巖體滲透系數(shù)原位測量裝置及其采集控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種巖體滲透系數(shù)原位測量裝置及其采集控制系統(tǒng)，該測量裝置包括采集控制系統(tǒng)、高壓水泵和注水封孔栓塞，采集控制系統(tǒng)內封裝了中央控制單元、I/O接口模塊以及進水管和出水管，進水管與出水管之間通過連接管路連接，連接管路上設有第一、第二壓力傳感器和電磁閥、流量傳感器，中央控制單元按照預定程序和參數(shù)發(fā)出相應的采集控制指令；I/O接口模塊將控制指令轉化為模擬信號，控制高壓水泵的啟閉和電磁閥的開合，并采集注水流量值和壓力值，返回給中央控制單元分析、存儲。本發(fā)明，可以在巖體鉆孔中便捷地進行自動壓水試驗，主要測量和控制元件采用封裝結構，設計緊湊，攜帶方便；使用自動化測量控制系統(tǒng)，操作簡捷，測量精度高。
【專利說明】巖體滲透系數(shù)原位測量裝置及其采集控制系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及巖體滲透系數(shù)原位測量裝置及其采集控制系統(tǒng)，適用于地下工程、水利水電工程、隧道工程以及石油工程等領域中巖體滲透系數(shù)的原位測量。
【背景技術】
[0002]由于巖體具有不均勻、不連續(xù)和各向異性的特征，因此，合理確定巖體滲透系數(shù)在巖石力學與地下工程領域中一直是一項困難但十分重要的工作。
[0003]目前，確定巖體滲流系數(shù)的常見方法主要包括野外測量法、室內試驗法以及現(xiàn)場原位試驗法。其中，野外測量法簡單易行，但由于巖體中的裂隙并非無限延伸，也不是均勻光滑不含填充物，露頭量測或根據(jù)鉆孔資料量測很難取得準確的裂隙參數(shù)，因此，該方法過于粗糙，代表性差；室內試驗法只能采用小尺度的巖石試塊，其試驗結果往往與工程尺度上巖體的滲流特性相差甚遠；現(xiàn)場原位試驗法有壓水試驗、注水試驗、抽水試驗等，與上述兩種方法相比，現(xiàn)場原位試驗法較能準確地反映巖體的真實滲透特性。
[0004]壓水試驗是在鉆孔內進行巖體原位滲透的試驗，是現(xiàn)場原位試驗法中最常用的一種方式。通常的做法是:試驗人員手動控制高壓水泵以一定的壓力向鉆孔試驗段內注水，同時人工觀測水表測量的流量值，據(jù)此計算巖體的滲透系數(shù)。然而，人工控制壓水試驗存在以下一些問題:
[0005](I)壓水試驗中，人工控制高壓水泵難以按要求的壓力穩(wěn)定送水；
[0006](2)測量累計水量的水表精度較低，而且只有和計時器聯(lián)合使用才能計算出流量值，在試驗過程中難以快速計算流量值，且精度較低。
[0007]由此可見，采用現(xiàn)場人工壓水試驗進行巖體滲透系數(shù)測定，技術難度大、精度低、費用高、耗時多、實施困難。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題是采用現(xiàn)場人工壓水試驗進行巖體滲透系數(shù)測定技術難度大、精度低、費用高、耗時多、實施困難的問題。
[0009]為了解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是提供一種巖體滲透系數(shù)原位測量裝置的采集控制系統(tǒng)，包括:
[0010]進水管和出水管，二者之間通過連接管路連接，所述連接管路上設有第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、電磁閥和流量傳感器，所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器分別設置在所述電磁閥的上游側和下游側；
