鉆孔抽水試驗中觀測自動化的實現和應用

韓鵬偉，吳胤龍，徐興偉

鉆孔抽水試驗中觀測自動化的實現和應用

韓鵬偉1，吳胤龍1，徐興偉2

（1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，昆明 650051；2.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，長沙 410000）

結合鉆孔抽水試驗實踐，分析研究當前鉆孔抽水試驗觀測過程中相關的規范規程要求和遇到的困難。為了解決試驗困難和提高試驗質量，本文利用新的傳感器技術對鉆孔抽水試驗進行改革和創新，提出了鉆孔抽水試驗觀測自動化的實現方法，分析對比觀測自動化的先進性，并展示工程應用實例。

鉆孔抽水試驗；觀測自動化；非穩定流抽水試驗；投入式液位計；電磁流量計

鉆孔抽水試驗是水文地質勘察中獲得場地水文地質參數的主要試驗。抽水試驗觀測設備簡陋、觀測持續時間長，配備試驗人員多，現場操作困難，限制了試驗廣泛使用。本文即結合自身的積累和創新，闡述自動化新技術在鉆孔抽水試驗中的應用。

1 鉆孔抽水試驗的主要工作內容

1.1 鉆孔抽水試驗的相關規范規程

（1）《水文地質手冊（第二版）》（中國地質調查局，2012）第十一章對抽水試驗進行詳細論述。

（2）《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/ T1091-2008）（國家安全生產監督管理總局，2010）第5.8節對抽水試驗做了詳細要求;包括原《煤炭資源地質勘探抽水試驗規程》、《煤炭資源地質勘探地表水、地下水長期觀測及水樣采取規程》、《煤炭資源地質勘探鉆孔簡易水文地質觀測規程》相關規范中抽水試驗要求。

（3）《水電工程鉆孔抽水試驗規程》（NB/T 35103-2017）（國家能源局，2018）。

（4）《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》（SL 320-2005）（中華人民共和國水利部，2005）。

（5）《抽水試驗規程》（YS 5215-2000）（中國有色金屬工業協會，2000）有色冶金工業部門正在修編中。

（6）《供水水文地質勘察規范》（GB 50027-2001）（中華人民共和國建設部，2001）第6章對抽水試驗做了詳細要求。

（7）《鐵路工程水文地質勘察規程》(TB 10049-2014)（國家鐵路局，2015）第3.5節對抽水試驗做了詳細要求。

1.2 鉆孔抽水試驗的主要工作內容

綜合上述規范規程，抽水試驗工作包括：①抽水試驗設計階段，②成孔成井施工階段，③設備安裝和抽水觀測階段，④試驗資料處理階段。

第③階段是試驗操作重要工作，根據上述規范規程要求：觀測持續時間一般較長；有時間間隔和精度要求，非穩定流抽水試驗觀測頻率和精度要求嚴格；各觀測項需同步。在《抽水試驗規程》（YS 5215-2000）（中國有色金屬工業協會，2000）中規程要求：

第4.1.2條，穩定流試驗宜作三次落程。每次落程的穩定延續時間，應符合下列要求：

（1）卵石、礫石、粗砂含水層，三次下降(由小到大)的穩定延續時間為4 h、4 h、8 h；

（2）中砂、細砂、粉砂含水層，穩定延續時間為8 h、8 h、16 h；

（3）裂隙和巖溶含水層，穩定延續時間為16 h、16 h、24 h；

（4）多孔抽水試驗要求最遠的觀測孔的動水位達到上述同類型的穩定延續時間。

第4.1.5條，非穩定流抽水試驗，其出水量應保持常量，其允許波動率應為≤3%。動水位觀測，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進行，以后每隔30 min觀測一次，觀測孔的水位觀測應與抽水孔觀測同時進行（中國有色金屬工業協會，2000）。

2 當前試驗觀測過程中遇到的困難

遇到主要困難如下：

（1）動水位觀測的準確性

目前，動水位測量采用常規簡易自制電測水位計（觸水電極+測繩（或帶刻度導線）＋小指示燈（或小喇叭、萬用表等））、測鐘等簡易水位測量設備。靈敏和準確性受井壁滴水、井內潮濕易出現短路、測試失靈或誤判，在動水位埋深較大時，觀測難度更大。

