

水面下1米、2米、3米、4米、5米時，δ級差值均為1。

(3)標定值

水面下1米、2米、3米、4米、5米時對應的標定值分別為：26.91，29.07，31.3，33.53，35.76。

(4)β系數值

β系數值＝δ級差值/δ標定值

計算得到每1米對應的β值為：0.39，0.46，0.45，0.45，0.45，0.46。

由于探頭頂部裝有高靈敏度傳感器，觸水后數值即發生變化，根據這個特點可以確定初始水位。

本探頭的內置傳感器通過逐級不同深度標定，最大程度地消除了探頭內建水壓傳感器的非線性失真，保證了水位變化過程中電訊號準確的線性狀態。

試驗中地層滲透系數快速測定探頭即傳感器高低位置應固定，如果出現意外變化，應對探頭重新標定。

試驗中探頭置于提水試驗提水筒之下或注水試驗水泵之下的水擾動范圍之外。

為了便于攜帶微水試驗設備，申請人采用類似于提水試驗中的提筒作為水位擾動設備，要求一次提水形成的水位變化不得少于30cm，以保證測量數據的可用性。

本探頭的電阻式水壓傳感器是一種彈性元件，應保證彈性元件在安全范圍內可靠的工作，在選擇傳感器量程時必須留有足夠的余地。一般在被測壓力較穩定的情況下，最大壓力值應不超過滿量程的3/4，在被測壓力波動較大的情況下，最大壓力值應不超過滿量程的2/3。為了保證測量精度，被測壓力最小值應不低于全量程的1/3。

在進行微水試驗時，本探頭應距井底30-50mm以上能準確及時反映被測壓力真實情況的位置，該位置應在本探頭中傳感器處于其標稱工作深度范圍的中間區域，比如傳感器的工作范圍是0～30m，那么需將傳感器置于10m之下，但不應超過20m，最好的位置是15m左右。在本探頭中傳感器的位置還應該在提水筒或注水水泵之下的水擾動范圍以外。

本探頭放入預定測試深度后，利用水位擾動設備在井中提水或注水，探頭測定水位相應下降或上升瞬時的變化情況。通過通訊電纜將探頭采集的相關數據傳輸到后處理計算機，通過數據管理分析軟件進行數據分析處理，得到水位變化數據、采集時間、探頭深度等關系曲線并打印輸出。