基于超聲波負壓的地下水位密封測量裝置及其方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種地下水位測試工具與方法，尤其涉及基于超聲波的負壓條件下地 下水位的密封測量裝置與測量方法。
【背景技術】
[0002] 在巖土工程領域，地下水位的測量有著不可替代的重要性，真空負壓軟基加固中 地下水位的變化過程是真空負壓作用下滲流固結機理最直接、最重要的體現方式之一，地 下水位的變化趨勢、變化程度以及不同位置的變化表現都會直接影響土體在真空負壓作用 下加固的進度和加固方法的合理性。但是有關真空負壓下地下水位的變化問題一直以來都 存在較大的爭議，難以得出一致結論的原因之一源自目前地下水位測量方法以及儀器的限 制。工程上用于地下水位的測試方法多采用常規的敞口式測管法，其所測得水位變化反映 的實質是大氣壓力作用下水位管濾管段各點水位降深的平均值，而且真空預壓期間水位觀 測次數越多，引起的誤差越大，所以常規地下水位測試方法并不適用于真空預壓條件下地 下水位的測試要求。
[0003] 在本發明之前，中國專利（專利【申請號】201310478672.9)公開了"一種適用于真 空預壓地基處理技術的地下水位測試裝置及其使用方法"，結構特點是包括在軟土地基中 的水位管、發射片以及固定于水位管頂端的透光片和手持的激光測距儀，密封整體水位管， 裸露在外的水位管頂端固定透光片，利用手持激光測距儀通過透光片測量水位管中隨水位 變化的發射片，以此來測出真空預壓下的地下水位。該方法思路新型，理論可行，但是卻忽 略實際過程中的問題，存在以下不足：（1)水位管的埋設雖然是同軸連接，但是在真空預壓 的過程中，水位管會隨土體發生水平位移，會使得漂浮在水位管中的發射片與管口的透光 片不在同一豎直線上，從而影響到激光測距儀測量結果的精確性；（2)由激光測距儀的原 理可知，在激光照射到一切非光滑的面都發生漫反射，這也要求了該裝置在測量過程中的 絕對垂直，然而實際過程中，發生水平位移的水位管很有可能對激光進行反射，從而導致測 出的距離并不是地下水位的準確位置；（3)固定于水位管管端的透光片的內側會阻礙管內 水汽的蒸發，從而在透光片出冷凝形成水泡，鑒于真空預壓加固期較長的緣故，透光片內側 會形成大量的水泡，這也會對激光測距儀發出的激光產生折射，改變激光方向影響到測量 的結果。此外，中國專利（專利【申請號】201520017360. 2)還公開了"一種無線超聲波水位 計"，其結構是通過立柱固定位于水位面上的儀器盒，儀器盒下端超聲波傳感器向水面發射 和接受超聲波，并通過儀器盒頂端的射頻天線對超聲波信號進行傳輸和處理，利用超聲波 的反射原理對江河湖海的水位進行監測，避免了傳統水文水位監測方法的弊端，但是如用 于軟基處理中的地下水位的監測則會存在以下缺點：（1)該裝置接受和發射超聲波的裝置 為一體裝置，安裝組合固然方便，但是如用于水位管中，發射的超聲波很可能的會與管壁產 生反射而避開了與水面的反射，從而會影響到所測結果的準確性；（2)因為該裝置采用了 無線電的傳輸方式，對續航能力有較高要求，如用于真空負壓下地下水位的觀測造價過高， 性價比太低。
【發明內容】
[0004] 為克服現有地下水位測量裝置的不足和缺陷，本發明結合超聲波技術提供一種結 構更為簡單，操作更方便，成本低廉的適用于真空負壓下地下水位的密封測量裝置和方法。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明技術方案如下：
[0006] -種基于超聲波負壓的地下水位密封測量裝置，包括水位管、浮塊、超聲波發射裝 置、超聲波接收器、超聲波信號輸出端口、頂蓋、底蓋、測距讀數儀、透水孔、土工濾布和密封 膜。
[0007] 水位管為中空管狀結構，包括透水段和測量段，測量段穿過密封膜后連接透水段； 所述透水段管壁上設置透水孔，透水段管外包裹土工濾布；所述超聲波發射裝置設置在浮 塊內，所述浮塊設置在水位管的測量段中；所述頂蓋、底蓋分別設置在水位管的頂端和底 端，所述超聲波接收器固定設置在頂蓋的內側，超聲波接收器通過導線連接超聲波信號輸 出端口，所述超聲波信號輸出端口連接測距讀數儀。
[0008] 超聲波發射裝置包括超聲波發射器、電源和觸水開關，超聲波發射器、電源和觸水 開關串聯連接，所述超聲波發射器設置于浮塊的頂部，電源設置于浮塊的內部，觸水開關設 置在浮塊的底部。
[0009] 水位管的直徑為100mm-l10_，測量段長度延伸至密封膜下2m。
[0010] 超聲波發射器為壓電式超聲波發射器，固定設置在浮塊頂部的中央，超聲波發射 器與超聲波接受器為配套裝置。
