一种新型的钻孔压水试验技术及工程应用

第２７卷第４期　资源环境与工程　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．４　Ａｕｇ．，２０１３　一种新型的钻孔压水试验技术及工程应用　李守圣，葛字家，，王　飞，缪绪樟　（黄河勘测规划设计有限公司，河南洛阳４７１００２）　摘要：水利水电工程勘察中需要进行压水试验，而常规的压水试验方法存在管路压力损失计算困难、干　深孔无法顺利进行试验的问题，采用普通指针式的流量表与压力表进行测量，人工记读与计算存在误差大、　效率低、劳动强度高的问题。为解决上述问题，研发了钻孔压水试验测试仪以及绳索取芯钻进不提大钻进　行压水试验技术，将先进的电子信息技术与绳索取芯钻进技术完美地结合起来，很好地解决了上述问题，　并在古贤水利枢纽和东庄水利枢纽等工程中应用，取得了良好的效果。　关键词：绳索取芯钻进；干深孔钻进；压水试验仪　中图分类号：１：＇６３４．５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—１２１１（２０１３）０４—０５１５—０７　０　引言　水利水电工程钻孔压水试验是工程地质勘察中最　解决孔内传感器密封问题，对仪器的推广应用带来一　定的影响。上述两种方法均未能很好地解决目前压水　试验存在的问题。因此，需要一种新的孔内直接测量　压力，自动采集、记录、数据分析处理和打印输出的仪　器。　常用的原位渗透试验，其主要任务是测定岩体的透水　性，为评价岩体的渗透特性和设计渗控措施提供基本　资料　。压水试验存在的问题主要有四方面：①管路　压力损失计算困难。管路压力损失与管路的长度、连　接头数量、内径变化幅度、材料内壁光滑状况、现场管　１　钻孔压水试验测试仪　钻孔压水试验测试仪的研究是一个系统工程，主　要涉及到电子信息技术、材料学、统计学和力学等多个　学科。仪器主要包括压力传感系统、流量传感系统、数　据采集与处理系统　等。流量传感系统和压力传感　系统分别将流量、压力信号传输到数据采集系统，可以　实现标定、参数设置、回零、数据采集、数据存储、Ｐ．Ｑ　曲线绘制、数据处理、输出等功能。　１．１压力传感系统　路布置等多种因素有关，而且国内各单位使用的钻具　不统一，试验中压力损失也不尽相同。如果按照水力　学原理计算压力损失或采用实际测定法去测定，均存　在很多问题。②干深孔中无法顺利进行压水试验。当　地下水埋深＞３０　ｍ时，即试验时压力零线到地面压力　表间的高差＞３０　ｍ，试段压力＞０．３　ＭＰａ，则０．３　ＭＰａ压　力点的压水试验无法进行，同理其它点也无法进行。　如果想进行干深孔压水试验和获得准确的试验数据，　需要在孔内直接测量压力参数，则又存在测试技术、仪　压力传感系统是仪器最为关键的部分，该系统的　好坏直接决定了能否实现孔内直接测量压力和解决干　深孔压水试验问题。该系统关键技术为传感器孑Ｌ内密　封技术。　１．１．１压力传感系统工作环境　器密封和数据传输的问题。③人工记读与计算存在采　集数据不稳定、误差大、数据处理效率低、劳动强度高　的问题。④深孔频繁提钻进行压水试验造成孔壁失稳　易出现塌孔等孔故。　目前国内常用的钻孔压水试验方法，①使用流量　表（普通指针式水表）观测流量，使用普通压力表观测　压力，流量表及压力表均布置在孔口地表面，并通过人　（１）传感器直径受钻具内径限制，电缆和变送器　的密封环状间隙很小。　（２）密封部分承受压力变化幅度较大。　（３）传感器在钻具内反复提拉，密封部分频繁受　工读取及计算，取得试验段的原位ｉ贝４试数据。②采用　早期研制出的测压仪等设备，可以实现孔内直接测量　压力参数和自动记录和打印输出，但仪器未能有效地　力变形，易使密封失效。　１．１．２压力传感系统设计要求　（１）压力传感器外壳采用不锈钢材料，耐磨抗腐蚀。　收稿日期：２０１３—０５—２９；改回日期：２０１３—０６—２１　作者简介：李守圣（１９８１一），男，工程师，博士，地质工程专业，从事勘察技术研发工作。Ｅ—ｍａｉｌ：２４３０３４９６＠ｑｑ．ｃｏｍ　５１６　资源环境与工程　２０１３．年　（２）压力传感器外径要小于常用的　５０　ｍｍ钻杆　内径（　２２　ｍｍ）。　（１）仪器使用工控机与Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统，Ｌａｂ—　ＶＩＥＷ编写的软件，便于维护和升级。　（２）数据采集系统模块化，结构紧凑，稳定性好。　（３）压力传感器测量量程为０—６　ＭＰａ，精度不小　于０．５％Ｆ・Ｓ。　（３）两种供电模式，２２０　Ｖ交流供电和２４　Ｖ直流　供电。　（４）压力传感器自身电子电路密封可靠，在满载　压力下５００　ｈ无故障。　（５）压力传感器与电缆连接处在２　ＭＰａ压力下，　５００　ｈ无故障。　１．１．３压力传感系统密封设计　由于电缆与传感器连接部位密封相当复杂，且受　尺寸限制，用于密封的环状间隙仅有４～５　ｍｍ宽，密　封难度非常大。　对于系统密封，最初的方案是采用电子灌封胶将　电缆浇筑在传感器内的密封方法，在试验中，连续进行　多段压水试验后，密封失败，出现压力数据无规律的跳　动。之后采用物理压紧的密封方法，试验中略微加压，　密封就失效。后期采用电子灌封胶与物理压紧结合的　方式密封，密封效果略有提高，但仍不能满足要求。　为此，调整设计思路，先后采用增加密封空间、激　光焊接、水下密封与可拆式密封等多种方式进行试验　研究，最终采用可拆卸式密封技术。该技术满足密封　要求，并且传感线路与硫化部位出现故障后，易拆卸维　修与更换。　１．２流量传感系统　流量传感系统应具有原理简单、测量精度高、成本　低等特点。各类传感器特点对比如表１所示。通过室　内试验对比研究，远传发讯水表是最适合的流量传　感器。　１．３数据采集与处理系统　数据采集与处理系统主要有数据采集模块、电源　模块和软件程序。数据与采集模块电路和面板设计如　图１所示。软件程序采用ＬａｂＶＩＥＷ语言编写，其程序　设计如图２所示。程序工作界面见图３。　在数据处理方面，对静水压力和压力损失采取了　置零处理，无需再考虑和计算。对Ｐ—Ｑ曲线的五点进　行线性变换，方便人工读取和判断曲线类型。压水试　验报告输出格式严格按照《水利水电工程钻孔压水试　验规程》（ＳＬ３ｌ－２００３）编制。　１．４钻孔压水试验测试仪　钻孔压水试验测试仪将各种电子模块整合到一　起，性能稳定，携带方便。其参数如下，仪器工作原理　和实物如图４及照片１～４所示。　图１电路与面板设计图　Ｆｉｇ．１　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｐａｎｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｒａｗｉｎｇ　开始　守　一压一　否　厂————————１云　Ｔｉ　Ｔ　雨　否　累加压力计算ｌ　ｌ累加脉冲计算　—　是否结柬　否　图２程序设计图　Ｆｉｇ．２　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｒａｗｉｎｇ　第４期　李守圣等：一种新型的钻孔压水试验技术及工程应用　５２１　巧、携带方便、能够适应野外恶劣的工作环境、降低了劳　［４］　梁智权．