CN106437692A - 基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构及方法 - Google Patents

基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构及方法，基它包括钻孔(5)，钻孔(5)穿透上层含水层(1)和相对隔水层(2)到达下层含水层(3)，渗漏通道(4)位于下层含水层(3)中；在钻孔(5)中设有一根钻杆(6)，钻杆(6)为中空管状结构，钻杆(6)内部的具有一个内管水位(8)，钻杆(6)与钻孔(5)的内壁之间的空腔具有一个外管水位(9)。本发明根据钻杆内管水位，绘制地下水渗流场剖面，进而圈定渗漏通道范围。钻孔内管水位直接反映了钻孔下部的地下水位特征，较钻孔综合水位更能准确反映地下空间的局部地下水流动特征，更直接地体现渗漏通道信息。

Description

基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构及方法
技术领域
本发明属于水文地质和工程勘察领域，本发明涉及一种根据地质钻孔钻进过程中观测钻杆内管水位，绘制地下水渗流场剖面，进而圈定渗漏通道范围的方法，特别适用于岩溶地区深部渗漏通道的勘察。
背景技术
地下水渗漏是水库、基坑等的主要问题之一。地下水渗漏问题的解决的关键是找到渗漏通道，现有渗漏通道探测方法有钻探、物探、水文地质分析和水文地质试验等方法。
渗漏在渗流场中会有直接反映，水库或基坑地下水渗流场可以通过水文地质单元的宏观判断确定大的流动趋势，如果查明了研究区域的水文地质参数，包括水文地质结构、水位和渗透系数，可以通过水文地质模型对应的公式或者采用数值方法求取水头、流速和水量等信息。也可以通过现场试验，实测水位、流速和流量等，一般来说，实测的位置主要在地下水出露点，比如泉水、渗漏水出口或者岩溶天窗等，在地质勘察中，当钻孔进入地下水位以下，可以观测地下水位。现有钻孔地下水位观测一般是测量钻孔终孔稳定水位或者钻孔钻进过程中的综合水位。地下不同位置、不同高程的地下水水头是不同的，由于地质体内分层水位和水头变化的作用，钻孔钻进过程中，孔内水体存在垂向流和水平流，即孔内水体将发生混合，水位将逐渐均衡，钻孔综合水位不能反映地下某个深度的实际水头，难以建立整个勘探线剖面不同深度的渗流场模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构及方法，从而根据钻杆内管水位，绘制地下水渗流场剖面，进而圈定渗漏通道范围。
本发明是这样实现的：
一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构，它包括钻孔，钻孔穿透上层含水层和相对隔水层到达下层含水层，渗漏通道位于下层含水层中；内管水位反映钻杆底部地层的分层地下水位；利用勘探钻孔中的钻杆，钻杆为中空管状结构，钻杆内部的具有一个内管水位，钻杆与钻孔的内壁之间的空腔具有一个外管水位。
根据地质条件的不同，利用钻杆底部的带钻头的岩心管或者在钻杆底部设置一个塞球。
进一步的，本发明提出了这样以下几种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测方法：
采用岩心管时，对单个钻孔检测包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次重新开始，将钻杆、岩心管重新下至钻孔孔底；
步骤2：通过钻杆中空部位下放水位计，立即测量内管水位，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，并重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位测量；
步骤4：以钻孔孔底高程为纵坐标，向下为正，以水位高程为横坐标，作水位－孔底高程散点图；
步骤5：将各散点连接，得到水位－孔底高程趋势线，趋势线突变部位判断为渗漏通道高程位置。
采用岩心管时，对多个钻孔检测包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次重新开始，将钻杆、岩心管重新下至钻孔孔底；
步骤2：通过钻杆中空部位下放水位计，立即测量内管水位，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位测量；
步骤4：选择分析剖面图基点：以勘探线端点、钻孔最大深度高程为基点；
步骤5：勘探线水平方向为X方向，钻孔至勘探线端点的距离为x值；
