鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀及其在古賢水利樞紐工程中的試驗(yàn)應(yīng)用

張成志,尹 丹,郭 明

(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)

鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀及其在古賢水利樞紐工程中的試驗(yàn)應(yīng)用

張成志,尹 丹,郭 明

(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)

工程地質(zhì)勘察中進(jìn)行干深孔的常規(guī)性壓水試驗(yàn)是長(zhǎng)期困擾水利水電鉆孔壓水試驗(yàn)的技術(shù)難題,為解決該問(wèn)題,自行研制了鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀,并在古賢水利樞紐工程中進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用,取得了很好的效果。結(jié)合工程實(shí)踐,綜合分析了鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀在古賢水利樞紐中的試驗(yàn)應(yīng)用情況。

干深孔;壓水試驗(yàn)測(cè)試儀;原位滲透試驗(yàn);古賢水利樞紐

鉆孔壓水試驗(yàn)是工程地質(zhì)勘察中最常用的原位滲透試驗(yàn)之一,其主要目的是測(cè)定巖體的透水性,為巖體滲透特性的評(píng)價(jià)提供基本資料。目前在國(guó)內(nèi)水利水電鉆孔壓水試驗(yàn)方法中,流量數(shù)據(jù)觀測(cè)采用流量表,壓力數(shù)據(jù)觀測(cè)采用壓力表。流量表和壓力表均布置在孔外,試驗(yàn)壓力的得出需綜合考慮多方面因素并經(jīng)過(guò)繁瑣的計(jì)算,且在各個(gè)操作環(huán)節(jié)中人工誤差和設(shè)備誤差較為明顯,得出的數(shù)據(jù)不夠精確。特別是在干深孔中,只能通過(guò)提升壓力階段來(lái)完成壓水試驗(yàn)。而根據(jù)壓水規(guī)范的規(guī)定可知,三級(jí)壓力的值宜分別為0.3、0.6和1.0 MPa。壓力過(guò)高容易產(chǎn)生地層抬動(dòng),不能準(zhǔn)確的反應(yīng)地層的實(shí)際滲透情況。而雙管循環(huán)法不用考慮壓力損失問(wèn)題,可以完成干深孔三級(jí)壓力5個(gè)階段的壓水試驗(yàn),但是需要下兩套管子,對(duì)小口徑金剛石鉆孔不適用,且操作過(guò)程復(fù)雜費(fèi)時(shí),鉆孔較深時(shí)尤其如此。

鑒于此,我院自行研制了鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀,并在古賢水利樞紐工程項(xiàng)目建議書(shū)階段的地質(zhì)勘察工作中試驗(yàn)應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程概述

黃河古賢水利樞紐工程位于黃河北干流的晉、陜峽谷下段南部,左岸為山西省吉縣文城鄉(xiāng)古賢村,右岸為陜西省宜川縣閣樓鄉(xiāng)南莊村。距離舉世聞名的黃河壺口瀑布上游約10 km。該水利樞紐電站規(guī)劃裝機(jī)256萬(wàn)kW,具有防洪、減淤、供水、發(fā)電、調(diào)水、灌溉等綜合效益。該工程的建設(shè)不僅對(duì)晉陜兩省發(fā)展引水灌溉、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義,而且對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用,支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有極其深遠(yuǎn)的影響。

1.2 工程地質(zhì)條件

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(jí)階地,順河帶狀分布,寬度20～30 m。兩岸谷坡不對(duì)稱,高程625 m以上為黃土覆蓋,以下基巖裸露。

根據(jù)已獲得的地質(zhì)資料,古賢水利樞紐工程地質(zhì)情況比較復(fù)雜,勘探任務(wù)書(shū)中的壩肩壓水試驗(yàn)孔絕大部分為干深孔,在保證壓水試驗(yàn)成果質(zhì)量的前提下如何進(jìn)行正常的“五點(diǎn)法”壓水試驗(yàn),是需要解決的問(wèn)題。

