钻孔压水试验综合测试仪的研制与推广应用★

李守圣 周 晓 吕万宏 孙宏莉 周 阳

(黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院，河南 洛阳 471002)

·水利工程·

钻孔压水试验综合测试仪的研制与推广应用★

李守圣 周 晓 吕万宏 孙宏莉 周 阳

(黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院，河南 洛阳 471002)

介绍了钻孔压水试验综合测试仪的研制及应用情况，从流量测量、压力测量、数据处理等方面进行了论述，指出采用钻孔压水试验综合测试仪，解决了管路压力损失计算困难、干深孔无法顺利进行试验的问题，可以广泛的应用于各类工程勘察、地基防渗处理等工程中，具有广阔的应用前景。

钻孔压水试验，测试仪，研制，推广应用

1 概述

电子信息技术的发展日新月异，广泛应用在各个行业中，可以提高操作精度，提高产品质量，降低工人劳动强度等。在勘探行业中，已经有各式各样的钻参仪、随钻测量系统、测井与录井系统在应用，为勘探专业的发展提供了有力支撑[1]。同样，在水利水电工程中，电子信息技术也开始逐渐发挥作用，针对各种水文试验，钻探需求，研发相应的仪器设备，提高数据准确性，降低劳动强度。如在钻孔压水试验方面就进行了大量的研究。钻孔压水试验是人工通过安置在地表的指针式水表与常规压力表，读取某一特定压力下的流量值，并根据记录的数据以及试验前测定的地下水位高度、计算好的管路压力损失，最终计算出本试段内的岩体渗透系数，作为评价岩体的渗透特性的重要指标[2]。但这种操作模式存在几个问题：1)长时间精神高度集中的工作使得人工读取数据易出现错误；2)管路压力损失计算困难，管路压力损失的确定方法有两种，一种是依照理论公式计算，影响计算结果的因素多，因素边界条件确定困难；另一种是采用实测管路压力损失方式也非常复杂；3)在干深孔中，地表压力表无法真实测定试段压力；4)人工处理数据、画图分析效率较低。针对这种情况，相关单位也曾研究采用电子信息技术手段的仪器设备替代人工采集与分析数据，但依然是采取的地表数据，偶有研究直接采集试段内压力的，但由于传感器密封问题没有得到有效的解决，导致数据不稳定，仪器寿命短，而且这些研究并没有解决干深孔无法顺利进行钻孔压水试验的问题。为此，需要一种能够有效解决水下密封问题直接测量试段内压力的压力传感器，以及可以实现自动采集、记录、数据分析处理和打印输出的软件与硬件的集成系统解决常规钻孔压水试验存在的问题。

2 流量测量存在的问题及解决方案

常用的钻孔压水试验方法通常要求每分钟观测一次流量，而试验采用的普通指针式水表的表盘上有八个读数指针，分别对应各个数量级，这种水表读数容易出现错误，且长时间频繁读数容易产生视疲劳，增加出错几率和劳动强度。而且普通指针式水表也难实现自动采集数据。需要使用电子流量传感器。常用的有电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计和远传发讯水表。

通过对流量计的原理和应用范围对比分析，电磁流量计对液体的适应性，以及数据处理方面均优于其他几个传感器，但其价格昂贵，而远传发讯水表则是物优价廉，但其数据处理程序相对较为麻烦。其他两种不是很合适。从室内测定的不同流速状态下，数据的稳定性以及误差对比，远传发讯水表的性能参数仅稍弱于电磁流量计，而优于其他两种，综合考虑，选用远传发讯水表。

由于远传发讯水表传递的是脉冲信号，每一个脉冲信号代表着闭合电路通断一次，意味着指针旋转一圈，通过统计脉冲信号数，以及每一圈对应的流量，通过累计值进行瞬时显示，得到瞬时流量。

3 压力测量存在的问题及解决方案

常用的钻孔压水试验方法中，压力表都是位于地表，测量管路水压，并不是直接测量试段内水的压力。因此，这种方法需要计算管路压力损失，而管路压力损失受钻具规格、材料内壁光滑度等等多种因素影响，计算非常困难。压力表置于地表的方式，对于干深孔压水试验来说，则很难进行，其地表压力反映不了孔内实际压力。因此，也有人想出将压力传感器直接置于试段内，但由于压力传感器水下密封和数据传输问题没有解决，效果不是很理想。