[0011]進水管和出水管，二者之間通過連接管路連接，所述連接管路上設有第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、電磁閥和流量傳感器，所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器分別設置在所述電磁閥的上游側和下游側；
[0012]中央控制單元，其上設有所述流量傳感器和所述第一、第二壓力傳感器的參數(shù)、注水目標壓力Pd、高壓水泵預定壓力Pu、注水時間以及采集時間間隔，所述中央控制單元根據(jù)所述第一壓力傳感器實時采集到的第一壓力數(shù)據(jù)控制所述高壓水泵啟動或停止，根據(jù)所述第二壓力傳感器實時采集到的第二壓力數(shù)據(jù)控制所述電磁閥開合，并實時記錄所述流量傳感器采集到的流量數(shù)據(jù)以及所述第一壓力數(shù)據(jù)和所述第二壓力數(shù)據(jù)；
[0013]I/O接口模塊，通過所述I/O接口模塊將所述中央控制單元下達的指令轉化為模擬信號，下達給所述電磁閥和所述高壓水泵，同時根據(jù)采集間隔采集所述第一、第二壓力數(shù)據(jù)以及所述流量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)返回給所述中央控制單元。
[0014]上述采集控制系統(tǒng)中，還包括外置計算機和控制線路接口，試驗人員使用所述外置計算機通過所述控制線路接口連接所述中央控制單元，更新所述流量傳感器和所述第一、第二壓力傳感器的參數(shù)、注水目標壓力、注水時間以及采集間隔，并根據(jù)所述第一壓力傳感器實時采集到的第一壓力數(shù)據(jù)控制所述高壓水泵啟動或停止，根據(jù)所述第二壓力傳感器實時采集到的第二壓力數(shù)據(jù)控制所述電磁閥的開合，并實時記錄所述流量傳感器采集到的流量數(shù)據(jù)以及所述第一壓力數(shù)據(jù)和所述第二壓力數(shù)據(jù)。
[0015]上述采集控制系統(tǒng)中，當所述第一壓力數(shù)據(jù)高于Pu時并閉所述高壓水泵，當所述第一壓力數(shù)據(jù)低于0.9Pu時啟動所述高壓水泵；當所述第二壓力數(shù)據(jù)高于目標壓力Pd時關閉所述電磁閥，當所述第二壓力數(shù)據(jù)低于0.9Pd時開啟所述電磁閥。
[0016]上述采集控制系統(tǒng)中，所述連接管路上間隔地設有第一三通和第二三通，第一三通的入口連接所述進水管，出口連接所述電磁閥的進水口，支路接口連接所述第一壓力傳感器；第二三通的入口連接所述電磁閥的出水口，出口連接所述流量傳感器的進水口，支路接口連接所述第二壓力傳感器；所述流量傳感器的出水口連接所述出水管。
[0017]本發(fā)明還提供了一種巖體滲透系數(shù)原位測量裝置，包括高壓水泵、密封鉆孔的注水封孔栓塞、穩(wěn)壓水罐以及上述的采集控制系統(tǒng)，所述穩(wěn)壓水罐的進水口連接到高壓水泵的出水口，所述控制系統(tǒng)的進水管通過第一管路連接到所述穩(wěn)壓水罐的出水口，所述控制系統(tǒng)的出水管通過第二管路連接到所述注水封孔栓塞上的進水口。
[0018]在上述巖體滲透系數(shù)原位測量裝置中，所述采集控制系統(tǒng)具有一封閉的殼體，所述進水管和所述出水管分別通過金屬箍護緊套固定在所述殼體上。
[0019]在上述巖體滲透系數(shù)原位測量裝置中，還包括用于為所述采集控制系統(tǒng)供電的外部電源。
[0020]在上述巖體滲透系數(shù)原位測量裝置中，所述穩(wěn)壓水罐與所述高壓水泵之間的管路上設有止回閥。
[0021]在上述巖體滲透系數(shù)原位測量裝置中，所述第一管路和所述第二管路為高壓輸水軟管。
[0022]在上述巖體滲透系數(shù)原位測量裝置中，所述高壓輸水軟管的兩端分別設有快速接頭。