步骤6：竖直向上为Y方向，以钻孔每次观测内管水位时的钻孔孔底深度为y值；
步骤7：与剖面端点距离为x的钻孔，钻孔深度为y出实测的内管水位为hxy，统计实测的(x，y，hxy)数据；
步骤8；以实测的(x，y，hxy)数据通过数学插值方法作内管水位等值线图；
步骤9：垂直各等值线，从高水头向低水头方向即为地下水的流向，得到分析剖面的流网图，地下水汇集的方向为判断的渗漏通道位置；
步骤10：将流网图与对应的地质剖面图重叠，最终确定渗漏通道位置。
采用塞球时，对单个钻孔检测包括如下步骤：包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次开始之前，将钻杆、塞球下至钻孔孔底部；
步骤2：通过钻杆中空部位下放水位计，立即测量内管水位，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：取出塞球，按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位测量；
步骤4：以钻孔孔底高程为纵坐标，向下为正，以水位高程为横坐标，作水位－孔底高程散点图；
步骤5：将各散点连接，得到水位－孔底高程趋势线，趋势线突变部位判断为渗漏通道高程位置。
采用塞球时，对多个钻孔检测包括如下步骤：包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次开始之前，将钻杆、塞球下至钻孔孔底部；
步骤2：通过钻杆中空部位下放水位计，立即测量内管水位，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：取出塞球，按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位测量；
步骤4：选择分析剖面图基点：以勘探线端点、钻孔最大深度高程为基点；
步骤5：勘探线水平方向为X方向，钻孔至勘探线端点的距离为x值；
步骤6：竖直向上为Y方向，以钻孔每次观测内管水位时的钻孔孔底深度为y值；
步骤7：与剖面端点距离为x的钻孔，钻孔深度为y出实测的内管水位为hxy，统计实测的(x，y，hxy)数据；
步骤8；以实测的(x，y，hxy)数据通过数学插值方法作内管水位等值线图；
步骤9：垂直各等值线，从高水头向低水头方向即为地下水的流向，得到分析剖面的流网图，地下水汇集的方向为判断的渗漏通道位置；
步骤10：将流网图与对应的地质剖面图重叠，最终确定渗漏通道位置。
本发明根据钻杆内管水位，绘制地下水渗流场剖面，进而圈定渗漏通道范围。钻孔内管水位直接反映了钻孔下部含水层的地下水位特征，较钻孔综合水位更能准确反映地下空间的局部地下水流动特征，更直接地体现渗漏通道信息。本发明观测方法灵活简便，不增加钻探过程中的工程量，分析方法易于掌握。
附图说明
图1是钻孔内管水位观测示意图一；
图2是钻孔内管水位观测示意图二；
图3是单孔水位-孔底高程过程线示意图；
图4是内管水位等势线、流线与渗漏通道关系示意图；
图5是重庆某水库ZKJ2钻孔钻进过程内管水位；
图6是重庆某水库防渗帷幕钻进过程内管水位分析剖面图；
图7是某水电站防渗剖面内管水位分析剖面图。
附图标记说明：1-上层含水层，2-相对隔水层，3-下层含水层，4-渗漏通道，5-钻孔，6-钻杆，7-岩心管，8-内管水位，9-外管水位，10-塞球，11-内管等水位线，12-地面，13-流线，14-地下水位线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，本发明通过简易法测量内管水位，图1中，主要结构包括上层含水层1，相对隔水层2，下层含水层3，渗漏通道4，钻孔5，钻杆6，带钻头的岩心管7，内管水位8，外管水位9，图2中，将图1中的岩心管7换成塞球10。
渗漏通道4直接影响渗流场，其影响范围较温度场、化学场范围更大，勘探钻孔5即使没有直接布置在渗漏通道4上，也可以通过钻孔5与渗漏通道4之间的水力联系推测渗漏通道4的位置。
地质勘察为目的的取芯钻探自上而下进行，一个回次结束提钻后，钻孔5内涉及各地层的分层地下水在不同水头作用下通过竖向对流，基本达到平衡状态，钻孔5外管水位9为综合水位。
如果钻孔5孔底附近存在渗漏(补给或者漏失)，钻杆6内管水位8将很快发生变化，钻杆6的外管水位9由于钻孔5上部含水层1的影响，变化幅度将慢于钻杆6的内管水位8。可以通过测定内管水位8的变化来判断钻孔5孔底附近的渗漏特征；将整个钻孔5不同深度的内管水位8进行比较，可以获取钻孔5附近渗漏通道4的深度信息；根据一条勘探线上面的钻孔5的内管水位8信息，可以做出剖面上的地下水位等势线图，并绘制流网，圈定勘探剖面上的渗漏通道4位置。