[0011] 觸水開關為電極式開關，觸水開關包括開關電路板和兩極電片，所述開關電路板 密封于浮塊內，兩極電片伸出浮塊的底面，兩極電片遇水后及連通開關電路；電源分別連接 超聲波發射器與觸水開關的開關電路板，，由觸水開關連接電源控制超聲波發射器。
[0012] 浮塊為空心塊，高度為20cm_25cm，直徑為90mm-100mm，浮塊鑲嵌入超聲波發射裝 置后密閉為不透水浮塊。
[0013] 超聲波接收器與超聲波發射器的連線平行于水位管，且垂直于地面，超聲波接收 器與超聲波發射器之間的距離為豎直距離。
[0014] 測距讀數儀為便攜式讀數器，能夠通過超聲波信號輸出端口，由計算芯片可直接 顯示出浮塊超聲波發射器與超聲波接收器直接的距離。
[0015] 基于超聲波負壓的地下水位密封測量方法，包括如下步驟：
[0016] (1)成孔鉆機在工作區預定測點定位開孔，將土工濾布包裹的透水段進行埋設，預 留30cm長度水位管高于地面，水位管固定后，沖洗水位管內壁，防止土顆粒影響浮塊的上 下自由滑動；
[0017] (2)將固定有超聲波發射裝置的浮塊在水桶中進行試驗，確認浮塊可正常工作的 前提下，將浮塊放入步驟（1)已固定的水位管中，超聲波接收器固定于頂蓋內側，并從頂蓋 引出導線，連接超聲波信號輸出端口，固定頂蓋后，并對頂蓋與水位管接口進行密封處理；
[0018] (3)地下水通過透水孔進入水位管，待水位管中地下水位和浮塊位置穩定后，測距 讀數儀連接超聲波信號輸出端口，測距讀數儀讀取第i個波段從浮塊傳至超聲波接收器的 時間（時長）h(1彡i彡N,N表示波段數），其中，Si=vjti，1:占ti+1對應計算出的浮塊 頂端與水位管管口的距離相等，得出
S1的平均值為最終浮塊頂端距離水位 管管口的距離％;其中，ti表示第i個波段從浮塊傳至超聲波接收器的時間，Vi表示第i個 波段的波速，S1表示通過第i個波段計算獲取的浮塊頂端與水位管管口之間的距離；
[0019] (4)在工作區之外確定基準點，負壓施加前利用水準儀測量水位管上端口的初 始標高Hz。，根據通過超聲波接收器獲取的浮塊頂端距離水位管管口（頂端）的最終距離 (平均距離）s。和浮塊頂端超聲波發射器距離水面的距離h。，計算出初始地下水位Hq = 扎。-8。-1!。出。是超聲波發生器距離水面的距離，直接測試獲取，即浮塊放置在水中時，浮塊露 出水面的高度；
[0020] (5)抽真空施加負壓，浮塊隨著地下水位的變化而上下自由浮動，帶動超聲波發射 裝置上下浮動，計算出第j次浮塊頂端距離水位管管口（頂端）的距離8]及相對于基準點 水位管⑴頂端的高程Hz]，由公式民=Hz]-S]_h。，得出第j次地下水位值H];
[0021] 根據測量頻率重復步驟（3)、（4)、（5)從而獲得負壓條件下地下水位的實時變化 值。
[0022] 本發明基于超聲波技術，避免了同類型真空負壓下地下水位測量技術的復雜性， 達到了如下有益效果：1.超聲波測距技術成熟，測量精度高，得出結果精確可靠；2.測量裝 置結構簡單，易于操作，避免了間接測量帶來的誤差和繁瑣；3.測量裝置易于密封且密封 性能好，能夠測出真空負壓下真實的地下水位；4.測量裝置所有組合配件廉價，成本低，適 用于大范圍推廣。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明基于超聲波負壓的地下水位密封測量裝置結構示意圖；
[0024]圖2為本發明超聲波發射裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖并通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。
[0026] 如圖1所示，一種基于超聲波負壓的地下水位密封測量裝置，包括水位管1、浮塊 2、超聲波發射裝置3、超聲波接收器4、超聲波信號輸出端口 5、頂蓋6、底蓋7、測距讀數儀 8、透水孔9、土工濾布10和密封膜11。
[0027] 水位管1為中空管狀結構，包括透水段101和測量段102,測量段102穿過密封膜 11后連接透水段101;所述透水段101管壁上設置透水孔9,透水段101管外包裹土工濾布 10 ;所述超聲波發射裝置3設置在浮塊2內，所述浮塊2設置在水位管1的測量段102中； 所述頂蓋6、底蓋7分別設置在水位管1的頂端和底端，所述超聲波接收器4固定設置在頂 蓋6的內側，超聲波接收器4通過導線連接超聲波信號輸出端口 5,所述超聲波信號輸出端 口 5連接測距讀數儀8。
[0028] 如圖2所示，超聲波發射裝置3包括超聲波發射器31、電源32和觸水開關33,超 聲波發射器31、電源3