低流速聲納測量方法、裝置及應用
【專利摘要】一種低流速聲納測量方法、裝置及應用，其特征是利用聲納傳感器測量孔隙介質固液交界面上因雙電層震動產生的聲音，再將測得的聲音信號進行放大轉換，得到孔隙介質中液體的流速。本發明利用“雙電層震電理論”與“聲納滲流測量方法”的融合，創立了“低流速震電聲納滲流”被動測量新方法。該方法測量的下限將能達到了10?8cm/s，甚至更低，這一測量方法的創立，將微滲流工程中，亟待需要解決的所有關鍵技術難題，使之達到了發明的目的。
【專利說明】
低流速聲納測量方法、裝置及應用
技術領域
[0001]本發明涉及一種流速測量技術，尤其是一種低流速(可低至10—8cm/s)測量技術，具體地說是一種基于震電效應的低流速聲納測量方法、裝置及應用。它能檢測植物體的水分運移過程、人體膜稍神經血流量、油田開發中的石油滲透率、土木工程中的粘土層的地下水的滲流測量。其應用包括物理、化學、生物微滲透特性的測量。
【背景技術】
[0002]目前，對于低流速滲流的原位測量問題，長期困擾著人們的思想，嚴重阻礙了滲流工程的技術發展，是導致諸多地下隱蔽工程滲漏破壞的根本原因。
[0003]土木工程滲流隱患所涉及到的應用工程包括:水庫大壩的滲漏破壞、江河湖海堤防的管涌滲漏、水閘涵管的滲漏定位、地下空間工程的滲漏治理、基坑帷幕止水結構的滲漏檢測、公路橋涵的地下水滲流、廢物庫的滲流選址、地下空間滲流路徑的跟蹤監控、工程水文地質的勘測、冶金煤礦的地下水調查、石油滲流測井、水源地的合理開采、環境地下水調查、地下污染物的溶質運移、生物體內的水循環等等。可以說人類所有的建筑活動都伴隨著地下水的參與。然而，千百年來，人們一直都在不斷地從實踐到理論的追求識別和認知地下水滲流的真面目。自從1856年法國的“達西”和“襲布依”兩位水文地質大師創立的地下水的滲流理論與測量方法，150年來至今，仍然是用于工程設計和實踐的依據。
[0004]眾所周知，工程界對地下水滲流設計的重要理論依據是滲透系數K值。K值的獲取，一是通過地質鉆孔取巖芯，把取得的地質巖芯樣本拿回到試驗室，放到滲透系數測量儀上加以水頭與流量計算獲得K值;二是在施工現場通過鉆孔，把水栗放到鉆孔的含水層里，進行抽水，把抽出地面的水量與抽出水的降落漏斗計算出抽水試驗滲透系數K值。由于前者解決不了低流速的化學作用力問題，而后者又是在非自然力的人工干擾流場狀態下獲得的標量值。所以，此兩種試驗獲得的非確定性K值，使得K值的應用，發展到今天，實際上成為了一個只能定性反映巖土滲透特征的物性指標。因此，有經驗的工程師只要看看鉆孔的巖芯，就能說出滲透系數K值的大小。地下水本來是一個與周圍環境有緊密聯系的流速矢量值，長期以來，卻被人們誤讀為一個失去水環境意義的標量值。其本質是沒有一種能夠在施工現場，真實地測量出天然地下水滲流運動的速度與矢量的新方法。
[0005]1957年德國科學家模賽(Moser)首次提出利用放射性同位素示蹤測定含水層滲透流速的稀釋測井法，最早的有接桿式定向探頭;后來有波蘭1.B.Hazza發明的P-32吸附與X膠片定向測速裝置；日本落合敏郎的三層同位素稀釋室定向測速裝置;W.Drost和K1tz等設計的棉紗網吸附測向、活性炭吸附測向裝置；美國專利4051368、英國專利2009921和1598837介紹的中子活化測向測速裝置;德國慕尼黑水文地質實驗室W.Drostl982年測定地下水流速流向的新式示蹤探頭；中國專利:智能化單井地下水動態參數測試儀98111509.8，還有85107160、86104175專利介紹的熱釋光和電離室同位素示蹤測量裝置等
。由于能在單井中對多含水層逐段進行滲透流速矢量的測量，因比抽水試驗費用低，容易實施，而受到水文地質學家的關注。但是，自2000年進入新世紀以來，隨著人們對環境和人身安全意識的提高，政府對放射性同位素使用的限制，已無法進行推廣應用。
