一種新型的鉆孔壓水試驗技術(shù)及工程應(yīng)用

李守圣，葛字家，，王 飛，繆緒樟

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 洛陽 471002)

0 引言

水利水電工程鉆孔壓水試驗是工程地質(zhì)勘察中最常用的原位滲透試驗，其主要任務(wù)是測定巖體的透水性，為評價巖體的滲透特性和設(shè)計滲控措施提供基本資料［1］。壓水試驗存在的問題主要有四方面:①管路壓力損失計算困難。管路壓力損失與管路的長度、連接頭數(shù)量、內(nèi)徑變化幅度、材料內(nèi)壁光滑狀況、現(xiàn)場管路布置等多種因素有關(guān)，而且國內(nèi)各單位使用的鉆具不統(tǒng)一，試驗中壓力損失也不盡相同。如果按照水力學(xué)原理計算壓力損失或采用實際測定法去測定，均存在很多問題。②干深孔中無法順利進行壓水試驗。當(dāng)?shù)叵滤裆睿?0 m 時，即試驗時壓力零線到地面壓力表間的高差＞30 m，試段壓力＞0.3 MPa，則0.3 MPa壓力點的壓水試驗無法進行，同理其它點也無法進行。如果想進行干深孔壓水試驗和獲得準確的試驗數(shù)據(jù)，需要在孔內(nèi)直接測量壓力參數(shù)，則又存在測試技術(shù)、儀器密封和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。③人工記讀與計算存在采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、誤差大、數(shù)據(jù)處理效率低、勞動強度高的問題。④深孔頻繁提鉆進行壓水試驗造成孔壁失穩(wěn)易出現(xiàn)塌孔等孔故。

目前國內(nèi)常用的鉆孔壓水試驗方法，①使用流量表(普通指針式水表)觀測流量，使用普通壓力表觀測壓力，流量表及壓力表均布置在孔口地表面，并通過人工讀取及計算，取得試驗段的原位測試數(shù)據(jù)。②采用早期研制出的測壓儀等設(shè)備，可以實現(xiàn)孔內(nèi)直接測量壓力參數(shù)和自動記錄和打印輸出，但儀器未能有效地解決孔內(nèi)傳感器密封問題，對儀器的推廣應(yīng)用帶來一定的影響。上述兩種方法均未能很好地解決目前壓水試驗存在的問題。因此，需要一種新的孔內(nèi)直接測量壓力，自動采集、記錄、數(shù)據(jù)分析處理和打印輸出的儀器。

1 鉆孔壓水試驗測試儀

鉆孔壓水試驗測試儀的研究是一個系統(tǒng)工程，主要涉及到電子信息技術(shù)、材料學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和力學(xué)等多個學(xué)科。儀器主要包括壓力傳感系統(tǒng)、流量傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)［2－4］等。流量傳感系統(tǒng)和壓力傳感系統(tǒng)分別將流量、壓力信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、回零、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、P-Q曲線繪制、數(shù)據(jù)處理、輸出等功能。

1.1 壓力傳感系統(tǒng)

壓力傳感系統(tǒng)是儀器最為關(guān)鍵的部分，該系統(tǒng)的好壞直接決定了能否實現(xiàn)孔內(nèi)直接測量壓力和解決干深孔壓水試驗問題。該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為傳感器孔內(nèi)密封技術(shù)。

