鉆孔壓水試驗綜合測試儀的研制與推廣應用★

李守圣 周 曉 呂萬宏 孫宏莉 周 陽

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司地質勘探院，河南 洛陽 471002)

·水利工程·

鉆孔壓水試驗綜合測試儀的研制與推廣應用★

李守圣 周 曉 呂萬宏 孫宏莉 周 陽

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司地質勘探院，河南 洛陽 471002)

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

鉆孔壓水試驗，測試儀，研制，推廣應用

1 概述

電子信息技術的發(fā)展日新月異，廣泛應用在各個行業(yè)中，可以提高操作精度，提高產(chǎn)品質量，降低工人勞動強度等。在勘探行業(yè)中，已經(jīng)有各式各樣的鉆參儀、隨鉆測量系統(tǒng)、測井與錄井系統(tǒng)在應用，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，電子信息技術也開始逐漸發(fā)揮作用，針對各種水文試驗，鉆探需求，研發(fā)相應的儀器設備，提高數(shù)據(jù)準確性，降低勞動強度。如在鉆孔壓水試驗方面就進行了大量的研究。鉆孔壓水試驗是人工通過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)以及試驗前測定的地下水位高度、計算好的管路壓力損失，最終計算出本試段內(nèi)的巖體滲透系數(shù)，作為評價巖體的滲透特性的重要指標[2]。但這種操作模式存在幾個問題：1)長時間精神高度集中的工作使得人工讀取數(shù)據(jù)易出現(xiàn)錯誤；2)管路壓力損失計算困難，管路壓力損失的確定方法有兩種，一種是依照理論公式計算，影響計算結果的因素多，因素邊界條件確定困難；另一種是采用實測管路壓力損失方式也非常復雜；3)在干深孔中，地表壓力表無法真實測定試段壓力；4)人工處理數(shù)據(jù)、畫圖分析效率較低。針對這種情況，相關單位也曾研究采用電子信息技術手段的儀器設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題沒有得到有效的解決，導致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，儀器壽命短，而且這些研究并沒有解決干深孔無法順利進行鉆孔壓水試驗的問題。為此，需要一種能夠有效解決水下密封問題直接測量試段內(nèi)壓力的壓力傳感器，以及可以實現(xiàn)自動采集、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)鉆孔壓水試驗存在的問題。

2 流量測量存在的問題及解決方案

常用的鉆孔壓水試驗方法通常要求每分鐘觀測一次流量，而試驗采用的普通指針式水表的表盤上有八個讀數(shù)指針，分別對應各個數(shù)量級，這種水表讀數(shù)容易出現(xiàn)錯誤，且長時間頻繁讀數(shù)容易產(chǎn)生視疲勞，增加出錯幾率和勞動強度。而且普通指針式水表也難實現(xiàn)自動采集數(shù)據(jù)。需要使用電子流量傳感器。常用的有電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計和遠傳發(fā)訊水表。

通過對流量計的原理和應用范圍對比分析，電磁流量計對液體的適應性，以及數(shù)據(jù)處理方面均優(yōu)于其他幾個傳感器，但其價格昂貴，而遠傳發(fā)訊水表則是物優(yōu)價廉，但其數(shù)據(jù)處理程序相對較為麻煩。其他兩種不是很合適。從室內(nèi)測定的不同流速狀態(tài)下，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及誤差對比，遠傳發(fā)訊水表的性能參數(shù)僅稍弱于電磁流量計，而優(yōu)于其他兩種，綜合考慮，選用遠傳發(fā)訊水表。

由于遠傳發(fā)訊水表傳遞的是脈沖信號，每一個脈沖信號代表著閉合電路通斷一次，意味著指針旋轉一圈，通過統(tǒng)計脈沖信號數(shù)，以及每一圈對應的流量，通過累計值進行瞬時顯示，得到瞬時流量。

3 壓力測量存在的問題及解決方案

常用的鉆孔壓水試驗方法中，壓力表都是位于地表，測量管路水壓，并不是直接測量試段內(nèi)水的壓力。因此，這種方法需要計算管路壓力損失，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，計算非常困難。壓力表置于地表的方式，對于干深孔壓水試驗來說，則很難進行，其地表壓力反映不了孔內(nèi)實際壓力。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)傳輸問題沒有解決，效果不是很理想。

