一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统的制作方法
一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统，属于水文地质参数监 测领域。
【背景技术】
[0002] 地下水渗流作用对水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件等均有重大影响。 如滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害过程中地下水渗流场均扮演重要角色;地下水渗流还 影响地下构筑物水文地质条件、巧基管涌渗漏等。此外，地下水渗流作用引起±壤溶质运移 (无机盐、养分、污染物等），故地下水渗流对±体修复及农业科学亦有重要意义。综上所述， 对地下水流速流向（地下水渗流场主要特征参数)的监测意义重大。
[0003] 地下水流速流向的测得方法较多，传统方法主要分为抽水试验法和示踪法。传统 的抽水试验法，不适用于单井监测，且耗时费力。示踪法又有放射性同位素示踪法、电位差 法、热示踪法等。电位差法是通过注入盐溶液或蒸馈水等改变地下水电位，W传感器测得电 位场在时间空间上的变化进而获得地下水流速流向。放射性同位素示踪法所需放射性物质 可能对人体及环境造成危害。基于示踪剂的示踪法，所使用示踪剂可与地下水及岩±体发 生离子交换、吸附、沉淀等理化反应，影响测量结果；同时，示踪剂投源机制亦不利于实现长 期自动化监测。热示踪法对热敏元件的精度要求较高。另外，还有显微照相、中子活化等技 术应用于地下水流速流向的测定。如美国Geotech生产的AquaVISION，对地下水中颗粒物进 行显微照相W分析地下水流速流向，但此法用于参考的颗粒物不易寻得或识别。中子活化 的成本高且需采取防护措施。随着经济与科技水平的发展，人们对地下水流速流向的测定 提出了更高的要求。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种地下水流速流向实时监测方法及监 测系统，测得地下水水平方向流速不受其垂直方向流速的影响，可针对具不同渗流场特点 (水溫和流速）的地下水实现流速流向实时监测，适用范围广，同时系统结构简单，制造及运 行成本低，不会对环境造成污染，具有很重要的工程应用价值。
[0005] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种地下水流速流向实时 监测方法，沿铅垂方向设置一晓性管，晓性管的下端连接一摆球;将晓性管放入地下水中； 摆球受地下水绕流阻力作用产生位移，同时，该绕流阻力作用于晓性管使晓性管产生晓曲 变形;测得摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向；根据摆球 在绕流阻力作用下的水平方向位移计算得到地下水水平方向流速。
[0006] 根据摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移计算地下水水平方向流速时，忽略地 下水垂向流速对摆球水平位移的影响;所述地下水水平方向流速根据W下公式计算得到：
[0007]
[0008] 其中，U为地下水水平方向流速;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P 为地下水密度;1为晓性管的长度，E为晓性管弹性模量，I为晓性管惯性矩，1、E和I均由晓性 管决定；ω 1为摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移;Cd为绕流阻力系数，取决于绕流物体 的形状与流动雷诺数Re,所述流动雷诺数Re与地下水水平方向流速、地下水溫度T和摆球直 径d有关。
[0009] 所述晓性管的上端安装有电子罗盘和感光元件，晓性管与摆球的连接处安装LED 灯，摆球受地下水绕流阻力作用产生位移时L邸灯位置发生改变，利用电子罗盘和感光元件 采集位移数据，得到摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向。
[0010] 本发明同时提供了一种基于上述监测方法的地下水流速流向实时监测系统，包括 上下两底封闭、内部中空的圆柱体探头，所述探头管壁为网状;探头内部沿其中轴线设置有 一根晓性管，晓性管的下端连接一颗摆球，晓性管的上端安装有电子罗盘和感光元件，晓性 管与摆球的连接处安装有Lm)灯;探头内安装有溫度传感器;所述电子罗盘、感光元件和溫 度传感器均通过电缆与地面控制系统连接。
[0011] 所述地面控制系统为PC机。