[0023]本發(fā)明，中央控制單元按照預定程序和參數(shù)發(fā)出相應的采集控制指令；I/O接口模塊將控制指令轉化為模擬信號，控制高壓水泵的啟閉和電磁閥的開合，并采集注水流量值和壓力值，返回給中央控制單元分析、存儲，從而可以在巖體鉆孔中便捷地進行壓水試驗，根據(jù)測量得到高壓水的壓力數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)以及鉆孔尺寸，便可計算出巖體的滲透系數(shù)，能夠精確控制高壓水泵注水，確保穩(wěn)定性，并且，主要測量和控制元件采用封裝結構，設計緊湊，攜帶方便；使用自動化測量控制系統(tǒng)，操作簡捷，測量精度高?！緦＠綀D】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明提供的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明提供的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置的采集控制系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發(fā)明做出詳細的說明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明提供的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置包括采集控制系統(tǒng)10、高壓水泵20和封裝鉆孔的注水封孔栓塞30。
[0028]高壓水泵20的出水口連接穩(wěn)壓水罐70，采集控制系統(tǒng)10的進水管11通過第一管路連接到壓水罐70的出水口，穩(wěn)壓水罐70與高壓水泵20之間的管路上設有止回閥40，采集控制系統(tǒng)10的出水管12通過第二管路連接到注水封孔栓塞30上的注水口。第一管路和第二管路均采用的是高壓輸水軟管，且兩端分別設有快速接頭，便于本裝置的快速安裝組合。
[0029]在上述巖體滲透系數(shù)原位測量裝置中，還設有用于為采集控制系統(tǒng)供電的外部電源60和外部計算機50，當采集控制系統(tǒng)內置的蓄電池出現(xiàn)故障時，可以通過外部電源60為采集控制系統(tǒng)供電，并且當采集控制系統(tǒng)10中的中央控制單元出現(xiàn)故障時，可以利用外部計算機50進行操作，從而大大提高了該巖體滲透系數(shù)原位測量裝置的適應性。
[0030]如圖2所示，采集控制系統(tǒng)的主要部件中央控制單元13和I/O接口模塊14封閉在一個鋁制殼體內，進水管11與出水管12之間通過連接管路連接，連接管路上設有第一壓力傳感器15、第二壓力傳感器16、電磁閥17以及流量傳感器18，其中，進水管11與出水管12分別通過金屬箍緊護套19固定在殼體的側壁上，進水管11與出水管12的伸出端分別設有快速接頭，第一管路和第二管路的兩端也分別設有快速接頭，從而可以實現(xiàn)快速連接。第一壓力傳感器15和第二壓力傳感器16分別設置在電磁閥17的上游側和下游側，流量傳感器18連接電磁閥17和出水管12。具體連接方式為:連接管路上間隔地設有第一三通Tl和第二三通T2，第一三通Tl的入口連接進水管11，出口連接電磁閥17的進水口，支路接口連接第一壓力傳感器15，第二三通T2的入口連接電磁閥17的出水口，出口連接流量傳感器18的進水口，支路接口連接第二壓力傳感器16，流量傳感器18的出水口連接出水管12。
[0031]中央控制單元13為一塊集成控制板，用于存儲控制程序和相應的參數(shù)(流量傳感器和第一、第二壓力傳感器的參數(shù)、注水目標壓力Pd、注水時間以及采集間隔等)，I/O接口模塊14根據(jù)中央控制單元13中設定的采集間隔采集流量傳感器18的流量數(shù)據(jù)以及第一、第二壓力傳感器15、16的壓力數(shù)據(jù)。并且中央控制單元13根據(jù)第一壓力傳感器15實時采集到的第一壓力數(shù)據(jù)，向I/O接口模塊14發(fā)出控制高壓水泵的指令，I/O接口模塊14按照控制指令輸出模擬量，控制高壓水泵20啟動或停止；中央控制單元13根據(jù)第二壓力傳感器16實時采集到的壓力數(shù)據(jù)，向I/O接口模塊14發(fā)出控制電磁閥的指令，I/O接口模塊14按照控制指令輸出模擬量，控制電磁閥17的開合，從而保證供水壓力穩(wěn)定。采集到的流量數(shù)據(jù)和第一、第二壓力數(shù)據(jù)儲存在中央控制單元13中。