1.3 技術(shù)要求

古賢水利樞紐工程的項(xiàng)目建議書(shū)階段地質(zhì)勘察任務(wù)書(shū)規(guī)定,鉆孔終孔孔徑不小于75 mm,壓水試驗(yàn)按三級(jí)壓力、5個(gè)階段進(jìn)行。定出了P3,其余兩級(jí)壓力(P1、P2)應(yīng)分別為1/3P3、2/3P3。三級(jí)壓力值宜分別為0.3、0.6和1.0 MPa。

2 鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀

2.1 鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)原理

鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀嚴(yán)格按照《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 31-2003)研制,為全漢化菜單操作,具有標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、回零、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、P-Q曲線繪制、數(shù)據(jù)處理、輸出等功能。它主要包括:數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、流量傳感系統(tǒng)、壓力傳感系統(tǒng)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(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng),然后在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)算并以數(shù)字形式顯示到操作界面。整體結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1、圖2所示。

圖1 鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 工作原理示意圖

2.2 鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀的操作方法

地面管路及信號(hào)傳輸通道按要求連接完畢后,選擇塞位安裝栓塞,壓力傳感探頭從鉆桿內(nèi)管下至試段內(nèi)(注:由于壓力傳感器直徑稍大,不能完全下至試段中,只能下至栓塞上部位置),安裝孔口密封器,整套壓水試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)則連接完畢。

儀器的使用操作步驟可概述如下:

儀器設(shè)備準(zhǔn)備及檢查→試驗(yàn)管路連接→試驗(yàn)儀器連接→地下水位測(cè)量→壓力置零→開(kāi)泵試壓、管路檢查→五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)→試驗(yàn)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 工程應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)概況

2008年底,我院承擔(dān)了古賢水利樞紐項(xiàng)目建議書(shū)階段的勘探工作,其中有不少壓水試驗(yàn)孔。根據(jù)前期勘測(cè)資料分析,此次壓水試驗(yàn)鉆孔大多為干深孔。

在此次勘探工作中,由于該儀器尚處于試驗(yàn)階段,因此試驗(yàn)過(guò)程采用常規(guī)方法與壓水測(cè)試儀器同時(shí)工作的方式,即把2套測(cè)量?jī)x器的地面管路系統(tǒng)串聯(lián)起來(lái)。同時(shí)記錄常規(guī)儀器和鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀的測(cè)量數(shù)據(jù),并把2組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

儀器首先在右岸壩肩孔壓水試驗(yàn)中使用。在開(kāi)始階段,試驗(yàn)過(guò)程中硬件、軟件都出現(xiàn)了一些問(wèn)題,如硬件的牢固性不夠,采集到的流量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,軟件的人性化操作需完善等。技術(shù)研發(fā)人員及時(shí)跟進(jìn),對(duì)相應(yīng)問(wèn)題做了改進(jìn)。到了勘探工作的中期,該儀器的各項(xiàng)功能得到基本完善,機(jī)組操作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)后均可熟練的掌握整套儀器的操作方法和日常維護(hù)事項(xiàng)。

該儀器的數(shù)據(jù)采集程序操作界面如圖3所示,壓力和流量窗口顯示均為瞬時(shí)值,由現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)調(diào)節(jié)地面管路系統(tǒng)中的進(jìn)水、回水閥門進(jìn)行控制,界面左側(cè)的數(shù)據(jù)欄為采集到的壓力、流量值。在數(shù)據(jù)滿足該階段的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后,操作人員再通過(guò)調(diào)節(jié)閥門控制流量進(jìn)入下個(gè)試驗(yàn)階段,最終按要求完成該試段壓水試驗(yàn)。

圖3 鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀電腦操作界面

3.2 效果分析

通過(guò)3個(gè)多月的試驗(yàn)應(yīng)用,鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀表顯出了良好的性能,很好地完成了古賢水利樞紐工程項(xiàng)目建議書(shū)階段的壓水試驗(yàn)工作。

