钻孔压水试验测试仪的研制与应用(郭明,等)

［摘 要］钻孔压水试验是工程地质勘察中最常用的原位渗透试验之一,其主要目的是为评价岩体的渗透特性提供基本资料。目前国内的压水试验大部分都采用压力表、水表人工读数的方法，不仅存在人为读数误差，而且无法解决干深孔的常规压水试验。针对此问题，研制了自动化程度较高的压水试验测试仪。通过软件采集压力传感器和流量传感器的数据，自动绘制P—Q曲线。最后打印输出。

［关键词］压水试验 测试仪 研制 应用

1 引言

目前国内常用的钻孔压水试验方法，流量观测使用流量表，压力观测使用压力表，流量表及压力表均布置在孔口地表面。不能准确反映试段内的压力及透水量（因存在管路压力损失），特别是在干深孔中，无法进行三级压力五个试段的常规压水试验。这是长期困扰水利水电钻孔压水试验的技术难题，解决这个难题对水利水电工程勘察具有极其重大的现实意义。自动测试和记录数据的钻孔压水测试仪研究与开发自20世纪90年代初在国内已经开始，并取得一些成效，在钻孔压水试验的测试和记录方面有所进步，但存在工作性能不稳定等问题，尤其是水下压力传感器密封易失效渗水，在钻场条件下使用极易损坏，基本上无法修配。这些仪器目前已基本不在工程中使用。我院经过6年的研究解决了上述问题、研制出的测试仪已成功试用于水利水电勘察工程中。

2测试仪的研制

2.1 仪器的基本工作原理

测试仪的的基本配置有：液位变送器、流量传感器、数据转换器和计算机。和电缆相连的压力传感器通过钻杆中心孔下入压力试段内，传感器内的应变片和电路将压力的大小转换成电流的大小，通过电缆输送到地表的数据转换器，数据转换器将电流信号放大和数模转换后经USB端口输入计算机。计算机内的专用软件对数据进行采集、记录、计算、绘图和显示。流量传感器在地面和输水管路串联，其工作原理和液位变送器相同。

2.2 硬件的选择和设计

根据现场实际情况和《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL31—2003）进行硬件的选择和设计，具体为：

（1）液位变送器

采用先进的扩散硅溅射薄膜应变片，测量介质为淡水，量测范围：0～6MPa，测量精度：0.01 MPa，供电电源：24V或220V输出方式，外径尺寸： 17.0mm，信号电缆长度：≤600m。由于外径尺寸小，其电缆和传感器接头部分的水密性成为系统能否正常工作的关键。

（2）流量传感器

采用涡轮感应式传感方式，被测介质为淡水，量测范围：10～100L/min，测量精度：0.01L/min，供电电源：24V或220V输出方式，信号电缆长度：≤600m。

（3）计算机性能

最小配置为操作系统：windows 98或更高版本，应用软件：office2000，处理器：Pentium Ⅲ，celeron 600MHz或同等配置，内存：128MB，磁盘空间：64MB。此配置目前的计算机均可以满足。

2.3 软件开发和界面

本仪器的软件为专用软件。运行程序菜单上的“水利水电工程钻孔压水试验测试仪软件”，单击鼠标执行后即可进入程序主界面。

程序主界面中通过标题栏或菜单可以切换显示试验数据、压力——时间曲线、流量——时间曲线、流量——压力曲线，见图2，图3。亦可通过点击菜单“窗口切换”完成四个窗口的自动切换。

在软件设计中，尽量做到简洁明了，并根据现场出现的各种情况设计有外部参数的输入，传感器的校正、回零等，以及绘制实时压力曲线、流量曲线和最终的P—Q曲线，以满足不同情况的需要。最后以word文档打印出最终结果。

2.4 关键技术问题

仪器在开发过程中遇到了很多技术难题，概括起来包括以下几点：

（1）液位变送器和电缆接头的密封问题，此问题是整个系统成败的关键，也是其他开发者一直没有很好解决的难题。通过借鉴国外的海洋探测系统的密封方式，自行调制密封胶结合其他辅助方式密封的变送器在水下250.0m连续浸泡1 000h未出现任何故障。最长无故障使用时间还未测定出来。

（2）电缆破损及连接问题，电缆在使用过程中，在钻杆中反复提拉被磨破或被尖锐物体割破漏水将直接导致电流的巨大变化，从而使输出数据出现严重错误，往往是一根几百米的电缆只要出现一个破损处就必须全部报废。为解决此问题，使用了先进的常温硫化技术。使电缆破损处可以得到有效修复。

（3）流量传感器的测量范围问题，可通过双量程传感器加以解决。

（4）数据的采集频率控制。

（5）室内试验装置的密封设计。

3 工程中的应用效果

该仪器已在我院的工程现场进行了三十多个段次的压水的对比试验。试验效果良好。在使用中无需额外增加设备。每段试验除去下止水栓塞等辅助时间，大约需要45min。下面将以某段压水试验为例进行说明。应用情况见图4、图5。应用效果见图6、图7。

人工试验需专人负责记录水表读数，在流量超过约50L/min时，表针转动很快很难准确读出数据。而使用测试仪时，只需调整好压力，就完全无需人工操作了。

从图1和下表可以看出，人工读数和仪器读数的压力、流量、以及P－Q曲线类型吻合程度较好，可以满足地质资料要求。

4 结语

水利水电钻孔压水试验测试仪可以有效解决压力损失、人为误差以及干深孔的问题。同时降低了劳动强度，提高了试验资料的准确性，实现了压水试验的自动化和信息化，是未来的发展趋势。存在的问题是：①操作系统稍显复杂，工人使用起来有一定的难度；②计算机在工地现场适应性不太好，需采用单片机加以解决。

参考文献

［1］余云虎，高永明.光电工程，2002.12月第29卷增刊.

［2］贺永学.高静压水密插头座的研制.声学与电子工程.1996第3期