当一个新的钻探回次重新开始，钻杆6、岩心管7重新下至孔底。钻孔5钻杆6内管水柱与含水层1的地下水相对隔离，钻杆6内管水柱与钻孔5底部含水层3的地下水联系更加紧密。如果孔底附近岩体完整，无地下水强径流带，钻杆6内外管水位仍将趋于一致；如果孔底附近存在渗漏(补给或者漏失)，钻杆6内管水位8将很快发生变化，钻杆6外部水位9由于钻孔5上部含水层1的影响，变化幅度将慢于钻杆6内管水位8。可以通过测定稳定后内管水位8的变化来判断钻孔5孔底的渗漏特征；将整个钻孔5不同深度的内管水位8进行比较，可以获取钻孔5附近渗漏通道4的深度信息；根据一条勘探线上面的钻孔5的内管水位8信息，可以做出剖面上面的流网，圈定勘探剖面上的渗漏通道4位置。
基于以上原理，本发明的主要技术方案是这样的：
步骤1：一个新的钻探回次重新开始，将钻杆5、岩心管7重新下至孔底；
步骤2：通过钻杆6中空部位下放水位计，立即测量内管水位8，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：按正常工序进行钻探，钻进5m后提钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位8测量。
如果条件允许，可以通过塞球隔离法测量内管水位8。见图2，塞球10随钻孔5下入钻孔5下部，以此可以完全隔断钻杆6内管水柱与含水层1的水力联系，准确地测量钻孔5底部含水层2的水位。
基于塞球法，则步骤1～3如下：
步骤1：一个新的钻探回次开始之前，将钻杆6、塞球10下至孔底部；
步骤2：通过钻杆6中空部位下放水位计，立即测量内管水位8，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：取出塞球10，按正常工序进行钻探，钻进5m后提钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位8测量。
对单个钻孔5，将上述两种测量方法步骤1～步骤3测得的钻孔内管水位8按下列步骤进行分析：
步骤4：以钻孔5孔底高程为纵坐标(向下为正)，以水位高程为横坐标，作水位－孔底高程散点图；
步骤5：将各散点连接，得到水位－孔底高程趋势线，趋势线突变部位可能为渗漏通道4高程位置，见图3。
对一条勘探线上的多个钻孔5，将上述两种测量方法步骤1～步骤3测得的钻孔内管8水位用图解法进行分析，作图步骤和方法如下：
步骤4：选择分析剖面图基点：以勘探线端点、钻孔5最大深度高程为基点；
步骤5：勘探线水平方向为X方向，钻孔5至勘探线端点的距离为x值；
步骤6：竖直向上为Y方向，以钻孔5每次观测内管水位8时的钻孔5孔底深度为y值；
步骤7：与剖面端点距离为x的钻孔5，钻孔5深度为y出实测的内管水位8为hxy，统计实测的(x，y，hxy)数据；
步骤8；以实测的(x，y，hxy)数据通过数学插值方法作内管水位等值线11图；
步骤9：垂直各内管水位等值线11，从高水头向低水头方向即为地下水的流向，得到分析剖面的流网图，见图4，图4中展示了钻孔5和内管等水位线11、地面12、流线13以及地下水位线14的位置关系，图中地下水汇集的方向为可能的渗漏通道4的位置；
步骤10：将流网图与对应的地质剖面图重叠，参考其他信息综合确定渗漏通道位置。
实施例1：
重庆某水库位于岩溶地区，在其渗漏勘察过程中，进行了钻孔5钻进过程中的内管水位观测，其中ZKJ2孔的观测数据进具有典型的代表性，见图5，因为一般来说，渗漏区域的水位会急剧下降，故图中横坐标以水位降低为正向。图中1130～1070m区间为可能的渗漏区域，埋深100余米。
通过整过防渗剖面的内管水位8进行图解法分析，见图6所示。
实施例2：
在贵州某岩溶强烈发育地区水电站左岸灌浆平洞中完成了20个钻孔5，最大孔深达270m，钻进过程中对每个钻孔5分段进行了内管水位8的测量。选择库水位较高时的内管水位8编制防渗剖面上的水头等势线图，局部异常区见图7，该渗漏通道4在地表以下埋深300余米。
图中清晰的反映出剖面上的渗流特性：
(1)由于岩溶强烈发育，且极不均一，各钻孔5内管水位8变化大，等势线也十分复杂，在开敞型的等势线中，包含着封闭型的等势线。
(2)低等势线集中于溶洞发育区域，推测该区域为水库集中渗漏通道4，对该区域溶洞进行封堵处理，解决了水库渗漏问题。
当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构，其特征在于：它包括钻孔(5)，钻孔(5)穿透上层含水层(1)和相对隔水层(2)到达下层含水层(3)，渗漏通道(4)位于下层含水层(3)中；在钻孔(5)中设有一根钻杆(6)，钻杆(6)为中空管状结构，钻杆(6)内部的具有一个内管水位(8)，钻杆(6)与钻孔(5)的内壁之间的空腔具有一个外管水位(9)。