(1)壓力傳感系統(tǒng)性能穩(wěn)定,且可測(cè)量地下水位。

《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 31-2003)規(guī)定,下栓塞前應(yīng)首先觀測(cè)1次孔內(nèi)水位,試段隔離后,再觀測(cè)工作管內(nèi)水位。水位觀測(cè)應(yīng)每隔5 min進(jìn)行1次,當(dāng)水位下降速度連續(xù)2次均小于5 cm/min時(shí),觀測(cè)工作方可結(jié)束。

地下水位觀測(cè)的常規(guī)方法是采用測(cè)繩結(jié)合萬(wàn)用表來(lái)測(cè)定,人為因素對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響很大,誤差在所難免且相對(duì)誤差常常較大。利用鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀測(cè)量地下水位是在地面管路系統(tǒng)連接好后,壓力傳感端頭下入孔內(nèi)并固定安裝,通過(guò)壓力傳感器測(cè)出凈水頭壓力,壓力值即時(shí)反應(yīng)到系統(tǒng)操作界面,利用簡(jiǎn)單的水柱壓力計(jì)算公式可反推計(jì)算出地下水位。該方法相較于傳統(tǒng)的測(cè)繩更方便準(zhǔn)確,“所見(jiàn)即所得”的操作界面方式使得操作人員能夠更直觀地了解地下水位的變化過(guò)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(yàn)者對(duì)于真實(shí)水位主觀性判定帶來(lái)的誤差。水位測(cè)量結(jié)束后,相較于常規(guī)觀測(cè),無(wú)需進(jìn)行測(cè)繩提取、長(zhǎng)度測(cè)量等輔助工作,可直接進(jìn)行下一步的壓水試驗(yàn),在一定程度上提高了工作效率。

(2)壓力數(shù)據(jù)的采集過(guò)程簡(jiǎn)潔明了,無(wú)需考慮管路壓力損失和水柱壓力的影響。

常規(guī)壓水試驗(yàn)中,為了保證壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性,試段壓力值應(yīng)綜合考慮壓力計(jì)指示壓力,水柱壓力以及管路壓力損失。水柱壓力要通過(guò)計(jì)算壓力計(jì)中心至壓力計(jì)算零線的垂直距離來(lái)獲得。管路壓力損失要綜合考慮管路長(zhǎng)度、接頭個(gè)數(shù)和瞬時(shí)流量等因素的影響,計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜且存在一定的誤差。

鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀壓力采集系統(tǒng)的傳感探頭置放在試段中間,首先通過(guò)壓力傳感器置零操作消除了地下水位對(duì)試段產(chǎn)生的水柱壓力影響,試驗(yàn)進(jìn)行中傳感探頭反映到操作界面上的瞬時(shí)壓力示值即為試段所承受的真實(shí)壓力,無(wú)需再考慮水柱壓力和管路壓力損失的影響,免去了繁復(fù)的計(jì)算,不僅保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,也提高了工作效率。

(3)流量傳感系統(tǒng)工作效果良好,相對(duì)誤差小。

通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)論證,鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀的流量傳感系統(tǒng)性能穩(wěn)定,采集到的流量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

表1為現(xiàn)場(chǎng)采集到的古賢工區(qū)某鉆孔壓水試驗(yàn)的流量對(duì)比資料。相應(yīng)對(duì)比數(shù)據(jù)均為每一壓力階段下5個(gè)流量數(shù)據(jù)中的最終值。

試驗(yàn)人員在古賢工區(qū)共采集了13個(gè)試驗(yàn)孔計(jì)237段的壓水試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)權(quán)威部門檢定,儀器采集的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差較小,滿足試驗(yàn)要求。圖4為現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

表1 壓水試驗(yàn)流量數(shù)據(jù)比對(duì)表/(L·min-1)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)采集對(duì)比數(shù)據(jù)

