[发明专利]基于超声波负压的地下水位密封测量装置及其方法

权利要求书

1.一种基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于，包括水位管(1)、浮块(2)、超声波发射装置(3)、超声波接收器(4)、超声波信号输出端口(5)、顶盖(6)、底盖(7)、测距读数仪(8)、透水孔(9)、土工滤布(10)和密封膜(11)；

所述水位管(1)为中空管状结构，包括透水段(101)和测量段(102)，测量段(102)穿过密封膜(11)后连接透水段(101)；所述透水段(101)管壁上设置透水孔(9)，透水段(101)管外包裹土工滤布(10)；所述超声波发射装置(3)设置在浮块(2)内，所述浮块(2)设置在水位管(1)的测量段(102)中；所述顶盖(6)、底盖(7)分别设置在水位管(1)的顶端和底端，所述超声波接收器(4)固定设置在顶盖(6)的内侧，超声波接收器(4)通过导线连接超声波信号输出端口(5)，所述超声波信号输出端口(5)连接测距读数仪(8)。

2.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于，

所述超声波发射装置(3)包括超声波发射器(31)、电源(32)和触水开关(33)，超声波发射器(31)、电源(32)和触水开关(33)串联连接，所述超声波发射器(31)设置于浮块(2)的顶部，电源(32)设置于浮块(2)的内部，触水开关(33)设置在浮块(2)的底部。

3.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于：所述的水位管(1)的直径为100mm-110mm，测量段(102)长度延伸至密封膜下2m。

4.根据权利要求2所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于：所述超声波发射器(31)为压电式超声波发射器，固定设置在浮块(2)顶部的中央。

5.根据权利要求2所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于：所述的触水开关(33)为电极式开关，触水开关(33)包括开关电路板和两极电片，所述开关电路板密封于浮块(2)内，两极电片伸出浮块(2)的底面。

6.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于：所述浮块(2)为空心块，高度为20cm-25cm，直径为90mm-100mm。

7.根据权利要求2所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于：所述超声波接收器(4)与超声波发射器(31)的连线平行于水位管(1)，且垂直于地面。

8.根据权利要求1所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置，其特征在于：所述的测距读数仪(8)为便携式读数器。

9.利用权利要求1～8任一项所述的基于超声波负压的地下水位密封测量装置的地下水位密封测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)成孔钻机在工作区预定测点定位开孔，将土工滤布(10)包裹的透水段(101)进行埋设，预留30cm长度水位管(1)高于地面，水位管(1)固定后，冲洗水位管(1)内壁；

(2)将固定有超声波发射装置(3)的浮块(2)在水桶中进行试验，确认浮块(2)可正常工作的前提下，将浮块(2)放入步骤(1)已固定的水位管(1)中，超声波接收器(4)固定于顶盖(6)内侧，并从顶盖(6)引出导线，连接超声波信号输出端口(5)，固定顶盖(6)后，并对顶盖(6)与水位管(1)接口进行密封；

(3)地下水通过透水孔(9)进入水位管(1)，待水位管(1)中地下水位和浮块(2)位置稳定后，测距读数仪(8)连接超声波信号输出端口(5)，测距读数仪(8)读取第i个波段从浮块(2)传至超声波接收器(4)的时间t_i，其中，s_i＝v_i*t_i，t_i与t_i+1对应计算出的浮块(2)顶端与水位管(1)管口的距离相等，得出s_i的平均值为最终浮块(2)顶端距离水位管(1)管口的距离s₀；其中，t_i表示第i个波段从浮块(2)传至超声波接收器(4)的时间，v_i表示第i个波段的波速，s_i表示通过第i个波段计算获取的浮块(2)顶端与水位管(1)管口之间的距离；

(4)在工作区之外确定基准点，负压施加前利用水准仪测量水位管管口的初始标高H_z0，根据通过超声波接收器(4)获取的最终浮块(2)顶端距离水位管(1)管口的距离s₀和浮块顶端超声波发射器距离水面的距离h_c，计算出初始地下水位H₀＝H_z0-s₀-h_c；

(5)抽真空施加负压，浮块(2)随着地下水位的变化而上下自由浮动，带动超声波发射装置(3)上下浮动，计算出第j次浮块(2)顶端距离水位管(1)管口的距离s_j及相对于基准点水位管(1)管口的高程H_zj，由公式H_j＝H_zj-s_j-h_c，得出第j次地下水位值H_j，根据测量频率重复步骤(3)、(4)、(5)从而获得负压条件下地下水位的实时变化值。