[0012] 所述探头位于圆柱形套管内部，套管上底开口，套管下底由圆形管底封闭;套管壁 分为上段和下段，套管壁高于探头最高沿处为上段，低于探头最高沿部分为下段，套管壁的 上段封闭止水，套管壁的下段为网状管壁;所述网状管壁内设有反滤层。
[0013] 所述反滤层由由外至内铺设的不少于四层颗粒物组成，每层颗粒物粒径相同，各 层颗粒物由外至内粒径增大。
[0014] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0015] (1)基于本发明的地下水流速流向实时监测方法，采用不同特性的晓性管及不同 直径的摆球实现的监测系统，可针对具不同渗流场特点(水溫和流速)的地下水实现流速流 向实时监测，适用范围广；
[0016] (3)本发明的地下水流速流向实时监测系统结构简单，制造及运行成本低，不会对 环境造成污染；
[0017] (4)本发明的地下水流速流向实时监测系统设有反滤层，基于反滤层技术，对待监 测地下水层位的套管进行设计，防止或减缓岩±体颗粒在渗流作用下对监测孔的阻塞，利 于监测系统的长期运行。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明所述地下水流速流向实时监测系统示意图。
[0019] 图2是本发明所述探头及套管结构示意图。
[0020] 图3是本发明所述地下水流速流向实时监测方法原理示意图。
[0021 ]图4是摆球在水平面的偏转方向示意图。
[0022] 上述图中：1-套管，2-探头，3-电缆，4-地下水位，5-地面，6-地面控制系统，7-套管 下底，8-套管壁，9-探头腔，10-管壁，11-摆球，12-L邸灯，13-晓性管，14-感光元件，15-溫度 传感器，16-电子罗盘，17-变形前晓性管，18-变形后晓性管。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0024] 本发明提供了一种地下水流速流向实时监测方法，沿铅垂方向设置一晓性管，晓 性管的下端连接一摆球;将晓性管放入地下水中；摆球受地下水绕流阻力作用产生位移，同 时，该绕流阻力作用于晓性管使晓性管产生晓曲变形;测得摆球在绕流阻力作用下的水平 方向位移及摆球在水平面的偏转方向；
[0025] 根据摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移计算得到地下水水平方向流速。
[0026] 所述摆球在地下水中所受浮力与其重力相等;根据摆球在绕流阻力作用下的水平 方向位移计算地下水水平方向流速时，忽略地下水垂向流速对晓性管水平位移的影响;所 述地下水水平方向流速根据W下公式计算得到：
[0027]
[0028] 其中，U为地下水水平方向流速;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P 为地下水密度;1为晓性管的长度，E为晓性管弹性模量，I为晓性管惯性矩，1、E和I均由晓性 管决定；ω 1为摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移;Cd为绕流阻力系数，取决于绕流物体 的形状与流动雷诺数Re,所述流动雷诺数Re与地下水水平方向流速、地下水溫度T和摆球直 径d有关。
[0029] 所述晓性管的上端安装有电子罗盘和感光元件，晓性管与摆球的连接处安装LED 灯，摆球受地下水绕流阻力作用产生位移时L邸灯位置发生改变，利用电子罗盘和感光元件 采集位移数据，得到摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向。
[0030] 通过摆球的位移方位角即可得到地下水的流向。
[0031] 本发明同时提供了一种基于上述监测方法的地下水流速流向实时监测系统，参照 图1和图2,包括上下两底封闭、内部中空的圆柱体探头2,所述探头管壁10为网状;探头内部 沿其中轴线设置有一根晓性管13,晓性管13的下端连接一颗摆球11，晓性管的上端安装有 电子罗盘16和感光元件14,晓性管13与摆球11的连接处安装有Lm)灯12;探头2内安装有溫 度传感器15;所述电子罗盘16、感光元件14和溫度传感器15均通过电缆3与放置于地面5上 的地面控制系统6连接。
[0032] 所述地面控制系统6为PC机。
[0033] 所述探头2位于圆柱形套管1内部，套管1上底开口，套管下底7由圆形管底封闭，套 管壁8分为上段和下段，套管壁高于探头最高沿处为上段，低于探头最高沿部分为下段，套 管壁的上段封闭止水，套管壁的下段为网状管壁，网状管壁内设有反滤层。
[0034] 所述反滤层由由外至内铺设的不少于四层颗粒物组成，每层颗粒物粒径相同，各 层颗粒物由外至内粒径增大。