流体力学［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，２００２．　动强度、提高了工作效率，具有广阔的应用前景。　［　］　易学文，等．水利水电工程钻探绳索取心钻进中压水试验研究　［Ｊ］．探矿工程：岩土钻掘工程，２０１２，３９（增刊１）：８８—９Ｏ．　参考文献：　［６］　周晓，等．绳索取心钻进在水利水电勘探中存在的问题及解决思　路［Ｊ］．探矿工程：岩土钻掘工程，２０１３，４０（３）：２４—２７．　［１］ＳＬ３ｌ－－２００３，水利水电工程钻孔压水试验规程［ｓ］．　［７］　张成志，尹丹，郭明．钻孔压水试验测试仪及其在古贤水利枢纽　［２］赵玉刚，邱东．传感器基础［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２００６．　工程中的试验应用［Ｊ］．探矿工程：岩土钻掘工程，２０１０，３７　［３］　李念军．论钻孔压水试验参数选择及成果计算方法［Ｊ］．云南水力　（１２）：３２—３６．　发电，２００８，２４（１）：２５—２７．　（责任编辑：陈文宝）　Ｔｈｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｒｅｓｓ　Ｔｅｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ＬＩ　Ｓｈｏｕｓｈｅｎｇ，ＧＥ　Ｚｉｊｉａ，ＷＡＮＧ　Ｆｅｉ，ＭＩＡＯ　Ｘｕｚｈａｎｇ　（Ｙｅｌｌｏｗ　Ｒｉｖｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ　４７１００２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｎｅｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓ　ｔｅｓｔ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｔｅｓｔ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｈ０１ｅ，ｔｅｓｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｐｏｉｎｔｅｒ　ｆｌｏｗ　ｓｔａｔｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇａｕｇｅ　ａｎｄ　ａｒｔｉｉｆｃｉｌａ　ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｈａｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｅｒｒｏｒ，ｌｏｗ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｈｉ【ｇｈ　ｌａｂｏｒ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ａｂｏｖｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓ　ｔｅｓｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓ　ｉｎｓｔｒｕ—　ｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｗｉｒｅ—ｌｉｎｅ　ｃｏｒｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｎｏ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌ　ｐｉｐｅ，ａｄｖａｎｃｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｗｉｒｅ—ｌｉｎｅ　ｃｏｒｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｓｏｌｖｅｄ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｖｅｒｙ　ｗｅｌｌ，ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｇｕｘｉａｎ　ｈｙｄｒｏ—ｊｕｎｃｔｉｏｎ、Ｄｏｎｇｚｈｕａｎｇ　ｈｙｄｒｏ—ｊｕｎｃｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ｈａｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅ－ｌｉｎｅ　ｃｏｒｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｄｒｙ　ｄｅｅｐ　ｈｏｌｅ；ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　（上接第５１４页）　Ｓｉｍｐｌｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　Ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　Ｓｔｒａｔａ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ＷＵ　Ｗｅｎｆｅｉ，ＯＵ　Ｈａｎｓｅｎ　（Ｈｕｎａｎ　Ｈｙｄｒｏ＆Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１０００７）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ　ｂｒｉｎｇ　ｈｕｇｅ　ｄｉｉｆｃｕｌｔｉｅｓ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｃｏ—　ｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｌａｂｏｒ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ａ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ　ｄｉｆｉｆｃｕｌｔｙ　ｉｎ　ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ｓｕｃｈ　ｓｔｒａｔａ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｓｏｍｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ　ａｒｅ　ｓｕｍｍｅｄ　ｕｐ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｙ