韓鵬偉，吳胤龍，徐興偉

鉆孔抽水試驗(yàn)中觀測(cè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

韓鵬偉1，吳胤龍1，徐興偉2

（1.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；2.中國(guó)有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

結(jié)合鉆孔抽水試驗(yàn)實(shí)踐，分析研究當(dāng)前鉆孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)過程中相關(guān)的規(guī)范規(guī)程要求和遇到的困難。為了解決試驗(yàn)困難和提高試驗(yàn)質(zhì)量，本文利用新的傳感器技術(shù)對(duì)鉆孔抽水試驗(yàn)進(jìn)行改革和創(chuàng)新，提出了鉆孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)方法，分析對(duì)比觀測(cè)自動(dòng)化的先進(jìn)性，并展示工程應(yīng)用實(shí)例。

鉆孔抽水試驗(yàn)；觀測(cè)自動(dòng)化；非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)；投入式液位計(jì)；電磁流量計(jì)

鉆孔抽水試驗(yàn)是水文地質(zhì)勘察中獲得場(chǎng)地水文地質(zhì)參數(shù)的主要試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)觀測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)陋、觀測(cè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，配備試驗(yàn)人員多，現(xiàn)場(chǎng)操作困難，限制了試驗(yàn)廣泛使用。本文即結(jié)合自身的積累和創(chuàng)新，闡述自動(dòng)化新技術(shù)在鉆孔抽水試驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 鉆孔抽水試驗(yàn)的主要工作內(nèi)容

1.1 鉆孔抽水試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范規(guī)程

（1）《水文地質(zhì)手冊(cè)（第二版）》（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，2012）第十一章對(duì)抽水試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)論述。

（2）《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/ T1091-2008）（國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2010）第5.8節(jié)對(duì)抽水試驗(yàn)做了詳細(xì)要求;包括原《煤炭資源地質(zhì)勘探抽水試驗(yàn)規(guī)程》、《煤炭資源地質(zhì)勘探地表水、地下水長(zhǎng)期觀測(cè)及水樣采取規(guī)程》、《煤炭資源地質(zhì)勘探鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)規(guī)程》相關(guān)規(guī)范中抽水試驗(yàn)要求。

（3）《水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（NB/T 35103-2017）（國(guó)家能源局，2018）。

（4）《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 320-2005）（中華人民共和國(guó)水利部，2005）。

（5）《抽水試驗(yàn)規(guī)程》（YS 5215-2000）（中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)，2000）有色冶金工業(yè)部門正在修編中。

（6）《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50027-2001）（中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2001）第6章對(duì)抽水試驗(yàn)做了詳細(xì)要求。

（7）《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB 10049-2014)（國(guó)家鐵路局，2015）第3.5節(jié)對(duì)抽水試驗(yàn)做了詳細(xì)要求。

1.2 鉆孔抽水試驗(yàn)的主要工作內(nèi)容

綜合上述規(guī)范規(guī)程，抽水試驗(yàn)工作包括：①抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，②成孔成井施工階段，③設(shè)備安裝和抽水觀測(cè)階段，④試驗(yàn)資料處理階段。

第③階段是試驗(yàn)操作重要工作，根據(jù)上述規(guī)范規(guī)程要求：觀測(cè)持續(xù)時(shí)間一般較長(zhǎng)；有時(shí)間間隔和精度要求，非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)觀測(cè)頻率和精度要求嚴(yán)格；各觀測(cè)項(xiàng)需同步。在《抽水試驗(yàn)規(guī)程》（YS 5215-2000）（中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)，2000）中規(guī)程要求：

第4.1.2條，穩(wěn)定流試驗(yàn)宜作三次落程。每次落程的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間，應(yīng)符合下列要求：

（1）卵石、礫石、粗砂含水層，三次下降(由小到大)的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間為4 h、4 h、8 h；

（2）中砂、細(xì)砂、粉砂含水層，穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間為8 h、8 h、16 h；

（3）裂隙和巖溶含水層，穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間為16 h、16 h、24 h；