2.根据权利要求1所述的基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构，其特征在于：在钻杆(6)底部设有一根带钻头的岩心管(7)。
3.根据权利要求1所述的基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测结构，其特征在于：在钻杆(6)底部设有一个塞球(10)。
4.一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次重新开始，将钻杆(6)、岩心管(7)重新下至钻孔(5)孔底；
步骤2：通过钻杆(6)中空部位下放水位计，立即测量内管水位(8)，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位(8)测量；
步骤4：以钻孔孔底高程为纵坐标，向下为正，以水位高程为横坐标，作水位－孔底高程散点图；
步骤5：将各散点连接，得到水位－孔底高程趋势线，趋势线突变部位判断为渗漏通道高程位置。
5.一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次重新开始，将钻杆(6)、岩心管(7)重新下至钻孔(5)孔底；
步骤2：通过钻杆(6)中空部位下放水位计，立即测量内管水位(8)，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位(8)测量；
步骤4：选择分析剖面图基点：以勘探线端点、钻孔(5)最大深度高程为基点；
步骤5：勘探线水平方向为X方向，钻孔至勘探线端点的距离为x值；
步骤6：竖直向上为Y方向，以钻孔(5)每次观测内管水位(8)时的钻孔(5)孔底深度为y值；
步骤7：与剖面端点距离为x的钻孔(5)，钻孔(5)深度为y出实测的内管水位(8)为hxy，统计实测的(x，y，hxy)数据；
步骤8；以实测的(x，y，hxy)数据通过数学插值方法作内管水位(8)等值线图；
步骤9：垂直各等值线，从高水头向低水头方向即为地下水的流向，得到分析剖面的流网图，地下水汇集的方向为判断的渗漏通道位置；
步骤10：将流网图与对应的地质剖面图重叠，最终确定渗漏通道位置。
6.一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次开始之前，将钻杆(6)、塞球(10)下至钻孔(5)孔底部；
步骤2：通过钻杆(6)中空部位下放水位计，立即测量内管水位(8)，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：取出塞球(10)，按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位(8)测量；
步骤4：以钻孔(5)孔底高程为纵坐标，向下为正，以水位高程为横坐标，作水位－孔底高程散点图；
步骤5：将各散点连接，得到水位－孔底高程趋势线，趋势线突变部位判断为渗漏通道高程位置。
7.一种基于钻杆内管水位的深岩溶渗漏通道探测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：一个新的钻探回次开始之前，将钻杆(6)、塞球(10)下至钻孔(5)孔底部；
步骤2：通过钻杆(6)中空部位下放水位计，立即测量内管水位(8)，之后每隔10min测一次，直到前后两侧测量水位相差小于10cm；
步骤3：取出塞球(10)，按正常工序进行钻探，钻进5m后起钻，重复步骤1和步骤2进行下一段的内管水位(8)测量；
步骤4：选择分析剖面图基点：以勘探线端点、钻孔(5)最大深度高程为基点；
步骤5：勘探线水平方向为X方向，钻孔至勘探线端点的距离为x值；
步骤6：竖直向上为Y方向，以钻孔(5)每次观测内管水位(8)时的钻孔(5)孔底深度为y值；
步骤7：与剖面端点距离为x的钻孔(5)，钻孔(5)深度为y出实测的内管水位(8)为hxy，统计实测的(x，y，hxy)数据；
步骤8；以实测的(x，y，hxy)数据通过数学插值方法作内管水位(8)等值线图；
步骤9：垂直各等值线，从高水头向低水头方向即为地下水的流向，得到分析剖面的流网图，地下水汇集的方向为判断的渗漏通道位置；
步骤10：将流网图与对应的地质剖面图重叠，最终确定渗漏通道位置。
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