专利名称：一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水文地质领域的振荡试验系统，特别是涉及一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统及其试验方法。
背景技术：
许多工程建设和学科领域的科学研究都涉及到岩体的渗透性，例如，水利、土木工程建设、石油开采与地下储存、核废料处理、环境污染等都与岩体的渗透性有关。尤其是非均质各向异性裂隙岩体的渗透性是大坝坝基、边坡、隧洞等工程设计、施工、运行中必须掌握的重要参数。同时，研究工程结构、地基和地下水的相互作用，以及应力场、温度场、渗流场和化学场的耦合作用，也都必须定量确定岩体的渗透性。但是，迄今为止，国内外测定岩体渗透性参数主要方法有抽水试验法、压水试验 法、注水试验法和水位恢复法等。确定各向异性裂隙岩体渗透系数张量的试验方法主要有交叉孔试验法和三段压水试验法。其中，基于井流传导方程的抽水试验法虽然理论完善，但对水文地质条件要求苛刻、费事费时、试验成本高；而在诸如石油开采、核废料处理以及地震地下水观测中，所涉及的含水层几乎都是埋深大、渗透性微弱，做抽水试验非常困难。其余一些方法要么理论上不完善、精度差，要么费事费时、成本高，试验实际应用困难，均无法取代抽水试验。因此有必要探求一种既理论严密，又应用快速方便、经济、可靠的确定各向异性裂隙岩体渗透性参数的现场测试方法。当钻孔揭露一条或多条裂隙时，裂隙对钻孔中水位振荡的影响与裂隙的几何特征(产状、迹长、隙宽等)有关，现有的振荡试验系统无法处理这种情况。
发明内容
发明目的本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种能够快速、准确得到各向异性裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统。技术方案为了实现以上目的，本发明提供了一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，包括井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统和PDA数据米集系统；所述井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统分别与PDA数据采集系统对应相接；所述电缆计数绞车系统和井下钻孔图像识别定向系统获得的数据传输给PDA数据采集系统后，PDA数据采集系统控制试验激发系统工作，并将传感器系统测量到的外部环境数据进行采集和存储。本发明利用确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，在获取钻孔中裂隙几何特征信息的基础上，激发钻孔中水头以致产生振荡变化，实时记录水头随时间的变化规律，根据裂隙介质水动力学和振荡试验原理，现场计算得到裂隙岩体的渗透系数张量，快速、准确的得到各向异性裂隙岩体渗透系数张量。本发明中所述井下钻孔图像识别定向系统的作用为在钻孔中发现裂隙并能确定裂隙的方位，并将裂隙的方位数据传送至PDA数据采集系统中。所述井下钻孔图像识别定向系统包括带云台的摄像头、电子指南针、图像识别定向系统数据处理传输�？椋凰龃铺ǖ纳阆裢泛偷缱又改险敕直鹩胪枷袷侗鸲ㄏ蛳低呈荽泶淠？槎杂ο嘟樱煌枷袷侗鸲ㄏ蛳低呈荽泶淠？橛隤DA数据采集系统对应相接。本发明中所述电缆计数绞车系统的作用是确定钻孔中井下钻孔图像识别定向系统中的摄像头的位置，同时为计算裂隙产状提供裂隙的位置深度数据；所述电缆计数绞车系统包括数据传输接口、底座、低速电机、支架、光敏三极管、发光二极管、透光孔、电缆、压线盘、光电码盘；所述电缆计数绞车系统中低速电机和支架固定于底座上，光电码盘与低速电机转子连接，光敏三极管和发光二极管固定在支架上，电缆上端与PDA数据采集系统相连，然后穿过压线盘和光电码盘之间，由低速电机带动电缆往下运动，电缆下端与井下钻孔图像识别定向系统相连；在光电码盘上面有八个透光孔，在光电码盘的左侧的固定支架有发光二极管，发光二极管始终处于通电发光状态，在光电码盘的右侧的固定支架上面有光敏三极管，发光二极管和光敏三极管在同一个轴心上面，光敏三极管与数据传输接口相连；当光电码盘随着低速电机旋转时，发光二极管发出的光亮会随着八个透光孔顺序把光信号辐射在光敏三极管上面，光敏三极管中具有光敏特性的PN极受到光辐射时，形成光电流， 由此产生的光电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于P倍的信号电流。