[0006]一直以來，隨著人們對雙電層震電理論研究的深入，將要進入到了應用時代，其中涉及最多的是將震電理論用于對石油滲透率的研究。在眾多的研究成果中，人們一直都在把目光都盯住在如何用主動的聲波，即人為地發生震動波，再用發射與接收的方法來探索石油地層中的油的滲透率的參數。其實人們在大量的研究當中，走到了一個誤區:之一，在多孔隙介質固液交接面上的水、油、氣有無可能產生震電(動電)的效應;之二，如果發生震電(動電)效應，有無方法測量到這種低效應的物理信息。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是針對現有的低流速聲納測量大多需要采用主動發聲進行測量，而受到主動發聲效果及環境的影響，檢測效果不佳的問題，發明一種基于震電效應的低流速聲納測量方法，同時提供一種相應的檢測裝置，并對震電效應檢測在土木工程中的應用進行了介紹。
[0008]本發明的技術方案之一是:
一種低流速聲納測量方法，其特征是利用聲納傳感器測量孔隙介質固液交界面上因雙電層震動產生的聲音，再將測得的聲音信號進行放大轉換，得到孔隙介質中液體的流速，所述的流速與聲壓的關系可針對不同研究對像，進行室內外大數據試驗分析與建模獲得，并編制成流速與聲壓的可視化成像集成軟件。
[0009]所述的孔隙介質包括自然界的植物組織細胞膜的水分子溶液的穿透、人體血液在細胞組織的滲透、石油在地層巖土孔隙中的流動以及地下水滲透。
[0010]所述的聲納傳感器安裝在可刺入孔隙介質中的針尖上或固定在用于包裹孔隙介質的包裹探頭中。
[0011]能根據所測到的聲音判定孔隙介質是否存在液體流動及液體流動的速度，從而判定是否需要采取人工干預;所述的人工干預對于地下滲漏而言是指切斷滲漏源以防止地質災害的發生或監測聲音的變化情況對可能發生的地質災害進行預報;對于石油探測而言能判定出石油儲量及變化情況;對于植物而言，能判定植物生長情況及各種營養液、水份對植物生長的影響；對于人體而言，能通過聲音的變化對人體健康狀態作出判定以及藥物對人體的作用機理研究。
[0012]本發明的技術方案之二是:
一種低流速聲納測量裝置，其特征是它由聲納探頭、通訊設備和測量顯示儀表組成，聲納探頭將被動探測到的聲音信號通過導線送入通訊設備中，通訊設備將采集的聲音信號送入測量顯示儀表中加以顯示，測量顯示儀表(5)能顯示孔隙介質中有無液體流動及流動速度，能測量到的最低流速為10—8cm/s。
[0013]所述的裝置聲納探頭安裝在插入針尖中或成陣列布置在用于包裹被測物的包裹體中，針尖用于軟性能夠插入的測量對象，包裹體則用于硬性不易插入的測量對象中。
[0014]本發明的技術方案之三是:
一種基于震電效應的低流速聲納測量裝置的方法，其特征是它被用于土木工程滲流檢測中，用于判定滲漏位置和/或滲漏量。
[0015]所述的土木工程滲流包括:水庫大壩的滲漏江河湖海堤防的管涌滲漏、水閘涵管的滲漏定位、地下空間工程的滲漏、基坑帷幕止水結構的滲漏、公路橋涵的地下水滲流、廢物庫的滲流、地下空間滲流路徑的跟蹤監控、工程水文地質的勘測、冶金煤礦的地下水調查、石油滲流測井、水源地的合理開采、環境地下水調查及地下污染物的溶質運移。
[0016]本發明的有益效果:
本發明利用“雙電層震電理論”與“聲納滲流測量方法”的融合，創立了 “低流速震電聲納滲流”被動測量新方法。該方法測量的下限將能達到了 10—8cm/s，甚至更低，這一測量方法的創立，將微滲流工程中，亟待需要解決的所有關鍵技術難題，使之達到了發明的目的。
[0017]本發明通過大量的室內外試驗，發現水、油、氣通過孔隙向測井中流動的過程中，自身會主動的產生震電(動電)效應，而且這種信號在進入水下地層1m以下的深部，受外界的噪聲干擾是可以不計的，而聲納傳感器在液體傳導過程中，又具有唯一的技術優勢。因此，借助于水、油、氣通過孔隙向測井中流動的過程中，產生震電效應的機理，選用聲納傳感器陳列，即可以被動的測量方法測量到液體流動的流速與矢量。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明正負離子平衡生成雙電層示意圖。
[0019]圖2、正負離子失衡形成震電效應示意圖。
[0020]圖3、震電效應形成電荷運動示意圖。