對于水下數(shù)據(jù)傳輸，有無線傳輸、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度、承重能力，且要耐酸堿等抗腐蝕性。

壓力傳感系統(tǒng)的設計時壓力傳感模塊置于不銹鋼防護罩內(nèi)與電纜連接。但由于壓力傳感器通常是要通過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、不銹鋼防護罩尺寸以及電纜的尺寸等均具有一定的要求，導致電纜、傳感器以及不銹鋼防護罩的密封環(huán)狀間隙很小，且密封效果還要滿足能夠在高壓下連續(xù)長時間工作，承受壓力變化大，反復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、焊接等多種方法進行試驗。單獨的采用某一種密封均無法達到滿意的效果。后期采用多種組合方式進行密封，效果也有所提升，但仍存在一定的問題，采用膠與激光焊接的方式進行密封效果較好，但存在無法拆卸維修的難題，屬于一次性產(chǎn)品，增加成本。最終經(jīng)過多種嘗試，采用膠封、激光焊接與水密接頭組合的方式進行密封，解決了密封問題，也實現(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規(guī)程中圖標格式進行輸出。具體功能有鉆孔情況輸入、傳感器參數(shù)標定、數(shù)據(jù)采集、存儲與分析、數(shù)據(jù)采集頻率、輸出等功能。為解決干深孔壓水試驗以及管路壓力損失計算困難等問題，在程序上設置壓力置零功能，在試驗開始前將存在的初始壓力歸零，試驗后加壓的壓力即為試驗壓力。

儀器主機采用工控機，預裝windows系統(tǒng)，LbaVIEW語言編寫的程序；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密封，在2 MPa壓力下可連續(xù)工作500 h無故障；流量量程1 L/min～100 L/min，分辨率0.5 L。系統(tǒng)程序設計圖如圖1所示，工作原理如圖2所示。

5 鉆孔壓水試驗綜合測試儀的應用

鉆孔壓水試驗綜合測試儀研制成功后，已累計在國內(nèi)外多個工程中應用數(shù)千段，并且，鉆孔壓水試驗綜合測試儀和繩索取芯鉆進技術有機結合起來，也成功解決了繩索取芯鉆進技術在水利水電鉆探行業(yè)中應用存在的壓水試驗問題[4，5]。在執(zhí)行水利部科技推廣計劃項目期間，在山西藺郊水庫工程、東莊水庫樞紐、黃藏寺水利樞紐、福建莆田東方紅水庫等水利水電工程以及廣州清遠抽水蓄能電站上水庫主壩滲水檢測工程中應用，取得了非常好的推廣應用效果。

儀器在進行試驗過程中，實現(xiàn)了一個人全程操作，各種數(shù)據(jù)在屏幕上直觀顯示且自動記錄，操作人員直接觀看數(shù)據(jù)進行手動調試壓力與流量，達到試驗目的，而無需像常規(guī)試驗需要借助秒表等工具，一邊看時間、一邊讀數(shù)還得調試壓力與流量，降低工作強度和提高了數(shù)據(jù)精確度。最終直接自動輸出計算結果與P—Q曲線，更是大大提高了試驗的成果質量和工作效率。

6 結語

鉆孔壓水試驗綜合測試儀很好地解決了管路壓力損失計算困難、干深孔無法順利進行試驗的問題，可以廣泛的應用于各類工程勘察、地基基礎防滲與處理工程以及小口徑原位測試等領域，具有廣闊的應用前景。

[1] 張 杰.孔內(nèi)典型工況識別技術研究及其在高精度鉆參儀中的實現(xiàn)[D].武漢：中國地質大學，2009.

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

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

[5] 張成志，尹 丹，郭 明.鉆孔壓水試驗綜合測試儀及其在古賢水利樞紐工程中的試驗應用[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，高級工程師； 周 曉(1964- )，女，高級工程師; 呂萬宏(1988- )，男，助理工程師； 孫宏莉(1982- )，女，工程師； 周 陽(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劃項目資助，項目名稱：鉆孔壓水試驗綜合測試儀推廣應用(項目編號：TG1423)