1.1.1 壓力傳感系統(tǒng)工作環(huán)境

(1)傳感器直徑受鉆具內(nèi)徑限制，電纜和變送器的密封環(huán)狀間隙很小。

(2)密封部分承受壓力變化幅度較大。

(3)傳感器在鉆具內(nèi)反復(fù)提拉，密封部分頻繁受力變形，易使密封失效。

1.1.2 壓力傳感系統(tǒng)設(shè)計要求

(1)壓力傳感器外殼采用不銹鋼材料，耐磨抗腐蝕。

(2)壓力傳感器外徑要小于常用的Φ50 mm 鉆桿內(nèi)徑(Φ22 mm)。

(3)壓力傳感器測量量程為0～6 MPa，精度不小于0.5%F·S。

(4)壓力傳感器自身電子電路密封可靠，在滿載壓力下500 h 無故障。

(5)壓力傳感器與電纜連接處在2 MPa 壓力下，500 h 無故障。

1.1.3 壓力傳感系統(tǒng)密封設(shè)計

由于電纜與傳感器連接部位密封相當(dāng)復(fù)雜，且受尺寸限制，用于密封的環(huán)狀間隙僅有4～5 mm 寬，密封難度非常大。

對于系統(tǒng)密封，最初的方案是采用電子灌封膠將電纜澆筑在傳感器內(nèi)的密封方法，在試驗中，連續(xù)進行多段壓水試驗后，密封失敗，出現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)無規(guī)律的跳動。之后采用物理壓緊的密封方法，試驗中略微加壓，密封就失效。后期采用電子灌封膠與物理壓緊結(jié)合的方式密封，密封效果略有提高，但仍不能滿足要求。

為此，調(diào)整設(shè)計思路，先后采用增加密封空間、激光焊接、水下密封與可拆式密封等多種方式進行試驗研究，最終采用可拆卸式密封技術(shù)。該技術(shù)滿足密封要求，并且傳感線路與硫化部位出現(xiàn)故障后，易拆卸維修與更換。

1.2 流量傳感系統(tǒng)

流量傳感系統(tǒng)應(yīng)具有原理簡單、測量精度高、成本低等特點。各類傳感器特點對比如表1 所示。通過室內(nèi)試驗對比研究，遠傳發(fā)訊水表是最適合的流量傳感器。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊和軟件程序。數(shù)據(jù)與采集模塊電路和面板設(shè)計如圖1 所示。軟件程序采用LabVIEW 語言編寫，其程序設(shè)計如圖2 所示。程序工作界面見圖3。

在數(shù)據(jù)處理方面，對靜水壓力和壓力損失采取了置零處理，無需再考慮和計算。對P-Q 曲線的五點進行線性變換，方便人工讀取和判斷曲線類型。壓水試驗報告輸出格式嚴格按照《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》(SL31—2003)編制。

1.4 鉆孔壓水試驗測試儀

鉆孔壓水試驗測試儀將各種電子模塊整合到一起，性能穩(wěn)定，攜帶方便。其參數(shù)如下，儀器工作原理和實物如圖4 及照片1～4 所示。

(1)儀器使用工控機與Windows 操作系統(tǒng)，Lab-VIEW 編寫的軟件，便于維護和升級。

(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊化，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好。

(3)兩種供電模式，220 V 交流供電和24 V 直流供電。

圖1 電路與面板設(shè)計圖Fig.1 Circuit and panel design drawing

圖2 程序設(shè)計圖Fig.2 Program design drawing

表1 流量計優(yōu)缺點對比Table 1 Advantages and disadvantages of flowmeter

圖3 程序工作界面Fig.3 Program work interface

(4)液位變送器外徑僅17 mm，可直接下入試段內(nèi)，量程0～6 MPa，精度為0.5%F.S。傳感器及連接電纜密封可靠，在2 MPa 壓力下可保持1 000 h 無故障。

(5)遠傳發(fā)訊水表每個輸出信號分辨率高達0.5 L，量測范圍可達1～100 L/min。

(6)儀器能在－20～+50 ℃環(huán)境下正常工作。

圖4 工作原理圖Fig.4 Work principle graph

2 壓水試驗方案

雖然鉆孔壓水試驗測試儀的出現(xiàn)很好地解決了壓水試驗中孔內(nèi)壓力測量、各種數(shù)據(jù)自動采集與分析，但在常規(guī)的取芯鉆進壓水試驗中，通常是采用提大鉆的方式，將整個鉆具提出孔外，然后用鉆桿接上止水栓塞，再下大鉆到孔底，進行壓水試驗。每5 m 提一次大鉆進行壓水試驗也帶來了諸如提鉆導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)、提高勞動強度等諸多麻煩。因此壓水試驗方案的選擇也是非常主要的?？紤]到繩索取芯鉆進的特點，將其與壓水試驗相結(jié)合。