[0021 ]圖4是本發明的孔隙介質測量模型示意圖。
[0022]圖5是本發明的測量裝置的系統組成示意圖。
[0023]圖6是本發明的裝置在樹木水份蒸發中的應用示意圖。
[0024]圖7是本發明實驗所得聲納流速標定關系曲線圖。
[0025]圖8是本發明實驗所用建筑基坑三維滲流場圖。
[0026]圖9是本發明實驗所用基坑四面墻體缺陷坐標位置。
[0027]圖10是本發明實驗所得地連墻體缺陷XYZ三維切剖面聲納滲流可視化圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0029]實施例一。
[0030]如圖1-6所示。
[0031]—種雙電層震電聲納低流速聲納測量方法利用插入式針頭I或者由針頭組成的長方形的包裹環狀體2，如圖5所示，與被測量的物體直接接觸，針頭內安裝聲納傳感器8，傳感器8聯接電線2并與通訊設備3和儀表5相聯接構成一個用于植物體16從土壤15里吸收水分10到主桿9各枝干11再到葉面12的水分蒸騰13過程的水分質點運移的多孔介質17雙電層
(18)震電19被動聲納20數字多媒體可視化的測量裝置。針頭式和長方形帶4貼鏈可組成環狀包裹帶7內裝2個以上相互平行的聲納傳感器陳列。金屬(也可采用其它具有一定強度的非金屬材料制備)針頭孔內和包裹帶內均安裝有光纖聲納傳感8器組成的內插式與外包裹式兩種水分運移測量裝置。所述的植物體16有禾本科與木本禾之分，前者用針式I傳感器居多，插入桿、莖、葉的組織結構內部感應水分的迀移運動量;后者是有硬的桿9、枝11和軟的稍13、葉13之分，則用插入式針頭I和包裹帶7組合使用；插入式針頭I是用于軟性能夠插入的測量對象，包裹帶則用于硬性不易插入的測量對象;兩種傳感器分別從土壤15里吸收水分10到主桿9各枝干11再到葉面12的水分蒸騰13的植物從小至大，不同生長周期，不同的植物各類在不同時域，水分迀移變化量的數字化全過程的記錄，如圖6。所述的水分子10的質點運移包括所有的滲透、迀移、流動、穿透都是相對于多孔介質17，孔隙介質的含義包括自然界的植物組織細胞膜的水分子溶液的穿透、人體血液在細胞組織的滲透、石油在地層巖土孔隙中的流動等等都是在雙電層18固液流界面上形成的正負離子化學作用力而產生的震電19物理現象是主動發出，繼而用對水極度靈感的聲納傳感器以被動的聲納20監聽電子線路單元3的測量裝置5完成由聲場陳列場強信號轉換為滲流場的數字動態可視化流速測量儀器。在孔隙介質的固液交界面上存在雙電層現象如圖1.在初始平衡狀態下，巖石顆粒表面(尤其是粘土顆粒)通常吸附負離子，在其周圍溶液(巖石孔隙溶液)的界面上則分布正離子，這樣便在固-液間形成了雙電層。與其相鄰的液相中可將電層一分為二:與固相顆粒相鄰的一層由于負離子的吸引而保持穩定狀態，稱為緊密層.遠離固相顆粒的溶液中分散著自由移動的正離子，形成擴散層，這種正負離子在雙電層勢能(如圖2)的作用下，形成流動電流見圖3。在飽和孔隙水的固液雙相流體介質的運動中，微觀孔隙水流的運動是靠正負電荷的化學作用力而形成的，所以，它的流速下限是很低的，能夠達到10—4?10—8cm/s;而宏觀的滲流力學是靠水力梯度的重力作用形成的。而又由于聲納水下探測技術有極高的測量精度，因此，借助于高靈敏度的海軍聲納探聽技術，即可解決所有低流速的工程流速的測量問題。本實例可用于測量植物的蒸騰、蒸發;農作物需水規律建模、為農業高產穩產的生產模式、節水灌溉提供數據支持。為生態環境的優化、土壤污染的修復、水資源的持續發展提高全新的測試手段與方法。
[0032]實施例二。
[0033]本實例與實施例一的區別是用于工程地下水滲流的測量，幾乎所有的工程建設都離不開地下水的參與，如果不能夠對地下水的水文地質參數進行準確的測量與定位，就有可能造成災難性的工程事故。如水庫大壩的潰壩、江河堤壩的管涌滲漏、高層建筑基坑的垮塌、地下軌道交通的停運、煤礦的突水事故的發生等都是與地下水測量技術的缺失所致。如果把測量探頭做成類似如實例一所描述的功能，以有損或者無損的原位測量成像，即可以在工程隱患發生之初對其體檢評估，防患于未然。
[0034]實施例三。
[0035]本實施例是用于測量人體毛細血管的流速與流量的分布狀況，人類三高導致的死亡率被排在首位，其主要原因是沒有技術能夠對人體運行中的血液網絡進行體檢，只能是根據血壓(初放的不能夠定位)和腦CT(靜止的已經形成隱患的)兩種現有技術手段為人類保駕護航是遠遠不夠的。最有效的是能夠捕捉到血流過程中哪里出現了受阻的前期病灶，防患于未然。
[0036]以下是根據本發明原理進行的室內和室外試驗(如圖7-10):
首先通過室內滲流試驗裝置，以控制滲流水頭與滲漏流量的方式，形成I組不同大小的滲漏量，用稱重的劑量標準對滲漏量進行劑量，然后以稱得的流量除以過水斷面面積，得出過水斷面滲漏流速(達西定律完成)，同時用已經實施完成的聲納滲流測量儀放入到被標記好的過水斷面中，在對應劑量流速的聲納流速測量儀器上讀出不同流速對應下的聲納與流速轉換信號: 生成如下的聲納流速標定關系曲線(如圖7)，通過相關曲線完成實現聲納流速測量儀器的測量功能。
[0037]室外工程滲流試驗:
某工程建筑基坑在完成止水帷幕的圍護之后，通過聲納流速測量儀對地下隱蔽的施工質量進行體檢，得出地下連續墻體地下水滲流場與工程缺陷對應的三維可視化圖，并對工程缺陷的具體部位實施針對性的，開挖前的修補。防患工程事故的發生。如圖8-10所示。
[0038]本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種低流速聲納測量方法，其特征是利用聲納傳感器測量孔隙介質固液交界面上因雙電層震動產生的聲音，再將測得的聲音信號進行放大轉換，得到孔隙介質中液體的流速。2.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的孔隙介質包括自然界的植物組織細胞膜的水分子溶液的穿透、人體血液在細胞組織的滲透、石油在地層巖土孔隙中的流動以及地下水滲透。3.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的聲納傳感器安裝在刺入孔隙介質中的針尖上或固定在用于包裹孔隙介質的包裹探頭中。4.根據權利要求1所述的方法，其特征是能根據所測到的聲音判定孔隙介質是否存在液體流動及液體流動的速度，從而判定是否需要采取人工干預;所述的人工干預對于地下滲漏而言是指切斷滲漏源以防止地質災害的發生或監測聲音的變化情況對可能發生的地質災害進行預報;對于石油探測而言能判定出石油儲量及變化情況;對于植物而言，能判定植物生長情況及各種營養液、水份對植物生長的影響;對于人體而言，能通過聲音的變化對人體健康狀態作出判定以及藥物對人體的作用機理研究。5.—種低流速聲納測量裝置，其特征是它由聲納探頭、通訊設備和測量顯示儀表組成，聲納探頭將以被動的測量聲音信號通過導線送入通訊設備中，通訊設備將采集的聲音信號送入測量顯示儀表中加以顯示，測量顯示儀表能顯示孔隙介質中有無液體流動及流動速度，能測量到的最低流速為10—8cm/s。6.根據權利要求5所述的裝置，其特征是所述的裝置聲納探頭安裝在插入針尖中或成陣列布置在用于包裹被測物的包裹體中，針尖用于軟性能夠插入的測量對象，包裹體則用于硬性不易插入的測量對象中。7.—種權利要求1所述的方法，其特征是它被用于土木工程滲流檢測中，用于判定滲漏位置和/或滲漏量。8.根據權利要求7所述的方法，其特征是所述的土木工程滲流包括:水庫大壩的滲漏江河湖海堤防的管涌滲漏、水閘涵管的滲漏定位、地下空間工程的滲漏、基坑帷幕止水結構的滲漏、公路橋涵的地下水滲流、廢物庫的滲流、地下空間滲流路徑的跟蹤監控、工程水文地質的勘測、冶金煤礦的地下水調查、石油滲流測井、水源地的合理開采、環境地下水調查及地下污染物的溶質運移。
【文檔編號】G01P5/24GK105823902SQ201610173832
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】杜家佳, 杜國平, 宋曉峰, 杜廣林, 杜家力
【申請人】南京帝壩工程科技有限公司