CN109000599A - 针对封闭充水溶洞的体积测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对封闭充水溶洞的体积测量系统及方法，包括集水装置、浓度测试仪和控制系统，控制系统通过连接件与集水装置相连，集水装置为一个顶部封闭，底部敞口的容器，集水装置的顶部为一个活塞，活塞连接一个推进杆，所述的推进杆由控制系统控制其伸长或者缩短，实现活塞的前进或者后退；在集水装置内壁铰接一个可开合的放置台，放置台与所述的活塞相连，所述的活塞升高时，放置台向上运动，活塞降低时，放置台向下运动；放置台上用于放置化学物质；所述的浓度测试仪与集水装置的下部连通，用于检测溶液的浓度。

Description

针对封闭充水溶洞的体积测量系统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程中溶洞体积测量技术领域，具体说是针对封闭充水溶洞的体积测量系统级方法。

背景技术

近年来，隧道工程及地铁建设在如火如荼的进行，一些工程上的难题也相继出现，例如隧道开挖前方经过岩溶发育区、地铁下方穿过岩溶发育区等。现阶段，我们通过地球物理方法来探测溶洞的位置已不再困难，也取得了丰硕的成果。但是，只知道溶洞在什么位置是不够的，获得溶洞的体积也是关键。针对这种地质情况，工程上一般都是用充填材料(如混凝土)来充填处理，只有准确知道溶洞体积，才能制定相应的工程处理措施，更顺利通过岩溶发育区，为工程建设保驾护航。在实际施工过程中，施工单位不知道确切的溶洞体积，也就不能明确制定相应的实施方案，这种未知性，造成了人力物力的消耗、增加了成本，甚至造成工序的错乱以及工期的延误。这更说明，与溶洞体积相关的数据对工程施工异常关键，能为工程提供重要的参考。目前，测量体积的方法有很多种，如借助三维激光扫描获取溶洞内部点云信息来建立溶洞立体模型，通过计算模型的体积来获取溶洞体积大小的方法，但激光在水中的穿透力不强，衰减较快，光束还没到达洞壁即完全衰减。采用声呐来测量体积的成本又太高。如何发明一种快速获取溶洞体积的方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的主要是解决上述提出的一些工程应用难题，提供针对封闭充水溶洞的体积测量系统及方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

针对封闭充水溶洞的体积测量系统，包括集水装置、浓度测试仪和控制系统，所述的控制系统通过连接件与集水装置相连，所述的集水装置为一个顶部封闭，底部敞口的容器，所述的集水装置的顶部为一个活塞，所述的活塞连接一个推进杆，所述的推进杆由控制系统控制其伸长或者缩短，实现活塞的前进或者后退；在所述集水装置内壁铰接一个可开合的放置台，所述的放置台与所述的活塞相连，所述的活塞升高时，放置台向上运动，活塞降低时，放置台向下运动；所述的放置台上用于放置化学物质；所述的浓度测试仪与集水装置的下部连通，用于检测溶液的浓度。

进一步的，集水装置和浓度测试仪通过连接件与控制系统相连，所述的控制系统通过控制连接件的动作，将集水装置和浓度测试仪放置于待测溶洞中或者取出待测溶洞。

进一步的，在所述的放置台上用于放置有化学物质，化学物质随放置台打开而掉落溶腔内。

利用上述装置对封闭充水溶洞的体积进行测量的方法，包括以下步骤：

步骤1对揭露充水溶洞的钻孔进行清孔工作；在钻孔中下好保护套管，并在地面固定套管；

步骤2将控制台通过连接件连接集水装置和浓度测试仪；在集水装置内的放置台上放置化学物质粉末；将控制台固定在地面上；将集水装置和浓度测试仪顺着套管伸入溶洞内部；

步骤3当仪器下放到溶洞中并被水没过一定深度方便提取测试液体时，将仪器位置固定；

步骤4通过地面控制台，使推进杆向下运动，活塞也向下运动；此处放置台随着活塞的向下运动，放置台逐渐打开，位于集水装置内部的质量为m的化学物质粉末一同掉落到溶腔内的水体中；经过一段时间的扩散过程，化学物质粉末在溶腔内溶解并逐渐扩散开；

步骤5：通过控制系统控制活塞向上运动，溶腔内的溶液进入到收集装置中；浓度测试仪测试液体的容器与集水装置内部连通，在集水装置内部充水时，溶液进入浓度测试仪测试液体的容器内，完成提取一次溶液的操作；

步骤7：将集水装置中的液体排出，并重新收集溶洞内液体，通过浓度测试仪对收集的液体进行浓度测量，重复测量多次并依次记录数值，取多次测量结果平均值ρ，已知化学物质质量为m，经过公式计算得到充水溶洞最终体积V；

