李守圣 周 曉 呂萬(wàn)宏 孫宏莉 周 陽(yáng)

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院，河南 洛陽(yáng) 471002)

·水利工程·

鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀的研制與推廣應(yīng)用★

李守圣 周 曉 呂萬(wàn)宏 孫宏莉 周 陽(yáng)

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院，河南 洛陽(yáng) 471002)

介紹了鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀的研制及應(yīng)用情況，從流量測(cè)量、壓力測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行了論述，指出采用鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀，解決了管路壓力損失計(jì)算困難、干深孔無(wú)法順利進(jìn)行試驗(yàn)的問(wèn)題，可以廣泛的應(yīng)用于各類工程勘察、地基防滲處理等工程中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

鉆孔壓水試驗(yàn)，測(cè)試儀，研制，推廣應(yīng)用

1 概述

電子信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中，可以提高操作精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等。在勘探行業(yè)中，已經(jīng)有各式各樣的鉆參儀、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)井與錄井系統(tǒng)在應(yīng)用，為勘探專業(yè)的發(fā)展提供了有力支撐[1]。同樣，在水利水電工程中，電子信息技術(shù)也開始逐漸發(fā)揮作用，針對(duì)各種水文試驗(yàn)，鉆探需求，研發(fā)相應(yīng)的儀器設(shè)備，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。如在鉆孔壓水試驗(yàn)方面就進(jìn)行了大量的研究。鉆孔壓水試驗(yàn)是人工通過(guò)安置在地表的指針式水表與常規(guī)壓力表，讀取某一特定壓力下的流量值，并根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)前測(cè)定的地下水位高度、計(jì)算好的管路壓力損失，最終計(jì)算出本試段內(nèi)的巖體滲透系數(shù)，作為評(píng)價(jià)巖體的滲透特性的重要指標(biāo)[2]。但這種操作模式存在幾個(gè)問(wèn)題：1)長(zhǎng)時(shí)間精神高度集中的工作使得人工讀取數(shù)據(jù)易出現(xiàn)錯(cuò)誤；2)管路壓力損失計(jì)算困難，管路壓力損失的確定方法有兩種，一種是依照理論公式計(jì)算，影響計(jì)算結(jié)果的因素多，因素邊界條件確定困難；另一種是采用實(shí)測(cè)管路壓力損失方式也非常復(fù)雜；3)在干深孔中，地表壓力表無(wú)法真實(shí)測(cè)定試段壓力；4)人工處理數(shù)據(jù)、畫圖分析效率較低。針對(duì)這種情況，相關(guān)單位也曾研究采用電子信息技術(shù)手段的儀器設(shè)備替代人工采集與分析數(shù)據(jù)，但依然是采取的地表數(shù)據(jù)，偶有研究直接采集試段內(nèi)壓力的，但由于傳感器密封問(wèn)題沒(méi)有得到有效的解決，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，儀器壽命短，而且這些研究并沒(méi)有解決干深孔無(wú)法順利進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn)的問(wèn)題。為此，需要一種能夠有效解決水下密封問(wèn)題直接測(cè)量試段內(nèi)壓力的壓力傳感器，以及可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、記錄、數(shù)據(jù)分析處理和打印輸出的軟件與硬件的集成系統(tǒng)解決常規(guī)鉆孔壓水試驗(yàn)存在的問(wèn)題。

2 流量測(cè)量存在的問(wèn)題及解決方案

常用的鉆孔壓水試驗(yàn)方法通常要求每分鐘觀測(cè)一次流量，而試驗(yàn)采用的普通指針式水表的表盤上有八個(gè)讀數(shù)指針，分別對(duì)應(yīng)各個(gè)數(shù)量級(jí)，這種水表讀數(shù)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，且長(zhǎng)時(shí)間頻繁讀數(shù)容易產(chǎn)生視疲勞，增加出錯(cuò)幾率和勞動(dòng)強(qiáng)度。而且普通指針式水表也難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。需要使用電子流量傳感器。常用的有電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)和遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表。