放大了的信号电流通过数据传输接口接到PDA采集系统的数据输入接口，PDA数据采集系统根据光电码盘每转一圈就可得到八个脉冲，根据总脉冲数、光电码盘的直径和电缆线直径计算得到深度数据。本发明中所述试验激发系统的作用是激发钻孔中选定的橡胶膨胀栓塞封闭试验段中水头产生振荡变化；该试验激发系统包括气泵、软质气管、密封装置；所述密封装置包括压力释放阀、进气阀、压力调节阀、密封腔体；所述试验激发系统与所述PDA数据采集系统对应相接。所述试验激发系统中的气泵与软质气管一端相连接，软质气管另一端与密封装置一侧的压力调节阀相连接，控制进气压力，压力调节阀后端安装进气阀，密封装置另一侧安装压力释放阀以控制气压瞬时释放。本发明中所述传感器系统的作用是采集钻孔中水位和温度随时间变化数据，所述传感器系统包括压力传感器、温度采集器和传感器系统数据处理传输�？椋凰鲅沽Υ衅骱臀露炔杉鞣直鹩氪衅飨低呈荽泶淠？槎杂ο嘟樱淮衅飨低呈荽泶淠？橛隤DA数据采集系统对应相接。本发明中所述确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统采用的测试频率为I-IOHz ;压力传感器精度可达到0. 2%0。本发明中所述PDA数据采集系统为整个系统的控制端，并可显示和存储数据所述PDA数据采集系统包括带有显示器的主机。本发明中还公开了一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验方法，其特征在于该方法的具体步骤如下(I)选择试验场地，钻孔，并详细登记钻孔岩性和裂隙的发育情况；(2)安装振荡试验系统将井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统和PDA数据采集系统进行组装；(3)启动振荡试验系统；
(4)调试并校准井下钻孔图像识别定向系统中的电子指南针工作，确保电子指南针工作正常，并校准井下钻孔图像识别定向系统中的摄像头，使摄像头所对的方向调整到所在地的正北方向；(5)校准电缆计数绞车系统中光脉冲深度计数器的脉冲距离，使脉冲距离与光脉冲深度计数器相邻光脉冲之间的电缆长度相等；(6)所述井下钻孔图像识别定向系统发现钻孔中的裂隙，并确定裂隙的方位；井下钻孔图像识别定向系统将裂隙的方位数据送至PDA数据采集系统；所述电缆计数绞车系统通过光脉冲深度计数器确定裂隙的位置深度，并送至PDA数据采集系统；PDA数据采集系统根据裂隙的方位数据和位置深度数据，确定有裂隙存在的钻孔段为试验段，同时计算出试验段内裂隙的产状；(7)确定试验段后，所述PDA数据采集系统控制试验激发系统激发钻孔中选定的橡胶膨胀栓塞封闭试验段中水头产生振荡变化关闭压力释放阀，打开气泵充气阀和密封装置进气阀，缓慢开放压力调节阀，对钻孔中试验段内的水加压，使其产生一定的降深； (8)观察传感器系统中各传感器的读数，当各传感器读数稳定时关闭试验激发系统中的进气阀；(9)迅速打开压力释放阀，使钻孔试验段内水产生振荡，在打开压力释放阀的同时传感器系统开始工作，检测试验段内水环境数据，PDA数据采集系统实时采集传感器系统中检测到的水环境数据；(10)当钻孔中水头被激发后从最大水位降深位置恢复至初始水位状态时结束测试，PDA数据采集系统保存采集到的测试数据。本发明中，所述步骤(4 )中调试并校准电子指南针可采用“硬铁补偿”的方式，“硬铁补偿”是指在两分钟内将电子指南针均匀的水平旋转两周，然后停止，结束硬铁补偿。在执行硬铁补偿过程中，一定要将电子指南针旋转两周，否则电子指南针测得的方位不准。所述步骤(5)中需要校准电缆计数绞车系统中由于电缆半径导致的深度累计误差。有益效果本发明与现有技术相比具有以下优点I、本发明所述的确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统体积�。亓壳岜悖阌谛�。2、本发明能实现图像的实时显示，裂隙几何特征参数的自动计算，试验自动激发，水位、温度自动采集，并且实现了数据的便捷存贮。3、本发明利用裂隙介质水动力学和振荡试验原理，能现场快速完成测试、处理数据并得到裂隙岩体的渗透系数张量；可以应用于现场快速检测各向异性裂隙岩体渗透性参数，也可用于地基基础安全和大体积混凝土安全检测等领域。