(4)數(shù)據(jù)記錄反映真實(shí),自動(dòng)完成數(shù)據(jù)分析與輸出,數(shù)據(jù)保存便利。

鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀的數(shù)據(jù)均采用傳感技術(shù)自動(dòng)采集、識(shí)別,采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)傳輸通道直接進(jìn)入操作電腦的程序面板進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)精度高,且避免了人工讀取數(shù)據(jù)過(guò)程中的不及時(shí)、不精確、不均勻及隨意性等缺陷,從而對(duì)地層情況的反映更真實(shí)、更可靠。

數(shù)據(jù)采集程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過(guò)處理后,可直接將記錄的數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成的曲線通過(guò)普通打印機(jī)進(jìn)行打印輸出,而無(wú)需人工填表、繪制曲線,從而可直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,減省了對(duì)每個(gè)孔段的數(shù)據(jù)計(jì)算和曲線繪制,大大提高了工作效率。圖5、6為電腦自動(dòng)生成的古賢工區(qū)某一試段壓水試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)和曲線。

圖5 儀器自動(dòng)生成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

圖6 儀器自動(dòng)生成的P-Q曲線

鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀在古賢水利樞紐壩肩壓水試驗(yàn)孔的應(yīng)用過(guò)程中,自身性能得到了很好的檢驗(yàn),同時(shí)也通過(guò)不斷的改進(jìn)與完善,數(shù)據(jù)采集更趨穩(wěn)定,操作界面的人性化設(shè)計(jì)也得到很好的提高,并考慮到外業(yè)施工環(huán)境的制約,設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)上更密閉牢固。鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀符合壓水試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定,很好的完成了古賢水利樞紐項(xiàng)目建議書(shū)階段的地質(zhì)勘察工作,解決了“干深孔壓水試驗(yàn)三級(jí)壓力五個(gè)階段壓力量測(cè)”的技術(shù)難題。

4 結(jié)論

鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀可以在干深孔中,不需提高壓力而進(jìn)行常規(guī)性壓水試驗(yàn),測(cè)定的數(shù)據(jù)精確、可靠。其結(jié)構(gòu)輕巧、攜帶方便,能夠適應(yīng)野外惡劣的工作環(huán)境,且功能齊全,操作簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定,不用考慮管路壓力損失及水柱壓力對(duì)真實(shí)結(jié)果的影響,免去了繁瑣的計(jì)算與甄別。此外還可方便準(zhǔn)確地測(cè)量孔內(nèi)地下水位。通過(guò)此次試驗(yàn)應(yīng)用,證明該儀器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確便捷,相比于人工讀數(shù)的誤差大大減小,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了工作效率。

鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀能夠很好的應(yīng)用于各種地層情形中的鉆孔壓水試驗(yàn),在鉆孔壓水試驗(yàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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

[2] 彭程,錢鋼糧.21世紀(jì)水電發(fā)展前景展望[J].水力發(fā)電,2006, (2).

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

[4] 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,(1).

[5] 趙玉剛,邱東.傳感器基礎(chǔ)[M].北京:北京大學(xué)出版社、中國(guó)林業(yè)出版社,2006.

Exper imental Application of Borehole Water Pressure Test Instrument in Guxian Hydro-junction Project

ZHANG Cheng-zhi,YIN Dan,GUO Ming(Geological Survey Institute of Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471002,China)

Conventionalwater pressure test in dry deep hole of engineering geological investigation has been a technical problem in water pressure test forwater conservancy and hydropower borehole.To solve the problem,borehole water pres-sure test instrumentwas developed and exper imentally applied in Guxian hydro-junction projectwith good results.Based on the engineering practice,the papermade the comprehensive analysis on the application situation.

dry deep hole;water pressure test instrument;in-situ permeability test;Guxian hydro-junction

TU41

A

1672-7428(2010)12-0032-04

2010-05-05;

2010-10-19

張成志(1982-),男(漢族),安徽淮北人,黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司地質(zhì)勘探院助理工程師,勘查技術(shù)與工程專業(yè),從事水利水電工程勘察工作,河南省洛陽(yáng)市啟明西路34號(hào),fengyun52@163.com。