通過(guò)對(duì)流量計(jì)的原理和應(yīng)用范圍對(duì)比分析，電磁流量計(jì)對(duì)液體的適應(yīng)性，以及數(shù)據(jù)處理方面均優(yōu)于其他幾個(gè)傳感器，但其價(jià)格昂貴，而遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表則是物優(yōu)價(jià)廉，但其數(shù)據(jù)處理程序相對(duì)較為麻煩。其他兩種不是很合適。從室內(nèi)測(cè)定的不同流速狀態(tài)下，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及誤差對(duì)比，遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表的性能參數(shù)僅稍弱于電磁流量計(jì)，而優(yōu)于其他兩種，綜合考慮，選用遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表。

由于遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表傳遞的是脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖信號(hào)代表著閉合電路通斷一次，意味著指針旋轉(zhuǎn)一圈，通過(guò)統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)數(shù)，以及每一圈對(duì)應(yīng)的流量，通過(guò)累計(jì)值進(jìn)行瞬時(shí)顯示，得到瞬時(shí)流量。

3 壓力測(cè)量存在的問(wèn)題及解決方案

常用的鉆孔壓水試驗(yàn)方法中，壓力表都是位于地表，測(cè)量管路水壓，并不是直接測(cè)量試段內(nèi)水的壓力。因此，這種方法需要計(jì)算管路壓力損失，而管路壓力損失受鉆具規(guī)格、材料內(nèi)壁光滑度等等多種因素影響，計(jì)算非常困難。壓力表置于地表的方式，對(duì)于干深孔壓水試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，則很難進(jìn)行，其地表壓力反映不了孔內(nèi)實(shí)際壓力。因此，也有人想出將壓力傳感器直接置于試段內(nèi)，但由于壓力傳感器水下密封和數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題沒(méi)有解決，效果不是很理想。

對(duì)于水下數(shù)據(jù)傳輸，有無(wú)線傳輸、通纜電纜傳輸以及常規(guī)的電纜傳輸?shù)确绞?。前兩種方式成本非常高，且不適用于水利水電鉆探的環(huán)境，因此采用常規(guī)電纜傳輸方式。根據(jù)使用的環(huán)境，常規(guī)電纜要求具有一定的抗拉強(qiáng)度、承重能力，且要耐酸堿等抗腐蝕性。

壓力傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)壓力傳感模塊置于不銹鋼防護(hù)罩內(nèi)與電纜連接。但由于壓力傳感器通常是要通過(guò)φ50 mm鉆桿(內(nèi)徑22 mm)下入到試段內(nèi)，而傳感器自身模塊尺寸、不銹鋼防護(hù)罩尺寸以及電纜的尺寸等均具有一定的要求，導(dǎo)致電纜、傳感器以及不銹鋼防護(hù)罩的密封環(huán)狀間隙很小，且密封效果還要滿足能夠在高壓下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，承受壓力變化大，反復(fù)提拉密封不失效以及易維修的要求，密封難度很大。而壓力傳感器能否置于試段內(nèi)并保證工作效果，主要取決于其密封效果和尺寸。對(duì)于壓力系統(tǒng)密封先期嘗試采用電子灌封膠密封、物理壓緊、焊接等多種方法進(jìn)行試驗(yàn)。單獨(dú)的采用某一種密封均無(wú)法達(dá)到滿意的效果。后期采用多種組合方式進(jìn)行密封，效果也有所提升，但仍存在一定的問(wèn)題，采用膠與激光焊接的方式進(jìn)行密封效果較好，但存在無(wú)法拆卸維修的難題，屬于一次性產(chǎn)品，增加成本。最終經(jīng)過(guò)多種嘗試，采用膠封、激光焊接與水密接頭組合的方式進(jìn)行密封，解決了密封問(wèn)題，也實(shí)現(xiàn)了可拆卸維修與更換的功能。

4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要的功能是數(shù)據(jù)采集與分析，按照水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程中圖標(biāo)格式進(jìn)行輸出。具體功能有鉆孔情況輸入、傳感器參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與分析、數(shù)據(jù)采集頻率、輸出等功能。為解決干深孔壓水試驗(yàn)以及管路壓力損失計(jì)算困難等問(wèn)題，在程序上設(shè)置壓力置零功能，在試驗(yàn)開始前將存在的初始?jí)毫w零，試驗(yàn)后加壓的壓力即為試驗(yàn)壓力。