图I为本发明的结构框图。图2为本发明井下钻孔图像识别定向系统确定裂隙产状原理示意图。图3为电缆计数绞车系统结构示意图。图4为电缆计数绞车系统的部分结构示意图。
图5为电子指南针的工作原理电路图。图6为摄像头的工作原理电路图。图7为微型云台步进电机工作原理电路图。图8为本发明中实施例的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。实施例 如图I所示的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，包括井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统、PDA数据采集系统和计算机；所述井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统的输出/入端分别与PDA数据采集系统的输入/出端对应相接，所述PDA数据采集系统与计算机相连；所述电缆计数绞车系统和井下钻孔图像识别定向系统获得的数据传输给PDA数据采集系统后，PDA数据采集系统控制试验激发系统，传感器系统将测量到的介质的压力、温度数据传输给PDA数据采集系统，PDA数据采集系统的输出端导出数据到计算机，计算机进行分析计算。本实施例中，所述井下钻孔图像识别定向系统包括带云台的摄像头、电子指南针、图像识别定向系统数据处理传输�？椋凰龃铺ǖ纳阆裢泛偷缱又改险敕直鹩胪枷袷侗鸲ㄏ蛳低呈荽泶淠？槎杂ο嘟樱煌枷袷侗鸲ㄏ蛳低呈荽泶淠？橛隤DA数据采集系统对应相接。本实施例中，所述电缆计数绞车系统的结构包括数据传输接口 4、底座5、低速电机6、支架7、光敏三极管8、发光二极管9、透光孔10、电缆11、压线盘12、光电码盘13 (如图3所示);所述电缆计数绞车系统中低速电机6和支架7固定于底座5上，光电码盘13与低速电机6的转子连接，光敏三极管8和发光二极管9固定在支架7上，电缆11上端与PDA数据采集系统20相连，然后穿过压线盘12和光电码盘13之间，由低速电机带动电缆往下运动，电缆11下端与井下钻孔图像识别定向系统14相连；在光电码盘13上面有八个透光孔10,在光电码盘13的左侧的固定支架有发光二极管9,发光二极管9始终处于通电发光状态，在光电码盘13的右侧的固定支架上面有光敏三极管8,发光二极管9和光敏三极管8在同一个轴心上面，光敏三极管8与数据传输接口 4相连；当光电码盘13随着低速电机6旋转时，发光二极管9发出的光亮会随着八个透光孔10顺序把光信号辐射在光敏三极管8上面，光敏三极管8中具有光敏特性的PN极受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于P倍的信号电流。放大了的信号电流通过数据传输接口 4接到PDA采集系统的数据输入接口，PDA数据采集系统20根据光电码盘13每转一圈就可得到八个脉冲，根据总脉冲数、光电码盘的直径和电缆线直径计算得到深度数据。所述试验激发系统包括气泵27、软质气管26、压力释放阀19、进气阀17、压力调节阀18、密封腔体28 (如图7所示);所述试验激发系统中的气泵27与软质气管26 —端相连接，软质气管26另一端与密封腔体28 —侧的压力调节阀18相连接，控制进气压力，压力调节阀18后端安装进气阀17，密封腔体28另一侧安装以控制气压瞬时释放的压力释放阀18。所述传感器系统包括压力传感器、温度采集器和传感器系统数据处理传输�？椋凰鲅沽Υ衅骱臀露炔杉鞣直鹩氪衅飨低呈荽泶淠？槎杂ο嘟樱淮衅飨低呈荽泶淠？橛隤DA数据采集系统对应相接。本实施例中，所述井下钻孔图像识别定向系统是利用摄像头在钻孔中发现裂隙后，通过指南针确定某条裂隙上三个点的方位，再通过电缆计数绞车分别确定三个点的深度，根据三点确定一个面的几何原理自动计算裂隙的产状(倾向、倾角)，具体计算方法如下已知钻孔半径为r,则I坐标为(rcos a ^rsin a ^c1) ,2坐标为(rcos a 2,rsin a 2，c2)，V. I. I
v I. i3 坐标为(rcos a 3，rsin a 3，c3)，: f : 7,占—:f其中
I1 j:.rr
,I y jf
\ 1 飞 " Ij ■ I."V i ..
