CN111963152A - 基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法 - Google Patents

基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，解决了现有技术中复杂艰险山区地热异常隧道工程水平及垂向地温梯度计算困难的问题，能够实现水平孔水平地温梯度和垂直地温梯度的计算，提高地温预测精度。本发明包括以下步骤：(1)由于极复杂艰险山区地形地面陡峻，深埋隧道工程部分垂直孔难以实施，为了查明地热异常区的水平向地温分布特征，选择合适的位置布置水平深孔勘探，(2)设计水平孔的孔深、方向、角度、隧道洞身位置、钻探测试要求；(3)开展水平孔的分层测温工作；(4)分析水平孔的分层测温数据变化特征，根据变化特征计算垂向地温梯度以及水平向地温梯度。

Description

基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法
技术领域：
本发明属于深埋隧道高温热害评估领域，涉及一种地温梯度计算方法，尤其是涉及一种基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法。
背景技术：
目前，地温梯度计算方法主要存在以下问题：
1、高原复杂艰险山区地热异常深埋隧道工程由于位于山岭地区，地形陡峻，垂直钻孔难以实施，开展水平孔的勘探工作能有效解决垂直钻孔难以实施的问题。
2、以往的地温计算中多是根据垂直孔地温曲线来拟合垂直孔的地温梯度，难以获取水平向地温梯度，对地温预测精度有一定影响。
3、目前还未开展过水平孔分层测温，对于水平孔分层测温获取的数据分析也是一个难点，尤其是受地热影响的水平孔，同时如何利用水平孔测温数据计算水平向及垂向地温梯度，也是行业领域空白。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，解决了现有技术中复杂艰险山区地热异常隧道工程水平及垂向地温梯度计算困难的问题，能够实现水平孔水平地温梯度和垂直地温梯度的计算，提高地温预测精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1,布置水平深孔勘探，勘探位置达到隧道设计标高附近或以下；
S2，设计水平孔的孔深、方向、角度以及钻探测试要求；
S3,进行水平孔的分层测温工作；
S4，分析水平孔的分层测温数据变化特征，根据变化特征计算垂向地温梯度以及水平向地温梯度。
S3步骤中，对水平深孔，采用无缆随钻测试方法，测温设备为热敏电阻，测温步骤为：将绳索钻杆下到预定位置，将探管连接好以后，向钻杆内注入高压水推送，一直将探头推出钻孔，然后提钻，将所有钻杆提出，再将改装电缆与绞车连接，上提测试，上提至孔口位置时进行深度归零；施钻过程中每100～200m进行一次测温，获取水平方向的地温数据及变化特征。
S4步骤中，绘制水平孔地温随深度变化曲线，判断地热异常区范围，提取单次水平孔测温的孔底地温，依据多次测试结果计算单孔的水平地温梯度和垂向地温梯度。
S4步骤中，整理出水平孔每次测温最深处的孔深、埋深、孔底标高、地温基础数据，根据式1计算水平向地温梯度；利用水平孔测温结果及埋深反算垂向地温梯度，根据式2确定测温点对应垂直高程处地表温度，根据式3结合测温点埋深反算水平孔的垂向地温梯度；
G水平＝(Ti-T1)/(Hi-H1) 式1
式中：G水平：水平向地温梯度(℃/m)；
Ti：第i次测温的孔底温度(℃)；
Hi:第i次测温的孔底深度(m)；
H1：根据地温曲线取200m；
T1：第一次分层测温200m的温度(℃)；
TH＝-0.0039Z0+21.331 式2
Z0：海拔高程(m)
G垂直＝(Ti-Th)/(Hi-H0) 式3
G垂直:垂向地温梯度(℃/m)
