气压栓塞用于钻孔注水试验方法介绍

气压栓塞用于钻孔注水试验方法介绍

2009年9月14日

张家俭

（安徽省水利水电勘测设计院安徽蚌埠233000）

【摘要】传统的套管止水钻孔注水试验方法，不仅费时、费力，而且试验成果可靠性较差,而采用气压栓塞注水试验不但大大降低了劳动强度、缩短了工作时间，提高了工作效率，而且试验成果可靠，在水利水电工程地质勘察中得到了很好的运用。【关键词】注水试验套管止水气压栓塞阻塞器隔离渗透系数

1 概述

在水利水电大坝、堤防、水库、泵站等诸多工程的地质勘察中，一般均需要提供岩土层的渗透性指标。而钻孔注水试验是获取渗透性指标的常用方法。它主要是通过人工抬高水头，向孔内注入清水，测定岩土体渗透系数的一种原位测试方法。根据地层渗透系数的大小，可以判定岩土体的透水级别，从而为工程的防渗处理方案提供地质依据。钻孔注水试验的成果直接影响对工程岩土体渗透性状况的评价。因此，钻孔注水试验的可靠性是非常重要的。

钻孔注水试验的关键是试段隔离止水，使注水试验段能与周边岩土体有效隔离，成为一个相对独立的水文空间，注水试验的成果与试段隔离止水效果关系很大。

2 传统注水试验方法及存在的不足

传统注水试验一般采用套管止水，主要有两种方法：一种是利用钻孔结构止水，首先用小于套管一、二级的钻具钻进至需要注水试验的位臵，接着选择与套管同径的钻具进行扩孔，扩孔至预定孔深后提出钻具，这时孔内形成了一个台阶，下入配好的套管进行止水后，然后继续钻进至需要注水的试段后，就可以进行注水试验工作。另一种方法是钻孔一直钻至试段位臵，采用在套管底部捆绑其他止水材料（如海带），将试验段隔离，然后进行注水试验。

以上利用套管的两种止水方法辅助工作多，操作复杂，上、下起拔套管劳动强度大，费时又费力，而且隔离效果差，还可能导致止水材料脱落，结果可能导致同一压力下的注水量偏大，造成渗透系数偏大，与实际地层不符，使注水试验成果不能使用。

分析其原因，主要因为止水套管是刚性材料，而当钻孔孔壁稳定性较差时，孔壁产生松动、掉块，阻塞部位孔壁不能成为一个光滑的圆柱面，结果套管与孔壁不能紧密结合，往往使注入试段内的水顺孔壁形成绕渗，以致造成现场渗透试验的计算结果与室内试验和经验值相差较大，成果不能利用，导致返工现象时有发生。

图1 传统注水试验隔离方法示意图

3 气压栓塞钻孔注水试验方法

3.1气压栓塞钻孔注水方法简介

1）气压栓塞注水试验设备的组成

气压栓塞注水试验的设备主要有，气压式栓塞、供气管、供气三通（供气阀，压力表）、钻杆、加水斗等组成(参见示意图：2)。

2）气压栓塞注水试验操作方法

首先钻孔，根据揭露地层情况选定注水试验位臵，然后用清水冲洗孔壁；接着将阻塞器下入到预定的阻塞位臵（栓塞下入前应在地面检查送气管与胶囊和供气阀连接是否牢固，是否有漏气的现象）；下到预定孔深固定好后，开始给栓塞加压，加压时需使阻塞胶囊慢慢膨胀，当加压到预定压力后（可比预定压力稍大一些，以使胶囊与孔壁紧密结合），方可进行注水试验读数工作。实验过程中要观察气压压力表的变化，当压力表压力有所降低时，应在实验过程中适当对栓塞补充压力，以保持栓塞止水效果良好。

注水试验结束后，将连接三通阀的供气管拔下，排出胶囊内的空气后，将栓塞提出。栓塞提出孔内后，要检查保养，妥善保管。

图2 气压式胶囊隔离注水试验示意

3.2气压栓塞注水试验方法性能与优点

1）气压阻塞器性能

由于钻孔注水试验一般采用的试验水头较小，根据这一特点，我们在阻塞器加压方面进行了合理改进，选择了人工加压的方式。地面控制压力的三通阀部件，供气阀采用较为简单的摩托车内胎的气阀，使用较为常用的普通气筒就可以对气压栓塞进行充气加压，简单实用，而且可靠。栓塞的膨胀直径压力可根据钻孔孔径的大小，可在阻塞器下入孔内前，在地面上进行简单充气试验选定，在孔内时胶囊内压力可比地面稍大一点，以使胶囊更好的贴紧孔壁，以使试段隔离止水效果良好。直径75mm气压栓塞适用于孔径75-110mm钻孔，直径91mm气压栓塞适用于孔径

75-130mm钻孔，

2）气压栓塞注水试验方法优点

气压栓塞试段隔离止水效果良好，即使钻孔有部分塌孔掉块的情况，造成钻孔孔壁不光滑，由于止水栓塞为橡胶柔性材料，适用孔壁形状的能力非常强，也能使试段隔离止水效果很好。因此试验成果可靠；气压式栓塞可以根据要求灵活的调整注水试段位臵，在一定范围内可适应不同钻孔孔径以及调整阻塞段长度等优点，避免了由于试段位臵的改变而上、下起拔套管，则节省了大量宝贵的生产时间，大大降低了劳动的强度，提高了工作效率。

3.3 成果的应用

自2007年以来，我院在多个水库、堤防、水闸的工程地质勘察中均采用了气压式栓塞进行钻孔注水试验。注水试验所得的渗透性指标与室内试验以及实际情况较为吻合。采用该方法提高了实验成果的可靠性，为地质勘察提供了可靠的原始资料，满足了设计要求。

2008年10月2009年4月间，我院组织相关技术人员随机对采用气压胶囊隔离方法进行了钻孔注水试验进行统计，并对采用传统套管止水试验方法亦进行了统计，统计结果表明，气压栓塞钻孔注水试验失败仅为9次，失败率为6%；而传统的采用套管止水注水试验失败率一般为14%，极大的降低了注水试验失败率，使现场注水试验返工次数大为降低，得到了外业勘察人员的一致好评，亦得到了单位领导及技术部门专家门的一致肯定。

4结束语

采用气压栓塞止水进行注水试验和利用传统的套管止水进行注水试验的比较结果来看：气压栓塞注水试验隔离止水效果好，所获得的试验成果可靠性高；气压式栓塞可以根据要求灵活的调整注水试段位臵，在一定范围内可适应不同钻孔孔径以及调整阻塞段长度等优点，则节省了大量宝贵的生产时间，大大降低了劳动的强度，提高了工作效率，值得大力推广使用。

目前，气压栓塞注水试验方法在我院的工程地质勘察中已得到了广泛应用，在外业实施过程中已积累了较为丰富的操作经验。该方法获得了2009年全国优秀QC 小组奖。