适用于工程钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数方法
技术领域
本发明涉及深埋长隧洞工程地质勘察的水文地质试验技术领域,更具体地说它是一种适用于工程钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数方法。更具体地说它是一种工程地质钻孔揭露承压水,分层(段)获取水文地质参数的试验方法及参数计算。
背景技术
我国基础建设不断的完善和发展,一些重大的引调水、铁路公路等线路工程不断的谋划和建设,涌现了大批的深埋长隧洞工程。深埋长隧洞工程地质勘察中,通常会有勘探钻孔揭露多个地下含水层或富水带,出现地下承压水经孔口向外冒出的情况,隧洞穿越这些含水层或断层富水带时可能会出现突涌水灾害,影响工程安全施工,定量开展隧洞涌水量评价和预测是隧洞工程勘察的基本任务之一,含水层(带)渗透性参数是涌水量评价和预测的关键参数,深埋隧洞工程地质勘察阶段往往需要准确获取含水层或富水带渗透性参数。渗透系数一般可以通过抽水、注水、振荡式渗透试验等水文地质试验获取,水文地质试验的本质是通过抽水、注水或压水等方法,建立钻孔出流量、水压力、水位等参数随时间变化关系,计算得到试验段的渗透性参数,但抽水试验一般适用于含水层的渗透性参数获取,局部断层破碎带或富水带渗透性参数抽水试验难以获取;注水、压水和振荡式渗透试验对揭露承压水的工程地质钻孔适用性差,如何利用揭露承压水的工程地质钻孔快速有效获取含水层(带)渗透系数是目前工程实践遇到的难题。
因此,针对钻孔揭露承压水这一特殊水文地质情况,开发一种能同时适用于抽水、注水试验获取渗透系数的方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了克服背景技术的不足之处,而提供一种适用于工程钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数方法,能利用揭露承压水的工程地质钻孔快速有效获取含水层(带)渗透系数(本发明完成一组试验约耗时30分钟左右,比抽水试验效率高),适用性强,既可以适用于抽水式渗透试验获取渗透系数,又可以适用于抽水、注水试验获取渗透系数,操作简便,能够精确获取试验段岩体渗透系数。
为了实现上述目的,本发明的技术方案为:适用于工程钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数方法,其特征在于:采用钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数的系统对承压含水层/带的目标试验段进行分段止水,并测量试验段的水压力和流量,根据承压含水层定降深抽水试验,计算渗透系数K;或记录水位随时间的变化,根据钻孔降水头注水试验计算渗透系数K。
在上述技术方案中,适用于工程钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数方法,具体方法,包括如下步骤,
步骤一:在承压含水层/带的试验孔孔口安装护壁套管;试验过程中下钻、起钻均需由钻机配合完成,测量钻孔原始孔口水压力和流量;
步骤二:根据钻孔岩芯,确定好承压含水层/带的目标试验段;
将上、下两个注水式双塞中间用5m花管连接,花管上透水孔的渗透率应大于含水层/带,注水式双塞用高压水管连接,形成止水双塞;
步骤三:将安装好的止水双塞放入试验孔内,用直径Φ42mm钻杆连接双塞和花管,用高压水管连接止水上塞;
准备就绪后,用钻机将止水双塞下至承压含水层/带的目标试验段且紧贴钻孔孔壁、分隔试验段,连接高压水管和压水箱,利用压水箱向止水双塞中加水至2.5MPa压力后停止加压,关闭高压水管阀门,观测试验段水文情况;