（4）多孔抽水試驗(yàn)要求最遠(yuǎn)的觀測(cè)孔的動(dòng)水位達(dá)到上述同類型的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間。

第4.1.5條，非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，其出水量應(yīng)保持常量，其允許波動(dòng)率應(yīng)為≤3%。動(dòng)水位觀測(cè)，宜按抽水開始后1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min進(jìn)行，以后每隔30 min觀測(cè)一次，觀測(cè)孔的水位觀測(cè)應(yīng)與抽水孔觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行（中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)，2000）。

2 當(dāng)前試驗(yàn)觀測(cè)過程中遇到的困難

遇到主要困難如下：

（1）動(dòng)水位觀測(cè)的準(zhǔn)確性

目前，動(dòng)水位測(cè)量采用常規(guī)簡(jiǎn)易自制電測(cè)水位計(jì)（觸水電極+測(cè)繩（或帶刻度導(dǎo)線）＋小指示燈（或小喇叭、萬用表等））、測(cè)鐘等簡(jiǎn)易水位測(cè)量設(shè)備。靈敏和準(zhǔn)確性受井壁滴水、井內(nèi)潮濕易出現(xiàn)短路、測(cè)試失靈或誤判，在動(dòng)水位埋深較大時(shí)，觀測(cè)難度更大。

（2）動(dòng)水位觀測(cè)的頻率控制

試驗(yàn)孔動(dòng)水位在開泵后一般下降很快，常規(guī)測(cè)繩、導(dǎo)線簡(jiǎn)易水位計(jì)難于同步，難嚴(yán)格地按要求時(shí)間間隔測(cè)得水位，對(duì)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)影響明顯。

（3）流量觀測(cè)的準(zhǔn)確度和頻率

采用堰流法、容積法或水表等測(cè)得流量誤差一般較大，讀數(shù)受試驗(yàn)人員熟練程度影響。

（4）動(dòng)水位和流量觀測(cè)的同步性

采用常規(guī)設(shè)備，動(dòng)水位觀測(cè)間隔和頻次控制難度大，易出現(xiàn)水位和流量觀測(cè)不同步。群井抽水試驗(yàn)，觀測(cè)井和抽水井距離較遠(yuǎn)，做到準(zhǔn)時(shí)同步困難更多。

（5）試驗(yàn)人員配備多

三人需長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不間斷觀測(cè)。

3 鉆孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)方法探索

3.1 動(dòng)水位觀測(cè)自動(dòng)化儀器

動(dòng)水位觀測(cè)采用壓力傳感器、光敏測(cè)距技術(shù)等，如：大口徑試驗(yàn)井、動(dòng)水位較淺時(shí)，可采用超聲波式水位計(jì)或浮子式水位計(jì)。對(duì)于常規(guī)水文地質(zhì)試驗(yàn)孔、孔徑小、試驗(yàn)深度大，建議選擇投入式液位計(jì)（水位探頭直徑約3cm，長(zhǎng)15cm，置于泵體以下或以上，線纜直徑0.6cm），動(dòng)水位觀測(cè)精度可達(dá)厘米級(jí)；數(shù)據(jù)采集觀測(cè)頻率可達(dá)1秒1次。

3.2 流量觀測(cè)的自動(dòng)化儀器

成熟穩(wěn)定流量計(jì)有：差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、細(xì)縫流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)等。

對(duì)采用深井潛水泵抽水，建議選用常規(guī)電磁流量計(jì)，觀測(cè)精度可達(dá)±(0.5%～±1%)R，觀測(cè)頻率可達(dá)1秒1次。

3.3 抽水試驗(yàn)觀測(cè)記錄的自動(dòng)化儀器

采用新型動(dòng)水位和流量觀測(cè)儀表匹配無紙記錄儀;實(shí)現(xiàn)抽水試驗(yàn)觀測(cè)自動(dòng)記錄。特別在大型多孔抽水試驗(yàn)、群井抽水試驗(yàn)、開采性抽水試驗(yàn)中，可以采取多路觀測(cè)設(shè)備集成組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多井多路同步觀測(cè)和記錄，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)記錄。