[0035] 探头所对应套管段开孔，铺设反滤层，地下水流动不受阻且±壤颗粒亦不会迁移 透过反滤层;非监测地下水层位处套管段止水(包括管底）。
[0036] W下为本发明的工作过程及原理：
[0037] 参照图1、图2和图3,在开凿的地下水监测井中埋设套管并安置地下水流速流向实 时监测系统进行监测;包括W下步骤：（1)在探头腔9内铅垂方向设置一晓性管，使其一端固 定另一端设置摆球；（2)摆球受地下水绕流阻力，同时 ，该绕流阻力作用于晓性管使其产生 晓曲变形；（3)在摆球与晓性管连接处设置Lm)灯，通过电子罗盘W及感光元件可测得摆球 在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向（即地下水水平流向）；（4) 基于流体力学(水力学)及材料力学理论，摆球所受绕流阻力分别与地下水水平方向流速、 摆球水平位移量满足一定函数关系，从而计算获得地下水水平方向流速。基于流体力学(水 力学)及材料力学理论，绕流阻力分别与地下水水平方向流速、摆球水平位移量满足一定函 数关系，从而计算获得地下水水平方向流速。
[0038] 参照图4,显示水平面方向的剖面图，其中虚线表示未受到地下水影响时摆球的初 始位置，当摆球11受地下水绕流阻力发生位移，W其初始位置为起点、指向位移后的位置的 方向即为摆球在水平面的偏转方向。
[0039] 电子罗盘W及感光元件均布设于地下水位4W下，感光元件尺寸由摆球最大水平 位移量决定;系统监测地下水水平方向流速流向，探头需保持铅垂方向。
[0040] 长为1的晓性管上端固定，下端处固定有直径为d的摆球。其中，晓性管弹性模量为 E，惯性矩为I。当摆球受到水平流向分速度为U的水流作用发生形变。下面将分别基于流体 (水)力学及材料力学理论对模型受力分析。除特殊说明，分析过程中有量纲的物理量均采 用国际制单位。
[0041 ] 1、基于流体力学理论：
[0042] 球体的绕流总阻力Fd按下式计算：
[0043]
[0044] 式中：Cd为绕流阻力系数;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P为流体 密度;U为受绕流物体扰动前流体相对于绕流物体的流速。Cd主要取决于绕流物体的形状与 流动雷诺数Re，也受物体表面粗糖度等的影响。
[0045] 在不同的雷诺数Re范围内，可由Re计算对应的球体阻力绕流系数Cd，不同文献描述 有所不同。有文献指出：当Re<l时，近似于Stokes定律区，CD = 24/Re;当l<Re<2X 1〇5， 化llavalle推荐使用计算式：
本实施例采用如下关系：
[0046]
[0047] 针对流体绕球体流动：
[004引 Re = Ud/u 式 3
[0049]其中d为球体直径，U为流体运动粘滞系数;U同式1。水的运动粘滞系数有下列经验 公式：
[(K)加 ]
[0化1 ]式中T为水溫，无量纲，计;U单位取，带入式3得：
[0化2]
[005；3] 在此不妨假设：水溫!'￡(0,40)，(1 = 0.01111。若1?6<2，带入式5得：
[0054]因此，d = 0.01m，Te(0,40)。C，P = 1000Kg/m3，U<1.314X10-4m/s时，Re<2，即CD = 24/Re，联立式1、式5得：
[0化5]
[0化6] 2、基于材料力学理论：
[0057]建立如图3所示坐标系，在平面弯曲情况下，变形后晓性管18的轴线变成在xoy平 面内变成一条曲线，即为晓曲线，一条平坦、连续而光滑的曲线。晓性管的晓曲方程：
[0化引 co=f(x)式 7
[0059] 式中，X为变形前晓性管17在轴线上任一点的横坐标；ω为对应X的晓度。
[0060] 晓性管任一横截面相对于变形前初始位置转过的角度称为其在该截面处的转角， 用Θ表示。由平面假设可知，变形后d横截面任然垂直于晓性管的轴线，Θ就是晓曲线在X点处 的切线与X轴的夹角。当Θ很小时：
[0061]
[0062] 计算横力弯曲时的弯曲变形：
[0063]
[0064] 式中P(x)为晓曲线在X处的曲率半径，M(x)为X截面上的弯矩，EI为晓性管的抗弯 刚度。
[00化]又
由式9得晓曲线微分方程：
[0066]
[0067] 对式10两次积分，得：
[0068] EIw=JjM(x)dxdx+Cx+D 式 11
[0069] 将弯矩方程:M(x)=Fl-Fx，带入式11得：
[0070]
[OOW 边界条件:x = 0时，ω=0,带入式12得:C = 0，D = 0。因此，得晓度方程：
[0072]
[0073] 由式13,在晓性管下端处荷载(绕流阻力)F:
[0074]
[00巧]显而易见，时=F，联立式6、14,得：
[0076]