步骤四:步骤三中采用止水双塞将试验段隔住后,试验段出现两种情况:①试验段出水,地下水通过Φ42mm钻杆从孔口流出;②试验段漏水,Φ42mm钻杆内地下水位下降;
若出现情况①,试验段中地下水从Φ42mm钻杆中出流,在孔口安装压力表、电子流量计;关闭阀门,待水压力稳定后读取试验段的初始水压力P;打开阀门,待流量稳定后测量读取试验段的出流量Q,根据承压含水层定降深抽水试验,计算渗透系数K:
式中,K为试验段的渗透系数,cm/s;Q为试验段出流量,l/s;M为试验长度,m;S为降深,用试验段的初始水压力P换算;r为试验段钻孔半径,cm;R为影响半径,m;
若出现情况②,试验段漏水,Φ42mm钻杆中地下水位下降,将水位自动记录仪放置在试验段稳定水位以下,设置高分辨率地下水自动记录仪采样频率为1-5s/次,记录水位随时间的变化,当试验段水位稳定后,取出水位自动记录仪并通过数据分析程序电脑读取数据,根据水位随时间的变化,根据钻孔降水头注水试验计算渗透系数K;
式中,K为试验段的渗透系数,cm/s;l为试验长度,cm;r1为Φ42mm钻杆内半径,cm;re为试验段钻孔半径,cm;t0、t1、t2为时间,s;H为试验段底部到Φ42mm钻杆中水头,cm;
步骤五:一次试验结束后,打开高压水管阀门,对止水双塞的上、下止水塞进行排水泄压,待上、下止水塞的水压卸载完毕,测量试验孔孔口的水压力和流量,直至试验孔孔口的水压力与原始水压力相比误差在5%以内;
重复步骤一~五,进行承压含水层/带的下一目标试验段试验,测定渗透系数。
在上述技术方案中,钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数的系统包括钻孔分段止水装置,流量、水压力测量装置,地下水位/头高分辨率监测装置以及现场数据采集分析系统;
钻孔分段止水装置位于承压含水层/带的目标试验段;
Φ42mm钻杆和流量、水压力测量装置均与钻孔分段止水装置连接;
地下水位/头高分辨率监测装置位于Φ42mm钻杆内、且位于钻孔分段止水装置上方;
地下水位/头高分辨率监测装置与现场数据采集分析系统连接。
在上述技术方案中,钻孔分段止水装置包括压水箱、压水手柄、压力表、高压水管、止水双塞;
止水双塞包括上注水式双塞和下注水式双塞;上注水式双塞与下注水式双塞之间通过高压水管连接;
高压水管连接在上注水式双塞与下注水式双塞之间;
上注水式双塞通过高压水管与压水箱连接;压水箱上设置压水手柄;高压水管上设置压力表。
在上述技术方案中,花管设置在Φ42mm钻杆下部、且连接在上注水式双塞与下注水式双塞之间;
Φ42mm钻杆上端向上穿过上注水式双塞、伸出钻孔,下端向下穿过下注水式双塞、位于下注水式双塞下方;
Φ42mm钻杆、上注水式双塞、花管和下注水式双塞连接呈一个整体。
在上述技术方案中,流量、水压力测量装置包括球阀、电子流量计和水压力表;
球阀、电子流量计、水压力表均设置在Φ42mm钻杆上、且位于试验孔孔口上方。
在上述技术方案中,地下水位/头高分辨率监测装置包括数据分析程序电脑、水位记录仪读数底座、数据电缆和水位自动记录仪;
数据电缆一端与数据分析程序电脑连接、另一端从Φ42mm钻杆上端伸入目标试验段与水位自动记录仪连接,水位自动记录仪位于止水双塞上方;
水位记录仪读数底座位于数据电缆上、且位于试验孔孔口上方。
在上述技术方案中,钻塔位于试验孔孔口上方、且位于Φ42mm钻杆外周;
卷扬机位于钻塔内、且位于Φ42mm钻杆上端。
本发明具有如下优点:
本发明提供一种适用于工程地质钻孔揭露承压水快速分段获取含水层、断层破碎带或裂隙密集带渗透系数方法,利用本发明设计的试验装置对工程地质钻孔试验段进行分段止水,采用高精度、自动化监测仪获取地下水位(水头)、流量、水压力等参数动态变化数据,结合钻孔及钻杆尺寸参数计算试验段的渗透系数(K)这一关键水文地质参数,为评价含水层或岩体渗透性提供基础。
