CZ23717U1

CZ23717U1 - Zařízení pro in-situ měření propustnosti hornin, geotechnických a stavebních materiálů

Info

Publication number: CZ23717U1
Application number: CZ201125014U
Authority: CZ
Inventors: Bláha@Vladimír; Holecek@Jan; Rukavicková@Lenka
Original assignee: Ceská geologická služba
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-04-26

Description

Zařízení pro in-situ měření propustnosti hornin, geotechnických a stavebních materiálů

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro in-situ měření propustnosti hornin, geotechnických a stavebních materiálů za použití měření hmotnostního úbytku vtláčeného měřicího média pomocí citlivých vah. Svým využitím technické řešení spadá do oblasti geologie, hydrogeologie, stavebního průmyslu a ekologie.

Dosavadní stav techniky

V posledních 20 letech roste potřeba kvalitního stanovení propustnosti (hydraulické vodivosti) pevných hornin a dalších hydraulických bariér v souvislosti s budováním podzemních zásobníků io a úložišť různého typu včetně hlubinného úložiště radioaktivních odpadů. Definování prostorového rozložení a vlastností hydraulických cest, kterými by v případě porušení obalů a bariér v úložišti mohla skladovaná či ukládaná látka migrovat horninovým prostředím na zemský povrch, je nezbytným předpokladem bezpečnostní analýzy stavby. Kromě studia preferenčních cest proudění podzemních vod (otevřené puklinové systémy, poruchové zóny a zlomy) je nutné věno15 vat pozornost také hydraulickým vlastnostem horninové matrice, která díky svému velkému objemu může sloužit jako retenční prostor a významným způsobem redukovat rychlost migrace znečištění do biosféry.

K testování hydraulických vlastností hornin slouží hydrodynamické zkoušky (HZ). Základním principem hydrodynamické zkoušky je vyvolání kontrolovaného dynamického impulzu ve zvod20 nělé hornině a následné sledování reakce na tento impulz. Impulzem je obvykle čerpání vody z .vrtu nebo její vtláčení do vrtu. Odezva kolektoru je monitorována v čase a prostoru ve formě změn tlaku (výšky hladiny podzemní vody) nebo změn čerpaného (vtláčeného) množství vody.

Pri průzkumu prostředí s nízkou hydraulickou vodivostí, není možné v širší míře využívat čerpací zkoušky standardně využívané v hydrogeologickém průzkumu. Proto byla v posledních 20 až

30 letech pro účely hydrogeologického výzkumu, zejména ve spojitosti s vyhledáváním vhodných lokalit pro úložiště radioaktivních odpadů, modifikována či nově vyvinuta řada alternativních typů HZ.

Nej častěji jsou pro tyto účely využívány vodní tlakové zkoušky (VTZ) (Almén et al. 1986, Pirhonen 1988, Almén et al. 1994, Laaksoharju et al. 1991, Mejías a López-Geta 2003, Ahokas

2003, Gokall-Norman et al. 2005, Mejías et al. 2009). Pri vodních tlakových zkouškách je do úseku vrtu odděleného pomocí pakrů vtláčena voda pri konstantním (zkušebním) tlaku nebo za konstantního vtláčeného množství. Tlak je měřen buď manometrem na ústí vrtu, nebo tlakovým čidlem přímo v testované etáži. Současně je měřena spotřeba vtláčené vody (l.min'¹, mÁs'¹), Standardně jsou aplikovány VTZ s konstantním tlakem, jejichž výhodou je zanedbatelný vliv zásoby vody ve vrtu, možnost měření pri velkém rozsahu hodnot hydraulické vodivosti, poměrně velký dosah od vrtu, možnost stanovení skinu, typu kolektoru a hraničních podmínek.