（2）動水位觀測的頻率控制

試驗孔動水位在開泵后一般下降很快，常規測繩、導線簡易水位計難于同步，難嚴格地按要求時間間隔測得水位，對非穩定流抽水試驗影響明顯。

（3）流量觀測的準確度和頻率

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

（4）動水位和流量觀測的同步性

采用常規設備，動水位觀測間隔和頻次控制難度大，易出現水位和流量觀測不同步。群井抽水試驗，觀測井和抽水井距離較遠，做到準時同步困難更多。

（5）試驗人員配備多

三人需長時間持續不間斷觀測。

3 鉆孔抽水試驗觀測方法探索

3.1 動水位觀測自動化儀器

動水位觀測采用壓力傳感器、光敏測距技術等，如：大口徑試驗井、動水位較淺時，可采用超聲波式水位計或浮子式水位計。對于常規水文地質試驗孔、孔徑小、試驗深度大，建議選擇投入式液位計（水位探頭直徑約3cm，長15cm，置于泵體以下或以上，線纜直徑0.6cm），動水位觀測精度可達厘米級；數據采集觀測頻率可達1秒1次。

3.2 流量觀測的自動化儀器

成熟穩定流量計有：差壓式流量計、轉子流量計、節流式流量計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計、渦輪流量計和渦街流量計等。

對采用深井潛水泵抽水，建議選用常規電磁流量計，觀測精度可達±(0.5%～±1%)R，觀測頻率可達1秒1次。

3.3 抽水試驗觀測記錄的自動化儀器

采用新型動水位和流量觀測儀表匹配無紙記錄儀;實現抽水試驗觀測自動記錄。特別在大型多孔抽水試驗、群井抽水試驗、開采性抽水試驗中，可以采取多路觀測設備集成組成控制系統，實現多井多路同步觀測和記錄，實現自動觀測記錄。

圖1 自動觀測系統組裝框圖

4 抽水試驗觀測自動化的實踐和應用

4.1 抽水試驗觀測自動化的設備組裝

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

水泵出水管口接入電磁流量計，完成流量觀測線路連接。為保證觀測的同步性，各記錄儀應統一設置相同時間，實現異地多路觀測同步。

可進一步利用電腦編程（張林，2010）和控制技術，開發研究數據自動處理系統和試驗監控系統。

4.2 抽水試驗觀測自動化的應用

應用上述設備，作者通過多次抽水試驗。試驗觀測數據可靠性、精準度、頻率、同步性均大幅提高，試驗曲線更準確、更連續（圖2），試驗質量明顯提高，主要表現有：

（1）采用液位傳感器實測壓力反算水位高度，對水壓變化靈敏，觀測準確、無人為因素影響，動水位觀測數據可靠。

圖2 某試驗自動化觀測獲得的s-t 和Q-t曲線

（2）投入式液位計動水位觀測精度可達厘米級，高于常規皮尺、測繩等觀測精度。

（3）觀測頻率可達每秒一次，試驗曲線連續（圖2），特別適用于非穩定流抽水試驗配線法的擬合比配（寇正中等，2019）。

（4）試驗各項觀測同步性可精確到秒級。

5 結論

改善常規鉆孔抽水試驗觀測狀況。可采用投入式液位計、電磁流量計、記錄儀組裝對常規鉆孔抽水試驗，實現鉆孔抽水試驗現場自動觀測記錄，提高試驗質量，供同行參考。

中國地質調查局．2012．水文地質手冊（第二版）[M]．北京：地質出版社，445-460．

國家安全生產監督管理總局．2010．煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準(MT/T1091-2008)[S]．北京：煤炭工業出版社，10-12．

國家能源局．2018．水電工程鉆孔抽水試驗規程(NB/T35103-2017)[S]．北京：中國電力出版社，1-20．

中華人民共和國水利部．2005．水利水電工程鉆孔抽水試驗規程(SL320-2005)[S]．北京：中國水利水電出版社，1-20．

中國有色金屬工業協會．2000．抽水試驗規程(YS5215-2000)[S]．北京：中國計劃出版社，283-330．

中華人民共和國建設部．2001．供水水文地質勘察規范(GB50027-2001)[S]．北京：中國計劃出版社，1-47

國家鐵路局．2015．鐵路工程水文地質勘察規程(TB10049-2014)[S]．北京：中國鐵道出版社，17-23．

張林．2010．Excel在穩定流抽水試驗中的應用[J]．四川地質學報，30(1)：104-107．

寇正中，張生祥，丁浩江，陳鵬，蔣全，劉光宇．2019．敘畢鐵路斑竹林隧道水文地質條件分析及涌水量預測[J]．四川地質學報，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，高級工程師，主要從事巖土工程、水文地質調查相關工作