H0：恒温层温度(℃)。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明提出了水平孔分层测温，避免了受地热影响，钻孔成孔后一次测温，地温数据失真难以利用的难题。
2、本发明利用不同时间不同孔数获取的地温数据，从而能够实现水平孔水平地温梯度和垂直地温梯度的计算，提高地温预测精度。
附图说明：
图1是本发明提出的一种拉月隧道超深定向钻设计成果图(比例尺：水平1:1000；垂直1:200)；
图2是本发明提出的一种水平深孔地温分层测试及监测结果。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。
本发明为一种基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，具体包括以下步骤：
S1,由于极复杂艰险山区地形地面陡峻，深埋隧道工程部分垂直孔难以实施，为了查明地热异常区的水平向地温分布特征，选择合适的位置布置水平深孔勘探，勘探位置达到隧道设计标高附近或以下；
S2，设计水平孔的孔深、方向、角度以及钻探测试要求；
S3,开展水平孔的分层测温工作；
S4，分析水平孔的分层测温数据变化特征，根据变化特征计算垂向地温梯度以及水平向地温梯度。
S4步骤中，绘制水平孔地温随深度变化曲线，判断地热异常区范围，提取单次水平孔测温的孔底地温，依据多次测试结果计算单孔的水平地温梯度和垂向地温梯度。
S4步骤中，整理出水平孔每次测温最深处的孔深、埋深、孔底标高、地温基础数据，根据式1计算水平向地温梯度；利用水平孔测温结果及埋深反算垂向地温梯度，根据式2确定测温点对应垂直高程处地表温度，根据式3结合测温点埋深反算水平孔的垂向地温梯度；式1是本发明提出的一种利用水平孔分层测温计算水平地温梯度；式2是本发明提出的一种某高原艰险复杂山区地表恒温温度与海拔的关系式；式3是本发明提出的一种利用垂直孔分层测温计算垂直地温梯度。
G水平＝(Ti-T1)/(Hi-H1) 式1
式中：G水平：水平向地温梯度(℃/m)；
Ti：第i次测温的孔底温度(℃)；
Hi:第i次测温的孔底深度(m)；
H1：根据地温曲线取200m；
T1：第一次分层测温200m的温度(℃)；
TH＝-0.0039Z0+21.331 式2
Z0：海拔高程(m)
G垂直＝(Ti-Th)/(Hi-H0) 式3
G垂直:垂向地温梯度(℃/m)
H0：恒温层温度(℃)。
实施例：
参见图1，本发明包括如下步骤：
S1,高原复杂艰险山区地热异常深埋隧道工程由于位于山岭地区，由于部分地区地形陡峻，垂直钻孔难以实施，开展了水平孔的勘探工作。
S2,参见图1，拉月隧道CSDXZ-1钻孔，位于林芝市巴宜区鲁朗镇拉月存北侧拉月2沟沟口。DK1192+615左1387m，水平角N48°W，下倾0.1°，孔口高程2606m，设计深度1400m。钻探目的查明钻孔所在位置地层岩性特征、层厚、完整程度、地质构造、富水性等工程地质条件和水文地质条件。
S3，对水平深孔，采用无缆随钻测试技术，测温设备为热敏电阻，主要测温步骤为：将绳索钻杆下到预定位置，将探管连接好以后，向钻杆内注入高压水推送，一直将探头推出钻孔，然后提钻，将所有钻杆提出，在将改装电缆与绞车连接，上提测试，上提至孔口位置时进行深度归零。施钻过程中每100～200m进行一次测温，获取水平方向的地温数据及变化特征，水平孔的分层测温数据变化巨大，存在同一位置后一次测温高于前一次的特点(图2)。
S4,绘制水平孔地温随深度变化曲线，判断地热异常区范围，提取单次水平孔测温的孔底地温，依据多次测试结果计算单孔的水平地温梯度和垂向地温梯度。
绘制水平孔地温随深度变化曲线，根据受地热影响区水平孔的测温结果，埋深越大温度明显增加，同时每次测出的地温均比上次的高(图2)，通过拟合恒温层深度以下的曲线发现获取的水平地温梯度一次比一次高，分析认为这样的结论是不合理的，不符合自然规律。