圖1 自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)組裝框圖

4 抽水試驗(yàn)觀測(cè)自動(dòng)化的實(shí)踐和應(yīng)用

4.1 抽水試驗(yàn)觀測(cè)自動(dòng)化的設(shè)備組裝

抽水試驗(yàn)觀測(cè)自動(dòng)化設(shè)備組裝框圖（圖1），抽水井內(nèi)隨泵下置投入式液位計(jì)探頭，探頭宜低于水泵底2m以下，隨安裝泵管固定好液位計(jì)線纜，井口固定好液位計(jì)線纜，保持探頭在試驗(yàn)中處于水下固定深度，線纜接入記錄儀供電和輸入端，完成動(dòng)水位觀測(cè)線路連接；

水泵出水管口接入電磁流量計(jì)，完成流量觀測(cè)線路連接。為保證觀測(cè)的同步性，各記錄儀應(yīng)統(tǒng)一設(shè)置相同時(shí)間，實(shí)現(xiàn)異地多路觀測(cè)同步。

可進(jìn)一步利用電腦編程（張林，2010）和控制技術(shù)，開發(fā)研究數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)和試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)。

4.2 抽水試驗(yàn)觀測(cè)自動(dòng)化的應(yīng)用

應(yīng)用上述設(shè)備，作者通過多次抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性、精準(zhǔn)度、頻率、同步性均大幅提高，試驗(yàn)曲線更準(zhǔn)確、更連續(xù)（圖2），試驗(yàn)質(zhì)量明顯提高，主要表現(xiàn)有：

（1）采用液位傳感器實(shí)測(cè)壓力反算水位高度，對(duì)水壓變化靈敏，觀測(cè)準(zhǔn)確、無人為因素影響，動(dòng)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

圖2 某試驗(yàn)自動(dòng)化觀測(cè)獲得的s-t 和Q-t曲線

（2）投入式液位計(jì)動(dòng)水位觀測(cè)精度可達(dá)厘米級(jí)，高于常規(guī)皮尺、測(cè)繩等觀測(cè)精度。

（3）觀測(cè)頻率可達(dá)每秒一次，試驗(yàn)曲線連續(xù)（圖2），特別適用于非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)配線法的擬合比配（寇正中等，2019）。

（4）試驗(yàn)各項(xiàng)觀測(cè)同步性可精確到秒級(jí)。

5 結(jié)論

改善常規(guī)鉆孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)狀況。可采用投入式液位計(jì)、電磁流量計(jì)、記錄儀組裝對(duì)常規(guī)鉆孔抽水試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔抽水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)記錄，提高試驗(yàn)質(zhì)量，供同行參考。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局．2012．水文地質(zhì)手冊(cè)（第二版）[M]．北京：地質(zhì)出版社，445-460．

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國(guó)家能源局．2018．水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程(NB/T35103-2017)[S]．北京：中國(guó)電力出版社，1-20．

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張林．2010．Excel在穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，30(1)：104-107．

寇正中，張生祥，丁浩江，陳鵬，蔣全，劉光宇．2019．?dāng)呰F路斑竹林隧道水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測(cè)[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，39(03)：452-458．

Realization and Application of Automatic Observation in Borehole Pumping Test

HAN Peng-wei1WU Yin-long1XU Xing-wei2

(1-China Non-Ferrous Metal Kunming Survey Design & Research Institute Co. , Ltd., Kunming 650051 ; 2-China Non-Ferrous Metal Changsha Survey Design & Research Institute Co. , Ltd., Changsha 410000)

This study uses new sensor technology for reforming borehole pumping test in order to improve the quality of borehole pumping test. The realization method of automatic observation of borehole pumping test is put forward. The advance of observation automation is demonstrated and its application instance is displayed.

borehole pumping test; observation automation; unsteady flow pumping test; putting-into- type liquid level meter; electromagnetic flowmeter

TU413.9

A

1006-0995（2022）01-0154-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.030

2021-03-09

韓鵬偉（1982— ），男，陜西武功人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程、水文地質(zhì)調(diào)查相關(guān)工作