照片1 測試儀主機Photo 1 Instrument host

照片2 壓力傳感器Photo 2 Pressure sensor

照片3 電纜Photo 3 Cable

照片4 遠傳發(fā)訊水表Photo 4 Far transfer information water meter

2.1 全孔鉆進雙栓塞壓水試驗

2.1.1 試驗原理

利用繩索取芯鉆進，根據(jù)地層情況，鉆進到一定深度后，將鉆具一次性提出，使用雙栓塞和專門的輸水管路，從下至上，逐段進行壓水試驗。試驗完成后再下入鉆具鉆進直至再次提大鉆進行壓水試驗。具體方案如圖5 所示。

圖5 全孔鉆進雙栓塞壓水試驗方案Fig.5 Test scheme of whole hole drilling double embolization water press

2.1.2 常規(guī)雙栓塞的類型

常規(guī)的雙栓塞主要有水壓栓塞和氣壓栓塞。

水壓栓塞使用較為廣泛，其優(yōu)點是:膨脹介質(zhì)容易獲得，栓塞密封性能要求不是很高，膨脹過程中基本沒有壓縮，試段封閉比較穩(wěn)定可靠。缺點是:在地下水較深的鉆孔進行壓水試驗后，由于膨脹管路的水柱較高，而又沒有地下水位的抵消，栓塞很難卸壓恢復(fù)原狀。當(dāng)?shù)叵滤贿_到一定的深度，根據(jù)統(tǒng)計一般為60 m 左右時，栓塞就難以復(fù)原，地下水位達到100 m 左右時，水壓式栓塞基本不能使用。

氣壓栓塞的優(yōu)點是:充氣過程簡單，只需要打開氣瓶閥門，控制好壓力即可。卸壓過程基本不受地下水位的影響，栓塞可以快速復(fù)原。缺點是:膨脹介質(zhì)需要單獨購買，一定程度上增加了壓水試驗的成本;栓塞的密封性能要求較高;氣體具有較大的壓縮性，需要根據(jù)壓水試驗時試段的水壓大小進行氣壓調(diào)整;高壓氣瓶有一定的安全隱患，操作人員需要培訓(xùn)。

2.1.3 方案的優(yōu)缺點

優(yōu)點是:

(1)試驗工作與鉆探工作可以部分或全部分離，費用較低。

(2)一些操作步驟(如洗孔、水位測量等)可以合并進行，試驗時間較短。

(3)可以根據(jù)孔內(nèi)實際情況合理地確定栓塞置放位置和試段長度，試驗成果與地質(zhì)條件之間的相關(guān)性較好。

缺點是:

(1)雙栓塞(特別是下栓塞)的止水可靠性不易檢驗。

(2)由于鉆程較長，巖粉堵塞裂隙的可能性增大。

(3)需要額外增加一套輸水管路。

(4)在孔壁不穩(wěn)定的情況下，如縮徑、掉塊、塌孔時雙栓塞就基本不能使用，很可能需擴孔或者重新鉆孔。

雖然這種方案已經(jīng)減少了提大鉆的次數(shù)，但仍存在一系列的問題，因此需要考慮一種不提大鉆進行壓水試驗的方法。

2.2 不提大鉆壓水試驗方案［5，6］

2.2.1 試驗原理

不提大鉆壓水試驗方案充分利用了繩索取芯鉆桿內(nèi)徑大的特點，將栓塞通過鉆桿內(nèi)徑下入到試驗段，采用氣體或水使栓塞膨脹從而封閉試驗段。操作方法是:鉆完一個試驗段(一般為5 m)，取出巖芯，然后將鉆桿提離孔底6 m，將栓塞通過纜繩下入到試驗段上部，然后使栓塞膨脹，封閉鉆桿和孔壁，利用繩索鉆桿作為過水通道進行壓水試驗，見圖6。

2.2.2 方案的優(yōu)缺點

與常規(guī)雙栓塞壓水試驗結(jié)合繩索取芯方案相比，這種方案的優(yōu)點是:

(1)每鉆進一個試驗段，就可以進行壓水試驗。比較接近常規(guī)的做法，容易被地質(zhì)人員、現(xiàn)場操作人員接受。

(2)不受鉆孔地層條件限制，無論是鉆孔縮徑還是掉塊都能輕松處理。

缺點是:

(1)每次做試驗時，需要從鉆孔里提出6 m 鉆桿，一定程度上增加了勞動強度。

(2)沒有現(xiàn)成的栓塞可用，必須重新設(shè)計加工。

2.2.3 止水栓塞

圖6 繩索取芯不提大鉆試驗方案Fig.6 Test scheme of wire-line coring drilling with no lifting the drill pipe

不提大鉆壓水試驗栓塞是專門研制的，其具體結(jié)構(gòu)為:栓塞膠囊分為兩段，上膠囊位于鉆頭內(nèi)臺階上部，膨脹后封閉鉆桿，下膠囊穿過鉆頭進入鉆孔壓水試段的封堵部位，膨脹后封閉壓水試段。該栓塞的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)安全、耐用，密封性好，膨脹與復(fù)原性好，不變形。目前該類型栓塞已成功與S96、S75 系列繩索取芯鉆具配合應(yīng)用于壓水試驗中(見照片5)。

照片5 不提大鉆繩索取芯止水栓塞Photo 5 Wire-line coring drilling with no lifting the drill pipe embolization

3 工程應(yīng)用

3.1 儀器使用方法

地面管路及信號傳輸通道按要求連接→選擇塞位安裝栓塞→壓力傳感器從鉆桿內(nèi)管下至試段內(nèi)→安裝孔口密封器→儀器設(shè)備準備及檢查→試驗管路連接→試驗儀器連接→地下水位測量→壓力置零→開泵試壓、管路檢查→五點法壓水試驗→試驗數(shù)據(jù)保存及打印輸出→管路卸壓、停泵→程序退出、線路拆除→管路拆除。

3.2 工程應(yīng)用

截止到現(xiàn)在，已在黃河古賢水利樞紐、陜西涇河?xùn)|莊水庫樞紐等多個水利水電工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用了壓水測試儀進行了常規(guī)壓水試驗和繩索取芯不提大鉆壓水試驗，累積試驗數(shù)千段，取得了良好的效果。

黃河古賢水利樞紐工程［7］位于黃河北干流的晉、陜峽谷下段南部，距離黃河壺口瀑布上游約10 km，規(guī)劃裝機2 560 MW，具有防洪、減淤、供水、發(fā)電、調(diào)水、灌溉等綜合效益。壩址區(qū)河水面高程465 m，河谷底寬455 m。河床覆蓋層厚度為1～7 m;右岸高程470～475 m 處殘存I 級階地，順河帶狀分布，寬度20～30 m。兩岸谷坡不對稱，高程625 m 以上為黃土覆蓋，以下基巖裸露。古賢水利樞紐工程地質(zhì)情況比較復(fù)雜，壩肩壓水試驗孔絕大部分為干深孔。涇河?xùn)|莊水庫樞紐工程最大壩高228 m，總庫容29.87 億m3，防洪庫容4.2億m3，攔沙和調(diào)水調(diào)沙庫容20.2 億m3。工區(qū)巖溶發(fā)育，多以隱蔽、脈連為主。這兩個工區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，如果采用常規(guī)的壓力表放置在孔口和人工記讀的試驗方法，會造成數(shù)據(jù)誤差較大甚至無法進行試驗。壓水測試儀在這兩個工區(qū)應(yīng)用情況如下。