儀器主機(jī)采用工控機(jī)，預(yù)裝windows系統(tǒng)，LbaVIEW語(yǔ)言編寫的程序；壓力傳感器外徑17 mm、量程0 MPa～6 MPa、精度為0.5%F·S、采用可拆卸式水下密封技術(shù)密封，在2 MPa壓力下可連續(xù)工作500 h無(wú)故障；流量量程1 L/min～100 L/min，分辨率0.5 L。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)圖如圖1所示，工作原理如圖2所示。

5 鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀的應(yīng)用

鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀研制成功后，已累計(jì)在國(guó)內(nèi)外多個(gè)工程中應(yīng)用數(shù)千段，并且，鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀和繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，也成功解決了繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電鉆探行業(yè)中應(yīng)用存在的壓水試驗(yàn)問(wèn)題[4，5]。在執(zhí)行水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目期間，在山西藺郊水庫(kù)工程、東莊水庫(kù)樞紐、黃藏寺水利樞紐、福建莆田東方紅水庫(kù)等水利水電工程以及廣州清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上水庫(kù)主壩滲水檢測(cè)工程中應(yīng)用，取得了非常好的推廣應(yīng)用效果。

儀器在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)人全程操作，各種數(shù)據(jù)在屏幕上直觀顯示且自動(dòng)記錄，操作人員直接觀看數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試壓力與流量，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模鵁o(wú)需像常規(guī)試驗(yàn)需要借助秒表等工具，一邊看時(shí)間、一邊讀數(shù)還得調(diào)試壓力與流量，降低工作強(qiáng)度和提高了數(shù)據(jù)精確度。最終直接自動(dòng)輸出計(jì)算結(jié)果與P—Q曲線，更是大大提高了試驗(yàn)的成果質(zhì)量和工作效率。

6 結(jié)語(yǔ)

鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀很好地解決了管路壓力損失計(jì)算困難、干深孔無(wú)法順利進(jìn)行試驗(yàn)的問(wèn)題，可以廣泛的應(yīng)用于各類工程勘察、地基基礎(chǔ)防滲與處理工程以及小口徑原位測(cè)試等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張 杰.孔內(nèi)典型工況識(shí)別技術(shù)研究及其在高精度鉆參儀中的實(shí)現(xiàn)[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2009.

[2] SL 31—2003，水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] 李念軍.論鉆孔壓水試驗(yàn)參數(shù)選擇及成果計(jì)算方法[J].云南水力發(fā)電，2008，24(1)：25-27.

[4] 易學(xué)文.水利水電工程鉆探繩索取心鉆進(jìn)中鉆孔壓水試驗(yàn)研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(Z1)：88-90.

[5] 張成志，尹 丹，郭 明.鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀及其在古賢水利樞紐工程中的試驗(yàn)應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(12)：32-35.

The development and promotion application of drill water pressure test comprehensive test instrument★

Li Shousheng Zhou Xiao Lv Wanhong Sun Hongli Zhou Yang

(TheGeologicalSurveyInstitute,TheYellowRiverPlanningandDesignLimitedCompany,Luoyang471002,China)

This paper introduced the development and application situation of drill water pressure test comprehensive test instrument, from flow measurement, pressure measurement, data process and other aspects made discussion, pointed out that the drill water pressure test comprehensive test instrument, solved the problems of pipe water pressure loss difficult to calculate, dry deep hole could not be carried out smoothly test, could be widely used in sub-grade engineering investigation, foundation seepage control and other engineering, had broad application prospect.

drill water pressure test, test instrument, development, promotion application

2015-04-07

李守圣(1981- )，男，高級(jí)工程師； 周 曉(1964- )，女，高級(jí)工程師; 呂萬(wàn)宏(1988- )，男，助理工程師； 孫宏莉(1982- )，女，工程師； 周 陽(yáng)(1985- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)17-0227-03

TV131.63

A

★：2014年水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目名稱：鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀推廣應(yīng)用(項(xiàng)目編號(hào)：TG1423)