[0077] 式中U为地下水水平方向流速;1为晓性管的长;E为晓性管弹性模量;I为晓性管惯 性矩；ω 1为摆球水平方向位移量;T为地下水溫度，无量纲，计;其余各物理量均采用国 际制单位。
[0078] 当摆球直径为0.01m，地下水密度取lOOOKg/m3,式15适用还需满足另外两个条件： 地下水溫度为0~40°C-探头工作环境;地下水水平方向流速小于1.314m/s-地下水水平 方向流速监测量程(不考虑晓性管特性）。若由式15计算所巧幡U大于1.314m/s，则依次假设 2<Re<500、500<Re<2X10 5……由式2开始代入计算，最终获得符合雷诺数及溫度假设的 U。
[0079] 综上所述，本发明监测系统可针对具不同渗流场特点（水溫和流速)的地下水实现 流速流向实时监测，适用范围广。应当理解，探头所监测地下水水平方向流速的量程范围及 精度，同样受所选用晓性管长度、弹性模量及惯性矩等特性的影响。
【主权项】
1. 一种地下水流速流向实时监测方法，其特征在于包括以下步骤:沿铅垂方向设置一 挠性管，挠性管的下端连接一摆球;将挠性管放入地下水中；摆球受地下水绕流阻力作用产 生位移，同时，该绕流阻力作用于挠性管使挠性管产生挠曲变形;测得摆球在绕流阻力作用 下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向；根据摆球在绕流阻力作用下的水平方向位 移计算得到地下水水平方向流速。2. 根据权利要求1所述的地下水流速流向实时监测方法，其特征在于:根据摆球在绕流 阻力作用下的水平方向位移计算地下水水平方向流速时，忽略地下水垂向流速对摆球水平 位移的影响;所述地下水水平方向流速根据以下公式计算得到：其中，U为地下水水平方向流速;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P为地 下水密度;1为挠性管的长度，E为挠性管弹性模量，I为挠性管惯性矩，1、E和I均由挠性管决 定；^^为摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移;Cd为绕流阻力系数，取决于绕流物体的形 状与流动雷诺数R e，所述流动雷诺数Re与地下水水平方向流速、地下水温度T和摆球直径d有 关。3. 根据权利要求1所述的地下水流速流向实时监测方法，其特征在于:所述挠性管的上 端安装有电子罗盘和感光元件，挠性管与摆球的连接处安装LED灯，摆球受地下水绕流阻力 作用产生位移时LED灯位置发生改变，利用电子罗盘和感光元件采集位移数据，得到摆球在 绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向。4. 一种基于权利要求1所述监测方法的地下水流速流向实时监测系统，包括上下两底 封闭、内部中空的圆柱体探头，其特征在于:所述探头管壁为网状;探头内部沿其中轴线设 置有一根挠性管，挠性管的下端连接一颗摆球，挠性管的上端安装有电子罗盘和感光元件， 挠性管与摆球的连接处安装有LED灯;探头内安装有温度传感器;所述电子罗盘、感光元件 和温度传感器均通过电缆与地面控制系统连接。5. 根据权利要求4所述的地下水流速流向实时监测系统，其特征在于:所述地面控制系 统为PC机。6. 根据权利要求4所述的地下水流速流向实时监测系统，其特征在于:所述探头位于圆 柱形套管内部，套管上底开口，套管下底由圆形管底封闭；套管壁分为上段和下段，套管壁 高于探头最高沿处为上段，低于探头最高沿部分为下段，套管壁的上段封闭止水，套管壁的 下段为网状管壁;所述网状管壁内设有反滤层。7. 根据权利要求6所述的地下水流速流向实时监测系统，其特征在于:所述反滤层由由 外至内铺设的不少于四层颗粒物组成，每层颗粒物粒径相同，各层颗粒物由外至内粒径增 大。
【专利摘要】本发明提供了一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统，系统包括套管、探头、电缆、以及地面控制系统，探头内铅垂方向设置一挠性管，使其一端固定另一端设置摆球，摆球受地下水绕流阻力，同时，该绕流阻力作用于挠性管使其产生挠曲变形，通过电子罗盘以及感光元件测得摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及其在水平面的偏转方向(即地下水水平流向)。本发明基于流体力学(水力学)及材料力学理论，摆球所受绕流阻力分别与地下水水平方向流速、摆球水平位移量满足一定函数关系，从而计算获得地下水水平方向流速。
【IPC分类】G01D21/02
【公开号】CN105486351
【申请号】CN201610023424
【发明人】唐辉明, 蔡毅, 张俊荣, 路桂英, 张永权, 张雅慧, 范志强