[0032]具體地，當?shù)谝粔毫鞲衅鞑杉降牡谝粔毫?shù)據(jù)高于Pu時，關閉高壓水泵，當?shù)谝粔毫鞲衅鞑杉降牡谝粔毫?shù)據(jù)低于0.9Pu時，啟動高壓水泵；當?shù)诙毫鞲衅鞑杉降牡诙毫?shù)據(jù)高于目標壓力Pd時，關閉電磁閥，當?shù)诙毫鞲衅鞑杉降牡诙毫?shù)據(jù)低于0.9Pd時開啟電磁閥。
[0033]上述元件均通過內置于殼體內的蓄電池Al供電。
[0034]殼體上還設有三個航空插頭，分別用于連接外部電源、外置計算機和高壓水泵。
[0035]當中央控制單元13出現(xiàn)故障時，可以通過外置計算機進行控制，即通過外置計算機設定流量傳感器和第一、第二壓力傳感器的參數(shù)、注水目標壓力Pd、注水時間以及采集間隔，并通過I/o接口模塊14下達相應的指令采集數(shù)據(jù)。
[0036]本發(fā)明提供的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置使用方法如下:
[0037](I)在擬測量的巖體上鉆孔，孔的深度應在2至5米間，然后將注水封孔栓塞30插入鉆孔孔口處，注水封孔栓塞30帶有快速接頭的一端朝外。
[0038](2)在高壓水泵20的出口處安裝止回閥40，止回閥40出口連接穩(wěn)壓水罐70，接口均為螺紋連接，將高壓輸水軟管一端的快速接頭與穩(wěn)壓水管出水口連接，另一端的快速接頭與采集控制系統(tǒng)的進水端連接。
[0039](3)將另一根高壓輸水軟管的一端快速接頭與注水封孔栓塞的連接，另一端的快速接頭與采集控制系統(tǒng)的出水管連接。
[0040](4)用水泵控制線將高壓水泵20與采集控制系統(tǒng)上相應的航空插頭連接，在試驗過程中使用采集控制系統(tǒng)控制高壓水泵工作。
[0041](5)用戶將傳感器參數(shù)，預定注水壓力、注水時間，采集間隔等控制數(shù)據(jù)從外置計算機輸入中央控制控制單元，本測量裝置便可自動進行壓水試驗，并記錄試驗過程中的注水流量值和注水壓力值。試驗完成后，依據(jù)這些數(shù)據(jù)以及注水鉆孔尺寸便可計算出巖體滲透系數(shù)。
[0042]本發(fā)明，能夠按照預定壓力向鉆孔穩(wěn)定送水、且能自動精確測量壓力和流量。實現(xiàn)了巖體滲透系數(shù)原位測量裝置的自動化運行，按照預設方案自動完成試驗并記錄試驗的過程。
[0043]本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人應該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結構變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.巖體滲透系數(shù)原位測量裝置的采集控制系統(tǒng)，其特征在于，包括: 進水管和出水管，二者之間通過連接管路連接，所述連接管路上設有第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、電磁閥和流量傳感器，所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器分別設置在所述電磁閥的上游側和下游側； 中央控制單元，其上設有所述流量傳感器和所述第一、第二壓力傳感器的參數(shù)、注水目標壓力Pd、高壓水泵預定壓力Pu、注水時間以及采集時間間隔，所述中央控制單元根據(jù)所述第一壓力傳感器實時采集到的第一壓力數(shù)據(jù)控制所述高壓水泵啟動或停止，根據(jù)所述第二壓力傳感器實時采集到的第二壓力數(shù)據(jù)控制所述電磁閥開合，并實時記錄所述流量傳感器采集到的流量數(shù)據(jù)以及所述第一壓力數(shù)據(jù)和所述第二壓力數(shù)據(jù)； I/O接口模塊，通過所述I/O接口模塊將所述中央控制單元下達的指令轉化為模擬信號，下達給所述電磁閥和所述高壓水泵，同時根據(jù)采集間隔采集所述第一、第二壓力數(shù)據(jù)以及所述流量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)返回給所述中央控制單元。