这主要是由于水平孔内热交换强烈，深部的高温引起整个孔内地温发生变化，可以确定的是，每次分层测定的孔底温度是准确的，其余段落可能受到深部温度的影响，因此应整理处水平孔每次测温最深处的孔深、埋深、孔底标高、地温等基础数据，利用终孔温度减去地温线性变化起点温度除以水平距离来计算水平向地温梯度(式1)，地温变化深度取200m，温度取第一次测得的200m深度温度。计算成果见表1，从计算结果看，米林断裂带(F51)范围为1100～950m，计算的水平地温梯度为4.44～6.20℃/100m，垂直地温梯度最大为14.7℃/100m，大于两侧完整基岩的水平地温梯度和垂直地温梯度，反映出米林断裂带为地热异常热源。
G水平＝(Ti-T1)/(Hi-H1) 式1
公式中：G水平：水平向地温梯度(℃/m)；
Ti：第i次测温的孔底温度(℃)；
Hi:第i次测温的孔底深度(m)；
H1：根据地温曲线取200m；
T1：第一次分层测温200m的温度(℃)。
利用水平孔测温结果及埋深反算垂向地温梯度，根据式2确定测温点对应垂直高程处地表温度，恒温层深度按照地形地貌及海拔确定为20～80m，结合测温点埋深反算水平孔的垂向地温梯度(式3)。
TH＝-0.0039Z0+21.331 式2
Z0：海拔高程(m)
G垂直＝(Ti-Th)/(Hi-H0) 式3
G垂直:垂向地温梯度(℃/m)
H0：恒温层温度(℃)。
表1利用水平孔测温数据计算水平及垂向地温梯度
Figure BDA0002552381420000071
本发明提出了水平孔分层测温，解决了受地热影响的钻孔成孔后一次测温，地温数据失真难以利用的难题。利用不同时间不同孔数获取的地温数据，从而能够实现水平孔水平地温梯度和垂直地温梯度的计算，提高地温预测精度。本发明方法成功实验应用于拉月隧道CSDXZ-1水平孔水平和垂直地温梯度计算、地热成因分析以及拉月隧道地温预测研究。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1,布置水平深孔勘探，勘探位置达到隧道设计标高附近或以下；
S2，设计水平孔的孔深、方向、角度以及钻探测试要求；
S3,进行水平孔的分层测温工作；
S4，分析水平孔的分层测温数据变化特征，根据变化特征计算垂向地温梯度以及水平向地温梯度。
2.根据权利要求1所述的基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，其特征在于：
S3步骤中，对水平深孔，采用无缆随钻测试方法，测温设备为热敏电阻，测温步骤为：将绳索钻杆下到预定位置，将探管连接好以后，向钻杆内注入高压水推送，一直将探头推出钻孔，然后提钻，将所有钻杆提出，再将改装电缆与绞车连接，上提测试，上提至孔口位置时进行深度归零；施钻过程中每100～200m进行一次测温，获取水平方向的地温数据及变化特征。
3.根据权利要求1所述的基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，其特征在于：
S4步骤中，绘制水平孔地温随深度变化曲线，判断地热异常区范围，提取单次水平孔测温的孔底地温，依据多次测试结果计算单孔的水平地温梯度和垂向地温梯度。
4.根据权利要求3所述的基于水平孔分层测温数据的地温梯度计算方法，其特征在于：
S4步骤中，整理出水平孔每次测温最深处的孔深、埋深、孔底标高、地温基础数据，根据式1计算水平向地温梯度；利用水平孔测温结果及埋深反算垂向地温梯度，根据式2确定测温点对应垂直高程处地表温度，根据式3结合测温点埋深反算水平孔的垂向地温梯度；
G水平＝(Ti-T1)/(Hi-H1) 式1
式中：G水平：水平向地温梯度(℃/m)；
Ti：第i次测温的孔底温度(℃)；
Hi:第i次测温的孔底深度(m)；
H1：根据地温曲线取200m；
T1：第一次分层测温200m的温度(℃)；
TH＝ -0.0039Z0 + 21.331 式2
Z0：海拔高程(m)
G垂直＝(Ti-Th)/(Hi-H0) 式3
G垂直:垂向地温梯度(℃/m)
H0：恒温层温度(℃)。
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