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月14日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统，属于水文地质参数监 测领域。
【背景技术】
[0002] 地下水渗流作用对水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件等均有重大影响。 如滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害过程中地下水渗流场均扮演重要角色;地下水渗流还 影响地下构筑物水文地质条件、巧基管涌渗漏等。此外，地下水渗流作用引起±壤溶质运移 (无机盐、养分、污染物等），故地下水渗流对±体修复及农业科学亦有重要意义。综上所述， 对地下水流速流向（地下水渗流场主要特征参数)的监测意义重大。
[0003] 地下水流速流向的测得方法较多，传统方法主要分为抽水试验法和示踪法。传统 的抽水试验法，不适用于单井监测，且耗时费力。示踪法又有放射性同位素示踪法、电位差 法、热示踪法等。电位差法是通过注入盐溶液或蒸馈水等改变地下水电位，W传感器测得电 位场在时间空间上的变化进而获得地下水流速流向。放射性同位素示踪法所需放射性物质 可能对人体及环境造成危害。基于示踪剂的示踪法，所使用示踪剂可与地下水及岩±体发 生离子交换、吸附、沉淀等理化反应，影响测量结果；同时，示踪剂投源机制亦不利于实现长 期自动化监测。热示踪法对热敏元件的精度要求较高。另外，还有显微照相、中子活化等技 术应用于地下水流速流向的测定。如美国Geotech生产的AquaVISION，对地下水中颗粒物进 行显微照相W分析地下水流速流向，但此法用于参考的颗粒物不易寻得或识别。中子活化 的成本高且需采取防护措施。随着经济与科技水平的发展，人们对地下水流速流向的测定 提出了更高的要求。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种地下水流速流向实时监测方法及监 测系统，测得地下水水平方向流速不受其垂直方向流速的影响，可针对具不同渗流场特点 (水溫和流速）的地下水实现流速流向实时监测，适用范围广，同时系统结构简单，制造及运 行成本低，不会对环境造成污染，具有很重要的工程应用价值。
[0005] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种地下水流速流向实时 监测方法，沿铅垂方向设置一晓性管，晓性管的下端连接一摆球;将晓性管放入地下水中； 摆球受地下水绕流阻力作用产生位移，同时，该绕流阻力作用于晓性管使晓性管产生晓曲 变形;测得摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向；根据摆球 在绕流阻力作用下的水平方向位移计算得到地下水水平方向流速。
[0006] 根据摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移计算地下水水平方向流速时，忽略地 下水垂向流速对摆球水平位移的影响;所述地下水水平方向流速根据W下公式计算得到：
[0007]
[0008] 其中，U为地下水水平方向流速;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P 为地下水密度;1为晓性管的长度，E为晓性管弹性模量，I为晓性管惯性矩，1、E和I均由晓性 管决定；ω 1为摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移;Cd为绕流阻力系数，取决于绕流物体 的形状与流动雷诺数Re,所述流动雷诺数Re与地下水水平方向流速、地下水溫度T和摆球直 径d有关。
[0009] 所述晓性管的上端安装有电子罗盘和感光元件，晓性管与摆球的连接处安装LED 灯，摆球受地下水绕流阻力作用产生位移时L邸灯位置发生改变，利用电子罗盘和感光元件 采集位移数据，得到摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向。
[0010] 本发明同时提供了一种基于上述监测方法的地下水流速流向实时监测系统，包括 上下两底封闭、内部中空的圆柱体探头，所述探头管壁为网状;探头内部沿其中轴线设置有 一根晓性管，晓性管的下端连接一颗摆球，晓性管的上端安装有电子罗盘和感光元件，晓性 管与摆球的连接处安装有Lm)灯;探头内安装有溫度传感器;所述电子罗盘、感光元件和溫 度传感器均通过电缆与地面控制系统连接。
[0011] 所述地面控制系统为PC机。