附图说明
图1本发明中的试验段出水情况下试验装置安装设计图。
图2本发明中的试验段漏水情况下试验装置安装设计图。
图3本发明中的试验段漏水情况下地下水位随时间变化图。
图4为本发明的渗透系数测试结构示意图。
图5为本发明渗透系数测定方法的流程图。
在图4中,l为试验长度,cm;r1为Φ42mm钻杆内半径,cm;re为试验段钻孔半径,cm;t0、t1、t2为时间,s;H为试验段底部到Φ42mm钻杆中水头(在测量时间t0、t1、t2时分别为H0、H1、H2),cm。
图中1-压水箱,2-压水手柄,3-压力表,4-高压水管,5-止水双塞,5.1-上注水式双塞,5.2-下注水式双塞,6-花管,7-试验段,8-Φ42mm钻杆,9-钻孔孔壁,10-球阀,11-电子流量计,12-水压力表,13-钻塔,14-卷扬机,15-数据分析程序电脑,16-水位记录仪读数底座,17-数据电缆,18-水位自动记录仪。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况,但它们并不构成对本发明的限定,仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明提供的一种适用于工程地质钻孔揭露承压水后快速分段获取断层破碎带或裂隙密集带渗透系数方法,利用本发明设计的试验装置对已完成工程地质钻孔试验段进行分段止水,采用高精度、自动化监测仪机理地下水位(水头)、流量、水压力等参数动态变化数据,结合钻孔及钻杆尺寸参数计算试验段的渗透系数(K)这一关键水文地质参数,为评价含水层或岩体渗透性提供基础。本发明同时适用于抽水、注水、振荡式渗透试验获取渗透系数,还能够分段测定承压含水层的渗透系数,钻孔揭露承压水,地下水向外冒出,目前针对这样的情况获取渗透系数的现场试验方法是很少见的(本发明针对于钻孔在揭露承压水后分段获取目标试验段的渗透性参数,目前深埋隧洞中这样的情况比较常见,但现有技术无法获取目标试验段的渗透性参数)。
参阅附图可知:适用于工程钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数方法,采用钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数的系统对承压含水层/带的目标试验段进行分段止水,并测量试验段的水压力和流量,根据承压含水层定降深抽水试验,计算渗透系数K;或记录水位随时间的变化,根据钻孔降水头注水试验计算渗透系数K。
进一步地,适用于工程钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数方法,具体方法,包括如下步骤,
步骤一:在承压含水层/带的试验孔孔口安装护壁套管,防止因水流冲刷而导致孔壁失稳或钻孔坍塌变形,套管长度根据孔壁完整性而定;试验过程中下钻、起钻均需由钻机配合完成,测量钻孔原始孔口水压力和流量;
步骤二:根据钻孔岩芯,确定好承压含水层/带的目标试验段;
将上、下两个注水式双塞中间用5m花管连接(花管一般用5m,也可以根据试验段地质情况调整),花管上透水孔的渗透率要保证大于含水层/带,注水式双塞用高压水管连接,形成止水双塞;
步骤三:将安装好的止水双塞放入试验孔内,用直径Φ42mm钻杆连接双塞和花管,用高压水管连接止水上塞;
准备就绪后,用钻机将止水双塞下至承压含水层/带的目标试验段且紧贴钻孔孔壁9、分隔试验段7,本发明采用止水双塞隔住目标试验段,会出现两种水文地质现象:一种情况为该试验段通过孔口向外冒水,通过封闭试验段获取该段原始水压力,水压力可转换为初始水头,打开试验段使其自由出流,可得到试验段的孔口稳定出流量,这种情况等同于一个降深的稳定流抽水试验,通过水头、流量可以计算出试验段渗透性参数(K);另一种情况为该试验段不是涌水段,止水双塞隔住试验段后钻杆内地下水位下降,情况等同于钻孔降水头注水试验,通过获取水位下降随时间的变化数据,计算出试验段渗透性参数(K);