2.如權利要求1所述的采集控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括外置計算機和控制線路接口，試驗人員使用所述外置計算機通過所述控制線路接口連接所述中央控制單元，更新所述流量傳感器和所述第一、第二壓力傳感器的參數(shù)、注水目標壓力、注水時間以及采集間隔，并根據(jù)所述第一壓力傳感器實時采集到的第一壓力數(shù)據(jù)控制所述高壓水泵啟動或停止，根據(jù)所述第二壓力傳感器實時采集到的第二壓力數(shù)據(jù)控制所述電磁閥的開合，并實時記錄所述流量傳感器采集到的流量數(shù)據(jù)以及所述第一壓力數(shù)據(jù)和所述第二壓力數(shù)據(jù)。
3.如權利要求1所述的采集控制系統(tǒng)，其特征在于， 當所述第一壓力數(shù)據(jù)高于Pu時并閉所述高壓水泵，當所述第一壓力數(shù)據(jù)低于0.9Pu時啟動所述高壓水泵；當所述第二壓力數(shù)據(jù)高于目標壓力Pd時關閉所述電磁閥，當所述第二壓力數(shù)據(jù)低于0.9Pd時開啟所述電磁閥。
4.如權利要求1所述的采集控制系統(tǒng)，其特征在于，所述連接管路上間隔地設有: 第一三通，其入口連接所述進水管，出口連接所述電磁閥的進水口，支路接口連接所述第一壓力傳感器； 第二三通，其入口連接所述電磁閥的出水口，出口連接所述流量傳感器的進水口，支路接口連接所述第二壓力傳感器； 所述流量傳感器的出水口連接所述出水管。
5.巖體滲透系數(shù)原位測量裝置，包括高壓水泵、穩(wěn)壓水罐和密封鉆孔的注水封孔栓塞，其特征在于，還包括如權利要求1至4項任一項所述的采集控制系統(tǒng)，所述穩(wěn)壓水罐的進水口連接到高壓水泵的出水口，所述采集控制系統(tǒng)的進水管通過第一管路連接到所述穩(wěn)壓水罐的出水口，所述控制系統(tǒng)的出水管通過第二管路連接到所述注水封孔栓塞上的進水口。
6.如權利要求5所述的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置，其特征在于，所述采集控制系統(tǒng)具有一封閉的殼體，所述進水管和所述出水管分別通過金屬箍護緊套固定在所述殼體上。
7.如權利要求5所述的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置，其特征在于，還包括用于為所述采集控制系統(tǒng)供電的外部電源。
8.如權利要求5所述的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置，其特征在于，所述穩(wěn)壓水罐與所述高壓水泵之間的管路上設有止回閥。
9.如權利要求5所述的巖體滲透系數(shù)原位測量裝置，其特征在于，所述第一管路和所述第二管路為高壓輸水軟管。
10.如權利要求9所述的巖 體滲透系數(shù)原位測量裝置，其特征在于，所述高壓輸水軟管的兩端分別設有快速接頭。
【文檔編號】G01N15/08GK103808644SQ201410081188
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月6日 優(yōu)先權日:2014年3月6日
【發(fā)明者】段云嶺, 趙雪峰, 馮金銘, 魏雪斐 申請人:華星誠森科技（北京）有限公司