I I - — - j I ~ - -1 fI -■ I .X1 = rcos a「rcos a 2 ；yx = rsin a「rsin a 2 ；zx = C1-C2 ；x2 = rcos a「rcos a 3 ；y2 = rsin a「rsin a 3 ；z2 = C1-C30cos 3 -- .1 iSin B = ^
'RR
—fff'—其中，」......,i<\,fs) -B ^ , ■ <f.....「...一p
I-/' i- h'1；" f Irh - VJ i> ，
v , I i:. X11 y, \ A" , I -/,i 4 - 1 ' L
I -. - " Ii ^ ；-,- * - I
；i - --1J.-i S --1
! . . . I!■■ ■ I；式中&1，&2，％分别为1，2，3的方位角:ci，c2，c3*别为1,2,3的深度;c0为与C1,C2, C3不等的任意深度值；a为裂隙面的倾角；0为裂隙面的倾向本实施例中确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验方法的具体步骤如下( I)选择试验场地，钻孔，并详细登记钻孔岩性和裂隙25的发育情况；(2)安装振荡试验系统将井下钻孔图像识别定向系统14、电缆计数绞车系统16、试验激发系统、传感器系统15和PDA数据采集系统20进行组装；(3)启动振荡试验系统；(4)调试并校准井下钻孔图像识别定向系统14中的电子指南针工作，确保电子指南针工作正常，并校准井下钻孔图像识别定向系统14中的摄像头，使摄像头所对的方向调整到所在地的正北方向；(5)校准电缆计数绞车系统16中光脉冲深度计数器的脉冲距离，使脉冲距离与光脉冲深度计数器相邻光脉冲之间的电缆长度相等；(6)所述井下钻孔图像识别定向系统14发现钻孔中的裂隙25，并确定裂隙25的方位；井下钻孔图像识别定向系统14将裂隙的方位数据送至PDA数据采集系统20 ;所述电缆计数绞车系统16通过光脉冲深度计数器确定裂隙25的位置深度，并送至PDA数据采集系统20 ；PDA数据采集系统20根据裂隙25的方位数据和位置深度数据，确定有裂隙25存在的钻孔段为试验段，同时计算出试验段内裂隙的产状；(7)确定试验段后，所述PDA数据采集系统20控制试验激发系统激发钻孔中选定的橡胶膨胀栓塞封闭试验段中水头产生振荡变化关闭压力释放阀19，打开气泵充气阀和密封装置进气阀17，缓慢开放压力调节阀18，对钻孔中试验段内的水加压，使其产生的一定的降深；(8)观察传感器系统15中各传感器的读数，当各传感器读数稳定时关闭试验激发系统中的进气阀17 ；(9)迅速打开压力释放阀19使钻孔试验段内水产生振荡，在打开压力释放阀19的同时传感器系统15开始工作,检测试验段内水环境数据,PDA数据采集系统20实时采集传感器系统15中检测到的水环境数据；(10)当钻孔中水头被激发后从最大水位降深位置24恢复至初始水位状态23，结 束测试，PDA数据采集系统20保存采集到的测试数据。
权利要求
1.一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于包括井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统和PDA数据采集系统； 所述井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统分别与PDA数据采集系统对应相接；所述电缆计数绞车系统和井下钻孔图像识别定向系统获得的数据传输给PDA数据采集系统后，PDA数据采集系统控制试验激发系统工作，并将传感器系统测量到的外部环境数据进行采集和存储。
2.根据权利要求I所述的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于所述井下钻孔图像识别定向系统包括带云台的摄像头、电子指南针、图像识别定向系统数据处理传输�？椋凰龃铺ǖ纳阆裢泛偷缱又改险敕直鹩胪枷袷侗鸲ㄏ蛳低呈荽泶淠？槎杂ο嘟樱煌枷袷侗鸲ㄏ蛳低呈荽泶淠？橛隤DA数据采集系统对应相接。
3.根据权利要求I所述的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于所述电缆计数绞车系统的结构包括数据传输接口、底座、低速电机、支架、光敏三极管、发光二极管、透光孔、电缆、压线盘、光电码盘； 所述电缆计数绞车系统中低速电机和支架固定于底座上，光电码盘与低速电机的转子连接，光敏三极管和发光二极管固定在支架上，电缆上端与PDA数据采集系统相连，然后穿过压线盘和光电码盘之间，由低速电机带动电缆往下运动，电缆下端与井下钻孔图像识别定向系统相连；在光电码盘上面有八个透光孔，在光电码盘的左侧的固定支架有发光二极管，在光电码盘的右侧的固定支架上面有光敏三极管，发光二极管和光敏三极管在同一个轴心上面,光敏三极管与数据传输接口相连,并将光电码盘的转速数据通过数据传输接口上传给上位机PDA。