连接高压水管和压水箱,利用压水箱向止水双塞中加水至2.5MPa压力后停止加压,关闭高压水管阀门,观测试验段水文情况;
步骤四:步骤三中采用止水双塞将试验段隔住后,试验段可能出现两种情况:①试验段出水,地下水通过Φ42mm钻杆从孔口流出;②试验段漏水,Φ42mm钻杆内地下水位下降;
操作后若出现情况①,试验段中地下水从Φ42mm钻杆中出流,在孔口安装压力表、电子流量计等,如图1所示;关闭阀门,待水压力稳定后读取试验段的初始水压力P;打开阀门,待流量稳定后测量读取试验段的出流量Q,根据承压含水层定降深抽水试验,计算渗透系数K:
式中,K为试验段的渗透系数,cm/s;Q为试验段出流量,l/s;M为试验长度,m,一般长度为5m;S为降深,用试验段的初始水压力P换算(1MPa=100m水头);r为试验段钻孔半径,cm;R为影响半径,m;
本发明针对对象是钻孔揭露承压水后的渗透性参数的获取方法,附图1是代表目标试验段向外冒水的情况,测量目标试验段的流量、压力进而来获取渗透性参数;克服了现有技术通过往钻孔内注水,钻孔中地下水的流向不一致的问题;
操作后若出现情况②,试验段漏水,Φ42mm钻杆8中地下水位下降,将水位自动记录仪18放置在试验段稳定水位以下,试验设备安装如图2所示,设置高分辨率地下水自动记录仪采样频率为1-5s/次,记录水位随时间的变化(如图3所示,图3的数据是采用高精度水位自动化监测仪18获取的水位随时间变化的数据,监测水位的精度可达1mm,监测频率可以根据试验段透水率进行目标试验段漏水的快慢进行调整,最高监测频率可以设置为1s采取一次;采用高精度水位自动化监测仪18可以自动记录地下水位的变化,可以获取地下水位随时间的变化曲线,相比于人工定时测量地下水位,水位自动记录仪18获取的数据精度高,有效避免人工测量地下水位带来的误差),当试验段水位稳定后,取出水位自动记录仪并通过数据分析程序电脑15读取数据,根据水位随时间的变化,根据钻孔降水头注水试验计算渗透系数K;
式中,K为试验段的渗透系数,cm/s;l为试验长度,cm,一般长度为5m;r1为Φ42mm钻杆内半径,cm;re为试验段钻孔半径,cm;t0、t1、t2为时间,s;H为试验段底部到Φ42mm钻杆中水头(在测量时间t0、t1、t2时分别为H0、H1、H2),cm;
步骤五:一次试验结束后,打开高压水管阀门,对止水双塞的上、下止水塞进行排水泄压,待上、下止水塞的水压卸载完毕,测量试验孔孔口的水压力和流量,直至试验孔孔口的水压力与原始水压力相比误差在5%以内;
重复步骤一~五,进行承压含水层/带的下一目标试验段试验,测定渗透系数(如图5所示)。
进一步地,钻孔分段测定承压含水层/带渗透系数的系统包括钻孔分段止水装置,流量、水压力测量装置,地下水位/头高分辨率监测装置以及现场数据采集分析系统;
钻孔分段止水装置位于承压含水层/带的目标试验段;
Φ42mm钻杆8和流量、水压力测量装置均与钻孔分段止水装置连接;
地下水位/头高分辨率监测装置位于Φ42mm钻杆8内、且位于钻孔分段止水装置上方;
地下水位/头高分辨率监测装置与现场数据采集分析系统连接;流量、水压力测量装置、地下水位自动化监测装置和现场数据采集系统均是由便携式可拆卸的模块组成,便于现场运输和使用;本发明通过采用止水双塞对试验段进行止水处理,测量试验段水位、流量、水压力的变化,采用高精度高分辨率水位自动记录仪监测试验段地下水位动态变化,能够快速获取试验段岩体渗透系数。