对于水下数据传输，有无线传输、通缆电缆传输以及常规的电缆传输等方式。前两种方式成本非常高，且不适用于水利水电钻探的环境，因此采用常规电缆传输方式。根据使用的环境，常规电缆要求具有一定的抗拉强度、承重能力，且要耐酸碱等抗腐蚀性。

压力传感系统的设计时压力传感模块置于不锈钢防护罩内与电缆连接。但由于压力传感器通常是要通过φ50 mm钻杆(内径22 mm)下入到试段内，而传感器自身模块尺寸、不锈钢防护罩尺寸以及电缆的尺寸等均具有一定的要求，导致电缆、传感器以及不锈钢防护罩的密封环状间隙很小，且密封效果还要满足能够在高压下连续长时间工作，承受压力变化大，反复提拉密封不失效以及易维修的要求，密封难度很大。而压力传感器能否置于试段内并保证工作效果，主要取决于其密封效果和尺寸。对于压力系统密封先期尝试采用电子灌封胶密封、物理压紧、焊接等多种方法进行试验。单独的采用某一种密封均无法达到满意的效果。后期采用多种组合方式进行密封，效果也有所提升，但仍存在一定的问题，采用胶与激光焊接的方式进行密封效果较好，但存在无法拆卸维修的难题，属于一次性产品，增加成本。最终经过多种尝试，采用胶封、激光焊接与水密接头组合的方式进行密封，解决了密封问题，也实现了可拆卸维修与更换的功能。

4 数据处理系统研究

数据处理系统主要的功能是数据采集与分析，按照水利水电工程钻孔压水试验规程中图标格式进行输出。具体功能有钻孔情况输入、传感器参数标定、数据采集、存储与分析、数据采集频率、输出等功能。为解决干深孔压水试验以及管路压力损失计算困难等问题，在程序上设置压力置零功能，在试验开始前将存在的初始压力归零，试验后加压的压力即为试验压力。

仪器主机采用工控机，预装windows系统，LbaVIEW语言编写的程序；压力传感器外径17 mm、量程0 MPa～6 MPa、精度为0.5%F·S、采用可拆卸式水下密封技术密封，在2 MPa压力下可连续工作500 h无故障；流量量程1 L/min～100 L/min，分辨率0.5 L。系统程序设计图如图1所示，工作原理如图2所示。

5 钻孔压水试验综合测试仪的应用

钻孔压水试验综合测试仪研制成功后，已累计在国内外多个工程中应用数千段，并且，钻孔压水试验综合测试仪和绳索取芯钻进技术有机结合起来，也成功解决了绳索取芯钻进技术在水利水电钻探行业中应用存在的压水试验问题[4，5]。在执行水利部科技推广计划项目期间，在山西蔺郊水库工程、东庄水库枢纽、黄藏寺水利枢纽、福建莆田东方红水库等水利水电工程以及广州清远抽水蓄能电站上水库主坝渗水检测工程中应用，取得了非常好的推广应用效果。

仪器在进行试验过程中，实现了一个人全程操作，各种数据在屏幕上直观显示且自动记录，操作人员直接观看数据进行手动调试压力与流量，达到试验目的，而无需像常规试验需要借助秒表等工具，一边看时间、一边读数还得调试压力与流量，降低工作强度和提高了数据精确度。最终直接自动输出计算结果与P—Q曲线，更是大大提高了试验的成果质量和工作效率。

6 结语

钻孔压水试验综合测试仪很好地解决了管路压力损失计算困难、干深孔无法顺利进行试验的问题，可以广泛的应用于各类工程勘察、地基基础防渗与处理工程以及小口径原位测试等领域，具有广阔的应用前景。

[1] 张 杰.孔内典型工况识别技术研究及其在高精度钻参仪中的实现[D].武汉：中国地质大学，2009.

[2] SL 31—2003，水利水电工程钻孔压水试验规程[S].

[3] 李念军.论钻孔压水试验参数选择及成果计算方法[J].云南水力发电，2008，24(1)：25-27.

[4] 易学文.水利水电工程钻探绳索取心钻进中钻孔压水试验研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(Z1)：88-90.

[5] 张成志，尹 丹，郭 明.钻孔压水试验综合测试仪及其在古贤水利枢纽工程中的试验应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，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，高级工程师； 周 晓(1964- )，女，高级工程师; 吕万宏(1988- )，男，助理工程师； 孙宏莉(1982- )，女，工程师； 周 阳(1985- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)17-0227-03

TV131.63

A

★：2014年水利部科技推广计划项目资助，项目名称：钻孔压水试验综合测试仪推广应用(项目编号：TG1423)