4.根据权利要求I所述的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于所述试验激发系统包括气泵、软质气管、压力释放阀、进气阀、压力调节阀、密封腔体； 所述试验激发系统中的气泵与软质气管一端相连接，软质气管另一端与密封腔体一侧的压力调节阀相连接，控制进气压力，压力调节阀后端安装进气阀，密封腔体另一侧安装以控制气压瞬时释放的压力释放阀。
5.根据权利要求I所述的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于所述传感器系统包括压力传感器、温度采集器和传感器系统数据处理传输�？椋凰鲅沽Υ衅骱臀露炔杉鞣直鹩氪衅飨低呈荽泶淠？槎杂ο嘟樱淮衅飨低呈荽泶淠？橛隤DA数据采集系统对应相接。
6.根据权利要求I所述的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于该系统采用的测试频率为I-IOHz。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于所述PDA数据采集系统包括带有显示器的主机。
8.根据权利要求I所述的一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，其特征在于所述的PDA数据采集系统与外部计算机或存储器连接。
9.一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验方法，其特征在于该方法的具体步骤如下 (I)选择试验场地，钻孔，并详细登记钻孔岩性和裂隙的发育情况；(2)安装振荡试验系统将井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统和PDA数据采集系统进行组装； (3)启动振汤试验系统； (4)调试并校准井下钻孔图像识别定向系统中的电子指南针工作，确保电子指南针工作正常，并校准井下钻孔图像识别定向系统中的摄像头，使摄像头所对的方向调整到所在地的正北方向； (5)校准电缆计数绞车系统中光脉冲深度计数器的脉冲距离，使脉冲距离与光脉冲深度计数器相邻光脉冲之间的电缆长度相等； (6)所述井下钻孔图像识别定向系统发现钻孔中的裂隙，并确定裂隙的方位；井下钻孔图像识别定向系统将裂隙的方位数据送至PDA数据采集系统；所述电缆计数绞车系统通过光脉冲深度计数器确定裂隙的位置深度，并送至PDA数据采集系统；PDA数据采集系统根据裂隙的方位数据和位置深度数据，确定有裂隙存在的钻孔段为试验段，同时计算出试验段内裂隙的产状； (7)确定试验段后，所述PDA数据采集系统控制试验激发系统激发钻孔中选定的橡胶膨胀栓塞封闭试验段中水头产生振荡变化关闭压力释放阀，打开气泵充气阀和密封装置进气阀，缓慢开放压力调节阀，对钻孔中试验段内的水加压，使其产生的一定的降深； (8)观察传感器系统中各传感器的读数，当各传感器读数稳定时关闭试验激发系统中的进气阀； (9)迅速打开压力释放阀使钻孔试验段内水产生振荡，在打开压力释放阀的同时传感 器系统开始工作，检测试验段内水环境数据，PDA数据采集系统实时采集传感器系统中检测到的水环境数据； (10)当钻孔中水头被激发后从最大水位降深位置恢复至初始水位状态时结束测试，PDA数据采集系统保存采集到的测试数据。
全文摘要
本发明公开了一种确定裂隙岩体渗透系数张量的振荡试验系统，包括井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统、PDA数据采集系统和计算机；所述井下钻孔图像识别定向系统、电缆计数绞车系统、试验激发系统、传感器系统的输出/入端分别与PDA数据采集系统的输入/出端对应相接；本发明所述系统能够在井下钻孔图像识别定向系统和电缆计数绞车系统获得裂隙图像和位置深度数据，从而得到裂隙岩体裂隙产状，然后利用试验激发系统激发钻孔中选定的橡胶膨胀栓塞封闭的试验段中水头产生振荡变化，将传感器采集的信号传输给PDA数据采集系统并实时记录水头随时间变化规律，利用裂隙介质水动力学和振荡试验原理，能现场快速完成测试、处理数据并得到裂隙岩体的渗透系数张量。
文档编号G01N15/08GK102830050SQ20121018909
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者周志芳, 王锦国, 黄勇, 赵燕容, 吴蓉, 傅志敏, 窦智, 崔子腾 申请人:河海大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