步骤8：完成测量工作，将仪器设备收回至地面。

进一步的，所述的化学物质是一种不与水或者空气中的成分发生反应的物质，将其放入水中简单易行，而且它在液体中扩散速度快；例如：氯化钠，以及其它符合条件的物质等。

进一步的，当仪器浸入水中时，位于装置最底端的集水装置能够自由完成给排水即可，所述的集水装置用来提取溶洞内的水以便于进行浓度测量。

进一步的，集水装置底部的开合由地面控制，当集水装置为关闭状态，测量仪就可以对提取出来的液体进行该化学物质的浓度测量。

进一步的，所述浓度测试仪在被测量物质浓度值趋于稳定后，会自动记录该数值并发出提示，以保证在最短时间内获取物质的稳定浓度，大大提高了效率，节省了时间。

本发明的有益效果如下：

本发明的针对封闭充水溶洞的体积测量方法，与现有技术相比，能够快速较精确获取探测空间的体积信息，该方法力求短时间、高精度的获取体积，为工程上制定相关措施提供了重要的参考，预先确定了材料的合理用量，科学合理的安排各工序的施工，起到了正确指导施工的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明针对封闭充水溶洞的体积测量方法的示意图；

图2是本发明水下部分正视图；

图3是本发明水下部分侧视图；

图中：1-套管；2-集水装置；3-浓度测试仪；4-化学物质；5-控制系统；6-推进杆；7-活塞；8-连接金属条；9-放置台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中目前测量体积的方法有很多种，如借助三维激光扫描获取溶洞内部点云信息来建立溶洞立体模型，通过计算模型的体积来获取溶洞体积大小的方法，但激光在水中的穿透力不强，衰减较快，光束还没到达洞壁即衰减完全。采用声呐来测量体积的成本又太高。如何发明一种快速获取溶洞体积的方法已经成为急需解决的技术问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种针对封闭充水溶洞的体积测量系统及方法。

具体的，如图1-3所示，针对封闭充水溶洞的体积测量系统，包括集水装置2、浓度测试仪3和控制系统5，所述的控制系统5通过连接件与集水装置2相连，所述的集水装置2为一个顶部封闭，底部敞口的容器，所述的集水装置2的顶部为一个活塞，所述的活塞7连接一个推进杆，所述的推进杆由控制系统控制其伸长或者缩短，实现活塞7的前进或者后退；在所述集水装置内壁铰接一个可开合的放置台，放置台9通过连接金属条8活塞7相连，所述的活塞7升高时，放置台向上运动，活塞7降低时，放置台9向下运动；所述的放置台9上用于放置化学物质；所述的浓度测试仪与集水装置2的下部连通，用于检测溶液的浓度。

集水装置2和浓度测试仪3通过连接件与控制系统5相连，控制系统5通过控制连接件的动作，将集水装置2和浓度测试仪3放置于待测溶洞中或者取出待测溶洞；这里的连接件可以采用滑轮和钢丝绳组合的升降装置，钢丝绳连接集水装置2和浓度测试仪3，通过控制钢丝绳起吊和下放集水装置2和浓度测试仪3。

在放置台9上用于放置有化学物质粉末。

具体如下：

步骤1对揭露充水溶洞的钻孔进行清孔工作；在钻孔中下好保护套管，并在地面固定套管；

步骤2将控制台通过连接件连接集水装置和浓度测试仪；集水装置和浓度测试仪紧密贴合连接，浓度测试仪测试液体的容器与集水装置内部是连通的，此设计方便收集的液体直接用来测试；控制台固定在地面上；将化学物质粉末、集水装置和浓度测试仪顺着套管伸入溶洞内部；其中，化学物质粉末随底盖打开而掉落溶腔内；

步骤3当仪器下放到溶洞中并被水没过一定深度方便提取测试液体时，将仪器位置固定；

步骤4通过地面控制台，使推进杆向下运动，此时连接金属条牵引集水装置底盖分别向上运动，底盖逐渐打开，位于集水装置内部的化学物质粉末掉落到溶腔内的水体中；经过一段时间的扩散过程，化学物质粉末在溶腔内溶解并逐渐扩散开；为了尽量使化学物质粉末可以完全导入到溶腔中，可以通过金属条多次抖动底盖；且保证放置台的顶面要足够的光滑。

步骤5：集水装置主要是通过控制活塞上下运动来进行给排水过程，而活塞实际上由推进杆进行牵引，推进杆为机械设计，可通过地面控制台对其进行精准操作；另外，活塞顶部左右各由一根连接金属条与集水装置底盖连接，底盖由两部分组成，随着活塞向下、向上运动，底盖呈打开、闭合状态；