[0012] 所述探头位于圆柱形套管内部，套管上底开口，套管下底由圆形管底封闭;套管壁 分为上段和下段，套管壁高于探头最高沿处为上段，低于探头最高沿部分为下段，套管壁的 上段封闭止水，套管壁的下段为网状管壁;所述网状管壁内设有反滤层。
[0013] 所述反滤层由由外至内铺设的不少于四层颗粒物组成，每层颗粒物粒径相同，各 层颗粒物由外至内粒径增大。
[0014] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0015] (1)基于本发明的地下水流速流向实时监测方法，采用不同特性的晓性管及不同 直径的摆球实现的监测系统，可针对具不同渗流场特点(水溫和流速)的地下水实现流速流 向实时监测，适用范围广；
[0016] (3)本发明的地下水流速流向实时监测系统结构简单，制造及运行成本低，不会对 环境造成污染；
[0017] (4)本发明的地下水流速流向实时监测系统设有反滤层，基于反滤层技术，对待监 测地下水层位的套管进行设计，防止或减缓岩±体颗粒在渗流作用下对监测孔的阻塞，利 于监测系统的长期运行。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明所述地下水流速流向实时监测系统示意图。
[0019] 图2是本发明所述探头及套管结构示意图。
[0020] 图3是本发明所述地下水流速流向实时监测方法原理示意图。
[0021 ]图4是摆球在水平面的偏转方向示意图。
[0022] 上述图中：1-套管，2-探头，3-电缆，4-地下水位，5-地面，6-地面控制系统，7-套管 下底，8-套管壁，9-探头腔，10-管壁，11-摆球，12-L邸灯，13-晓性管，14-感光元件，15-溫度 传感器，16-电子罗盘，17-变形前晓性管，18-变形后晓性管。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0024] 本发明提供了一种地下水流速流向实时监测方法，沿铅垂方向设置一晓性管，晓 性管的下端连接一摆球;将晓性管放入地下水中；摆球受地下水绕流阻力作用产生位移，同 时，该绕流阻力作用于晓性管使晓性管产生晓曲变形;测得摆球在绕流阻力作用下的水平 方向位移及摆球在水平面的偏转方向；
[0025] 根据摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移计算得到地下水水平方向流速。
[0026] 所述摆球在地下水中所受浮力与其重力相等;根据摆球在绕流阻力作用下的水平 方向位移计算地下水水平方向流速时，忽略地下水垂向流速对晓性管水平位移的影响;所 述地下水水平方向流速根据W下公式计算得到：
[0027]
[0028] 其中，U为地下水水平方向流速;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P 为地下水密度;1为晓性管的长度，E为晓性管弹性模量，I为晓性管惯性矩，1、E和I均由晓性 管决定；ω 1为摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移;Cd为绕流阻力系数，取决于绕流物体 的形状与流动雷诺数Re,所述流动雷诺数Re与地下水水平方向流速、地下水溫度T和摆球直 径d有关。
[0029] 所述晓性管的上端安装有电子罗盘和感光元件，晓性管与摆球的连接处安装LED 灯，摆球受地下水绕流阻力作用产生位移时L邸灯位置发生改变，利用电子罗盘和感光元件 采集位移数据，得到摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向。
[0030] 通过摆球的位移方位角即可得到地下水的流向。
[0031] 本发明同时提供了一种基于上述监测方法的地下水流速流向实时监测系统，参照 图1和图2,包括上下两底封闭、内部中空的圆柱体探头2,所述探头管壁10为网状;探头内部 沿其中轴线设置有一根晓性管13,晓性管13的下端连接一颗摆球11，晓性管的上端安装有 电子罗盘16和感光元件14,晓性管13与摆球11的连接处安装有Lm)灯12;探头2内安装有溫 度传感器15;所述电子罗盘16、感光元件14和溫度传感器15均通过电缆3与放置于地面5上 的地面控制系统6连接。
[0032] 所述地面控制系统6为PC机。
[0033] 所述探头2位于圆柱形套管1内部，套管1上底开口，套管下底7由圆形管底封闭，套 管壁8分为上段和下段，套管壁高于探头最高沿处为上段，低于探头最高沿部分为下段，套 管壁的上段封闭止水，套管壁的下段为网状管壁，网状管壁内设有反滤层。
[0034] 所述反滤层由由外至内铺设的不少于四层颗粒物组成，每层颗粒物粒径相同，各 层颗粒物由外至内粒径增大。