进一步地,钻孔分段止水装置包括压水箱1、压水手柄2、压力表3、高压水管4、止水双塞5;本发明加入了分段止水装置,通过止水双塞,可以将目标试验段上下部分隔住,精确的获取目标试验段的渗透性参数;
止水双塞5包括上注水式双塞5.1和下注水式双塞5.2;上注水式双塞5.1与下注水式双塞5.2之间通过高压水管4连接;
高压水管4连接在上注水式双塞5.1与下注水式双塞5.2之间;
上注水式双塞5.1通过高压水管4与压水箱1连接;压水箱1上设置压水手柄2;高压水管4上设置压力表3;
本发明钻孔分段止水装置通过压水箱1、压水手柄2、压力表3和高压水管4向止水双塞中注水,双塞膨胀、将目标试验段上下隔开,获取双塞中间的试验段的渗透性参数;本发明钻孔分段止水装置的作用是将试验段单独隔开。
进一步地,花管6设置在Φ42mm钻杆8下部、且连接在上注水式双塞5.1与下注水式双塞5.2之间;
Φ42mm钻杆8上端向上穿过上注水式双塞5.1、伸出钻孔,下端向下穿过下注水式双塞5.2、位于下注水式双塞5.2下方;
Φ42mm钻杆8、上注水式双塞5.1、花管6和下注水式双塞5.2依次连接呈一个整体。
当采用分段止水装置隔住目标试验段后,试验段地下水从孔口向外冒水时,采用压力表测量试验段出水稳定水压力、采用电子流量计测量稳定出流量;利用可拆卸流量、水压力测量装置,针对出水试验段水压力差异,预备不同量程和精度的水压力表;针对不同试验段渗透性变化范围大,出流量变化大的特点,设计可调节电子流量计测量满足精度要求的钻孔出流量,适用于测定不同岩性、不同渗透性出水段的地质体测量,此方法基于稳定流抽水试验原理,操作简单适用,可达到快速获取出水段(出水带)渗透系数的效果;
Φ42mm钻杆8自上而下依次穿过上注水式双塞5.1、花管6和下注水式双塞5.2,且向下伸出下注水式双塞5.2;
压水手柄2位于压水箱1上。
进一步地,流量、水压力测量装置包括球阀10、电子流量计11和水压力表12;
球阀10、电子流量计11、水压力表12均设置在Φ42mm钻杆8上、且位于试验孔孔口上方。
更进一步地,地下水位/头高分辨率监测装置包括数据分析程序电脑15、水位记录仪读数底座16、数据电缆17和水位自动记录仪18;
数据电缆17一端与数据分析程序电脑15连接、另一端从Φ42mm钻杆8上端伸入目标试验段与水位自动记录仪18连接,水位自动记录仪18位于止水双塞5上方;
水位记录仪读数底座16位于数据电缆17上、且位于试验孔孔口上方;当采用分段止水装置隔住目标试验段后,试验段地下水从孔口水位下降时,采用高精度高频率水位自动记录仪记录地下水位下降随时间的动态变化,高精度高频率地下水自动记录仪是采用了国际上最先进的高精度的陶瓷压力传感器监测技术,误差范围是±2mm,可自动存储水位、水温数据总组量为10万组次,监测频率可根据试验段裂隙发育程度人为设定,最高监测率为达1秒/次。同时,配备带有刻度的电缆信号传输线,可以实时快速测试并记录水位变化,设计专门的电缆盘便于野外携带、拆装,数据采集器搭配电脑数据分析程序,可以快速处理分析计算测试数据,此方法基于钻孔降水头注水试验原理,能快速获取试验段渗透系数。
更进一步地,钻塔13位于试验孔孔口上方、且位于Φ42mm钻杆8外周;
卷扬机14位于钻塔13内、且位于Φ42mm钻杆8上端;钻塔、卷扬机、Φ42mm钻杆需要由现场钻探人员和设备配合,其余的分段止水装置、流量水压测量装置、地下水位自动监测设备及数据采集分析系统都是由方便拆卸、安装的不同模块组成,便于在野外携带运输。其中水位自动记录仪采用高分辨率压力传感器,对注水实验过程中岩体中地下水位(水头)变化监测精度误差可达±2mm以内,且可以自动存储和传输监测的数据到电脑中;电子流量计和水压表均可实时读取钻孔涌水流量和水压力。数据采集器与分析程序可以将数据采集传输到电脑中进行现场试验数据分析,可快速计算出试验段的渗透系数(K)。
其它未说明的部分均属于现有技术。