步骤6：浓度测试仪测试液体的容器与集水装置内部连通，此容器设置在集水装置靠近底盖位置，保证集水装置内部充水时，水能够自然进入容器内，完成提取水这一操作；

步骤7：在投放化学物质粉末之后，活塞位于集水装置最下方，集水装置内无液体，此时可通过控制台将推进杆向上收回，同时，连接金属条牵引底盖逐渐闭合以及活塞向上运动使装置充满水，由于浓度测试仪与装置内部为连通状态，测试液体收集完毕，将集水装置中的液体排出并重新收集溶洞内液体，通过浓度测试仪对收集的液体进行浓度测量，重复测量三次并依次记录数值ρ₁、ρ₂、ρ₃，取三次测量结果平均值ρ，已知化学物质质量为m，经过公式计算得到充水溶洞最终体积V；其计算公式如下：

步骤8：完成测量工作，将仪器设备收回至地面；

所述的特殊化学物质是一种不与水或者空气中的成分发生反应的特殊物质，将其放入水中简单易行，而且它在液体中扩散速度极快；例如氯化钠，氯化钠对应的浓度测试仪可以是一种测量盐度的仪器设备，但并不限于盐度计，要视被检测物质来定。本例中可以是测量海水盐度的电导率盐度计，此设备原理简单、操作方便，可用于快速测定含盐(氯化钠)溶液重量百分比浓度。

当仪器浸入水中时，位于装置最底端的集水装置能够自由完成给排水即可，所述的集水装置用来提取溶洞内的水以便于进行浓度测量。

集水装置底部的开合由地面控制，当集水装置为关闭状态，测量仪就可以对提取出来的液体进行该化学物质的浓度测量。

浓度测试仪在被测量物质浓度值趋于稳定后，会自动记录该数值并发出提示，以保证在最短时间内获取物质的稳定浓度，大大提高了效率，节省了时间。

应该指出，以上所述旨在对本申请提供进一步的说明。仅为本发明的优选示例而已，并不用于限制本发明。除非另有说明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

Claims (6)

1.针对封闭充水溶洞的体积测量系统，其特征在于，包括集水装置、浓度测试仪和控制系统，所述的控制系统通过连接件与集水装置相连，所述的集水装置为一个顶部封闭，底部敞口的容器，所述的集水装置的顶部为一个活塞，所述的活塞连接一个推进杆，所述的推进杆由控制系统控制其伸长或者缩短，实现活塞的前进或者后退；在所述集水装置内壁铰接一个可开合的放置台，所述的放置台与所述的活塞相连，所述的活塞升高时，放置台向上运动，活塞降低时，放置台向下运动；所述的放置台上用于放置化学物质；所述的浓度测试仪与集水装置的下部连通，用于检测溶液的浓度。

2.如权利要求1所述的针对封闭充水溶洞的体积测量系统，其特征在于，所述的控制系统通过控制连接件的动作，将集水装置和浓度测试仪放置于待测溶洞中或者取出待测溶洞。

3.如权利要求1所述的针对封闭充水溶洞的体积测量系统，其特征在于，在所述的放置台上用于放置有化学物质，化学物质随放置台打开而掉落溶腔内。

4.利用权利要求1-3任一所述的装置对封闭充水溶洞的体积进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1对揭露充水溶洞的钻孔进行清孔工作；在钻孔中下好保护套管，并在地面固定套管；

步骤2将控制台通过连接件连接集水装置和浓度测试仪；在集水装置内的放置台上放置化学物质粉末；将控制台固定在地面上；将集水装置和浓度测试仪顺着套管伸入溶洞内部；

步骤3当仪器下放到溶洞中并被水没过一定深度方便提取测试液体时，将仪器位置固定；

步骤4通过地面控制台，使推进杆向下运动，活塞也向下运动；此处放置台随着活塞的向下运动，放置台逐渐打开，位于集水装置内部的质量为m的化学物质粉末一同掉落到溶腔内的水体中；经过一段时间的扩散过程，化学物质粉末在溶腔内溶解并逐渐扩散开；

步骤5：通过控制系统控制活塞向上运动，溶腔内的溶液进入到收集装置中；浓度测试仪测试液体的容器与集水装置内部连通，在集水装置内部充水时，溶液进入浓度测试仪测试液体的容器内，完成提取一次溶液的操作；

步骤7：将集水装置中的液体排出，并重新收集溶洞内液体，通过浓度测试仪对收集的液体进行浓度测量，重复测量多次并依次记录数值，取多次测量结果平均值ρ，已知化学物质质量为m，经过公式计算得到充水溶洞最终体积V；

步骤8：完成测量工作，将仪器设备收回至地面。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的化学物质为一种不与水或者空气中的成分发生反应的物质，将其放入水中时，可以在液体中迅速扩散。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的浓度测试仪在被测量物质浓度值趋于稳定后，会自动记录该数值并发出提示。