[0035] 探头所对应套管段开孔，铺设反滤层，地下水流动不受阻且±壤颗粒亦不会迁移 透过反滤层;非监测地下水层位处套管段止水(包括管底）。
[0036] W下为本发明的工作过程及原理：
[0037] 参照图1、图2和图3,在开凿的地下水监测井中埋设套管并安置地下水流速流向实 时监测系统进行监测;包括W下步骤：（1)在探头腔9内铅垂方向设置一晓性管，使其一端固 定另一端设置摆球；（2)摆球受地下水绕流阻力，同时 ，该绕流阻力作用于晓性管使其产生 晓曲变形；（3)在摆球与晓性管连接处设置Lm)灯，通过电子罗盘W及感光元件可测得摆球 在绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向（即地下水水平流向）；（4) 基于流体力学(水力学)及材料力学理论，摆球所受绕流阻力分别与地下水水平方向流速、 摆球水平位移量满足一定函数关系，从而计算获得地下水水平方向流速。基于流体力学(水 力学)及材料力学理论，绕流阻力分别与地下水水平方向流速、摆球水平位移量满足一定函 数关系，从而计算获得地下水水平方向流速。
[0038] 参照图4,显示水平面方向的剖面图，其中虚线表示未受到地下水影响时摆球的初 始位置，当摆球11受地下水绕流阻力发生位移，W其初始位置为起点、指向位移后的位置的 方向即为摆球在水平面的偏转方向。
[0039] 电子罗盘W及感光元件均布设于地下水位4W下，感光元件尺寸由摆球最大水平 位移量决定;系统监测地下水水平方向流速流向，探头需保持铅垂方向。
[0040] 长为1的晓性管上端固定，下端处固定有直径为d的摆球。其中，晓性管弹性模量为 E，惯性矩为I。当摆球受到水平流向分速度为U的水流作用发生形变。下面将分别基于流体 (水)力学及材料力学理论对模型受力分析。除特殊说明，分析过程中有量纲的物理量均采 用国际制单位。
[0041 ] 1、基于流体力学理论：
[0042] 球体的绕流总阻力Fd按下式计算：
[0043]
[0044] 式中：Cd为绕流阻力系数;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P为流体 密度;U为受绕流物体扰动前流体相对于绕流物体的流速。Cd主要取决于绕流物体的形状与 流动雷诺数Re，也受物体表面粗糖度等的影响。
[0045] 在不同的雷诺数Re范围内，可由Re计算对应的球体阻力绕流系数Cd，不同文献描述 有所不同。有文献指出：当Re<l时，近似于Stokes定律区，CD = 24/Re;当l<Re<2X 1〇5， 化llavalle推荐使用计算式：
本实施例采用如下关系：
[0046]
[0047] 针对流体绕球体流动：
[004引 Re = Ud/u 式 3
[0049]其中d为球体直径，U为流体运动粘滞系数;U同式1。水的运动粘滞系数有下列经验 公式：
[(K)加 ]
[0化1 ]式中T为水溫，无量纲，计;U单位取，带入式3得：
[0化2]
[005；3] 在此不妨假设：水溫!'￡(0,40)，(1 = 0.01111。若1?6<2，带入式5得：
[0054]因此，d = 0.01m，Te(0,40)。C，P = 1000Kg/m3，U<1.314X10-4m/s时，Re<2，即CD = 24/Re，联立式1、式5得：
[0化5]
[0化6] 2、基于材料力学理论：
[0057]建立如图3所示坐标系，在平面弯曲情况下，变形后晓性管18的轴线变成在xoy平 面内变成一条曲线，即为晓曲线，一条平坦、连续而光滑的曲线。晓性管的晓曲方程：
[0化引 co=f(x)式 7
[0059] 式中，X为变形前晓性管17在轴线上任一点的横坐标；ω为对应X的晓度。
[0060] 晓性管任一横截面相对于变形前初始位置转过的角度称为其在该截面处的转角， 用Θ表示。由平面假设可知，变形后d横截面任然垂直于晓性管的轴线，Θ就是晓曲线在X点处 的切线与X轴的夹角。当Θ很小时：
[0061]
[0062] 计算横力弯曲时的弯曲变形：
[0063]
[0064] 式中P(x)为晓曲线在X处的曲率半径，M(x)为X截面上的弯矩，EI为晓性管的抗弯 刚度。
[00化]又
由式9得晓曲线微分方程：
[0066]
[0067] 对式10两次积分，得：
[0068] EIw=JjM(x)dxdx+Cx+D 式 11
[0069] 将弯矩方程:M(x)=Fl-Fx，带入式11得：
[0070]
[OOW 边界条件:x = 0时，ω=0,带入式12得:C = 0，D = 0。因此，得晓度方程：
[0072]
[0073] 由式13,在晓性管下端处荷载(绕流阻力)F:
[0074]
[00巧]显而易见，时=F，联立式6、14,得：
[0076]
[0077] 式中U为地下水水平方向流速;1为晓性管的长;E为晓性管弹性模量;I为晓性管惯 性矩；ω 1为摆球水平方向位移量;T为地下水溫度，无量纲，计;其余各物理量均采用国 际制单位。
[0078] 当摆球直径为0.01m，地下水密度取lOOOKg/m3,式15适用还需满足另外两个条件： 地下水溫度为0~40°C-探头工作环境;地下水水平方向流速小于1.314m/s-地下水水平 方向流速监测量程(不考虑晓性管特性）。若由式15计算所巧幡U大于1.314m/s，则依次假设 2<Re<500、500<Re<2X10 5……由式2开始代入计算，最终获得符合雷诺数及溫度假设的 U。
[0079] 综上所述，本发明监测系统可针对具不同渗流场特点（水溫和流速)的地下水实现 流速流向实时监测，适用范围广。应当理解，探头所监测地下水水平方向流速的量程范围及 精度，同样受所选用晓性管长度、弹性模量及惯性矩等特性的影响。
【主权项】
1. 一种地下水流速流向实时监测方法，其特征在于包括以下步骤:沿铅垂方向设置一 挠性管，挠性管的下端连接一摆球;将挠性管放入地下水中；摆球受地下水绕流阻力作用产 生位移，同时，该绕流阻力作用于挠性管使挠性管产生挠曲变形;测得摆球在绕流阻力作用 下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向；根据摆球在绕流阻力作用下的水平方向位 移计算得到地下水水平方向流速。2. 根据权利要求1所述的地下水流速流向实时监测方法，其特征在于:根据摆球在绕流 阻力作用下的水平方向位移计算地下水水平方向流速时，忽略地下水垂向流速对摆球水平 位移的影响;所述地下水水平方向流速根据以下公式计算得到：其中，U为地下水水平方向流速;A为绕流物体在垂直于流向的平面上投影面积;P为地 下水密度;1为挠性管的长度，E为挠性管弹性模量，I为挠性管惯性矩，1、E和I均由挠性管决 定；^^为摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移;Cd为绕流阻力系数，取决于绕流物体的形 状与流动雷诺数R e，所述流动雷诺数Re与地下水水平方向流速、地下水温度T和摆球直径d有 关。3. 根据权利要求1所述的地下水流速流向实时监测方法，其特征在于:所述挠性管的上 端安装有电子罗盘和感光元件，挠性管与摆球的连接处安装LED灯，摆球受地下水绕流阻力 作用产生位移时LED灯位置发生改变，利用电子罗盘和感光元件采集位移数据，得到摆球在 绕流阻力作用下的水平方向位移及摆球在水平面的偏转方向。4. 一种基于权利要求1所述监测方法的地下水流速流向实时监测系统，包括上下两底 封闭、内部中空的圆柱体探头，其特征在于:所述探头管壁为网状;探头内部沿其中轴线设 置有一根挠性管，挠性管的下端连接一颗摆球，挠性管的上端安装有电子罗盘和感光元件， 挠性管与摆球的连接处安装有LED灯;探头内安装有温度传感器;所述电子罗盘、感光元件 和温度传感器均通过电缆与地面控制系统连接。5. 根据权利要求4所述的地下水流速流向实时监测系统，其特征在于:所述地面控制系 统为PC机。6. 根据权利要求4所述的地下水流速流向实时监测系统，其特征在于:所述探头位于圆 柱形套管内部，套管上底开口，套管下底由圆形管底封闭；套管壁分为上段和下段，套管壁 高于探头最高沿处为上段，低于探头最高沿部分为下段，套管壁的上段封闭止水，套管壁的 下段为网状管壁;所述网状管壁内设有反滤层。7. 根据权利要求6所述的地下水流速流向实时监测系统，其特征在于:所述反滤层由由 外至内铺设的不少于四层颗粒物组成，每层颗粒物粒径相同，各层颗粒物由外至内粒径增 大。
【专利摘要】本发明提供了一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统，系统包括套管、探头、电缆、以及地面控制系统，探头内铅垂方向设置一挠性管，使其一端固定另一端设置摆球，摆球受地下水绕流阻力，同时，该绕流阻力作用于挠性管使其产生挠曲变形，通过电子罗盘以及感光元件测得摆球在绕流阻力作用下的水平方向位移及其在水平面的偏转方向(即地下水水平流向)。本发明基于流体力学(水力学)及材料力学理论，摆球所受绕流阻力分别与地下水水平方向流速、摆球水平位移量满足一定函数关系，从而计算获得地下水水平方向流速。
【IPC分类】G01D21/02
【公开号】CN105486351
【申请号】CN201610023424
【发明人】唐辉明, 蔡毅, 张俊荣, 路桂英, 张永权, 张雅慧, 范志强
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月14日
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