3.2.1 地下水位測試

在進行壓水試驗前，需要測定地下水位。常規(guī)的觀測方法是采用測繩結(jié)合萬用表來測定，儀器和人為因素對于數(shù)據(jù)的準確性影響很大，并且在測試結(jié)束后需要將測繩提出孔外，才能進行后續(xù)的壓水試驗操作。而利用鉆孔壓水試驗測試儀測量地下水位是在地面管路系統(tǒng)連接好后，壓力傳感器下入孔內(nèi)并固定安裝，通過壓力傳感器測出凈水頭壓力，壓力值即時反應(yīng)到系統(tǒng)操作界面，利用簡單的水柱壓力計算公式可反推計算出地下水位，簡單、準確、直觀的在儀器操作界面上顯示水位，并可以直觀的了解地下水位的變化過程，也在很大程度上減少了常規(guī)方法中由于孔內(nèi)情況復(fù)雜導(dǎo)致的試驗者對于真實水位主觀性判定帶來的誤差。水位測量結(jié)束后，可直接進行下一步的壓水試驗，在一定程度上提高了工作效率。

3.2.2 人工記讀與儀器記讀對比

為了對比人工記讀與儀器記讀數(shù)據(jù)，在部分鉆孔內(nèi)進行兩種方式記讀數(shù)據(jù)。

壓力對比 通過測繩測水位，結(jié)合壓力計指示壓力，水柱壓力以及管路壓力損失等情況，人工讀取和計算壓力值，較為繁瑣，且相對于測試儀直接采集試段內(nèi)壓力誤差較大。

流量對比 在采用測試儀測定的壓力值下，人工記讀和儀器記讀流量數(shù)據(jù)對比見表2。通過對數(shù)據(jù)的對比分析，人工記讀與儀器記讀的數(shù)據(jù)誤差不超過5%，甚至在低透水率下，數(shù)據(jù)誤差不超過2%，數(shù)據(jù)滿足試驗要求。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理對比

人工數(shù)據(jù)分析，需要通過對采集的數(shù)據(jù)進行篩選、填表、繪制圖表、分析，存在一定的隨意性和誤差。

鉆孔壓水試驗測試儀的數(shù)據(jù)均采用傳感技術(shù)自動采集、識別，采集后的數(shù)據(jù)通過信號傳輸通道直接進入操作電腦的程序面板進行顯示。數(shù)據(jù)精度高，且避免了人工讀取數(shù)據(jù)過程中的不及時、不精確、不均勻及隨意性等缺陷，從而對地層情況的反映更真實、更可靠。數(shù)據(jù)采集程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過處理后，可直接將記錄的數(shù)據(jù)、自動生成的曲線通過普通打印機進行打印輸出，而無需人工填表、繪制曲線，從而可直接進行統(tǒng)計分析，減省了對每個孔段的數(shù)據(jù)計算和曲線繪制，大大提高了工作效率。系統(tǒng)自動生成的壓水試驗的相關(guān)參數(shù)和曲線如表3、圖7 所示。

表2 壓水試驗流量數(shù)據(jù)對比表Table 2 Comparison of water press test flow date

表3 壓水試驗數(shù)據(jù)Table 3 Test data of water press

圖7 P-Q 曲線Fig.7 P-Q curve

4 結(jié)語

通過在古賢水利樞紐、東莊水利樞紐等工程中的應(yīng)用，很好地解決了壓水試驗數(shù)據(jù)采集與分析的問題，提高了數(shù)據(jù)的準確性。同繩索取芯鉆進技術(shù)結(jié)合，很好地解決了干深孔壓水試驗問題。儀器操作簡單、結(jié)構(gòu)輕巧、攜帶方便、能夠適應(yīng)野外惡劣的工作環(huán)境、降低了勞動強度、提高了工作效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］SL31—2003，水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程［S］.

［2］趙玉剛，邱東.傳感器基礎(chǔ)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2006.

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

［4］梁智權(quán).流體力學(xué)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2002.

［5］易學(xué)文，等.水利水電工程鉆探繩索取心鉆進中壓水試驗研究［J］.探礦工程:巖土鉆掘工程，2012，39(增刊1):88－90.

［6］周曉，等.繩索取心鉆進在水利水電勘探中存在的問題及解決思路［J］.探礦工程:巖土鉆掘工程，2013，40(3):24－27.

［7］張成志，尹丹，郭明.鉆孔壓水試驗測試儀及其在古賢水利樞紐工程中的試驗應(yīng)用［J］.探礦工程:巖土鉆掘工程，2010，37(12):32－36.