Standardně prováděnými VTZ je možné testovat horniny s hydraulickou vodivostí v rozsahu od 10'¹¹ do 10'^b m.s'¹. Spodní limit je dán citlivostí průtokoměrů užívaných pri terénním měření ve speciálně k tomuto účelu sestavených měřicích zařízeních. Spodní hranice rozsahu měření těchto průtokoměrů je obvykle kolem 1 ml.min¹, což v závislosti na hodnotě vstupního tlaku a délce testované etáže odpovídá hydraulické vodivosti v řádech 10'¹¹ až lO^m.s¹. Například měřicí jednotka PSS3 (SKB downhole pipe string systém) využívaná pro měření v hlubokých vrtech společností SKB ve Švédsku v rozsáhlém programu zaměřeném na vyhledání vhodné lokality pro hlubinné úložiště radioaktivních odpadů má v oblasti měření průtoků spodní limit 1 ml.min“¹ (Florberger et al. 2006). Obdobná měřicí jednotka UMH (Mobile Hydrogeological Unit) používaná španělskou geologickou službou IGME je schopná zaznamenat průtoky od 0,5 ml.min *. Ačkoliv existují průtokoměry i s vyšší citlivostí detekce průtoku než 0,5 ml.min’¹ v praxi pri terénním měření je jejich použití omezené kvůli jejich měřicímu rozsahu a pro obtížnou mani- 1 CZ 23717 Ul pulaci s takovými zařízeními. U vysoce citlivých průtokoměrů je běžný měřicí rozsah mezi minimálním a maximálním průtokem dán poměrem 1:25 až 1:50 (např. 0,1 až 2,5 ml.mnť¹). U nízce propustných horninových matric se setkáváme s hodnotami hydraulické vodivosti v rozmezí 4 řádů (10‘¹⁰ až 10'¹⁴m.s'’). Pro stanovení takto velkého rozpětí by bylo zapotřebí použít celou kaskádu průtokoměrů, které by se překrývaly svými rozsahy. Velké množství ventilů a dalších komponent v takovém měřicím zařízení způsobuje další problémy v podobě kolísání tlaků při přepínání ventilů a celkově vede k nižší přesnosti celého zařízení. Navíc jsou citlivé průtokoměry náchylné na mechanické poškození při použití byť mírně znečištěného měřicího média. Problémem je i zanášení vnitrních součástí citlivých průtokoměrů minerálními látkami rozpuštěnými v ío měřicím médiu. Je tak nutné používat nízce mineralizovanou nebo destilovanou vodu, která má jiné vlastnosti než podzemní vody prostupující testovanou matricí v přírodních podmínkách.

Pokud se u těchto výše uvedených zařízení dostane měřená spotřeba při VTZ pod rozsah průtokoměru, hydraulická vodivost testovaného úseku je považována za menší, než hydraulická vodivost odpovídající nejnižší měřitelné spotřebě a technickým parametrům testu. U hlubokých vrtů v horninách s velmi nízkou propustností je testů pod limitem měření velmi významná část. Například Walker et al. (2001) uvádějí pro lokalitu Beberg (Finsjón a Forsmark) ve Švédsku 10 % zastoupení testů pod měřicí limit aparatury a pro lokalitu Ceberg (Gidea) 40 % testů pod limit měření. U jednotlivých vrtů je tento podíl ještě vyšší například na lokalitě Forsmark u vrtu KFM01D dosáhl podíl testů pod nebo velmi blízkých spodnímu limitu měřicí jednotky 63 %.

Pro horniny s velmi nízkou propustností (hydraulickou vodivostí) je proto v hydrogeologické praxi i výzkumu používán jiný typ hydrodynamických zkoušek, speciálně vyvinutých pro toto prostředí. Jsou to pulzní testy. Principem pulzního testuje prudké zvýšení tlaku v etáži, které je následováno jejím okamžitým uzavřením a monitoringem poklesu tlaku (Bredehoeft a Papadopulos 1980, Neužil 1982, Raven et al. 1990, Rutquist 1996), Do výpočtů hydraulické vodivosti je v tomto typu testu zahrnována stlačitelnost vody a nářadí ve vrtu (v praxi obtížně stanovitelné).

Použití různých druhů testů pro stanovení hydraulické vodivosti a transmisivity hornin přináší problémy při vyhodnocení, zejména při srovnávání výsledných hodnot stanovených různými metodami. Aplikace různých druhů testů na stejný úsek vrtu ukázaly, že se výsledné hodnoty koeficientu hydraulické vodivosti mohou lišit mezi jednotlivými druhy testů až o několik řádů (Almén et al. 1986, Mejías et al. 2009). Odchylky jsou způsobeny rozdílnou metodikou testování, vyhodnocení a rozdílným dosahem testů od osy vrtu.

V průběhu pulzního testu je do testovaného vrtu či úseku vrtu vtlačeno jen velmi nepatrné množství vody, test má tedy velmi malý dosah od stěny vrtu. Pulzním testem je proto často zastižena jen úzká zóna v okolí vrtu postižená vrtným procesem (tzv. skin efekt). Mejías et al. 2009 srov35 nával výsledky různých typů vodních tlakových zkoušek a pulzních testů. Zatímco hodnoty transmisivity se u VTZ pohybovaly v řádu 10*¹¹ až lO^m^s¹, u pulzních testů byly výsledné hodnoty transmisivity v řádu 10'⁸ a 10'⁹ m².s *. Autoři došli k závěru, že pulzní testy charakterizují transmisivitu zóny postižené skinefektem. Tato transmisivita byla u testovaného vrtu přibližně 10'⁸ m².s‘^l. Ke shodě výsledných hydraulických parametrů z VTZ a pulzních testů dochá40 zelo tedy pouze v případě, že testovaný úsek jako celek měl transmisivitu blízkou této hodnotě.

Z výše uvedených příkladů vyplývá potřeba zajistit možnost realizace jednotného typu testu (VTZ) ve všech úsecích vrtu. Jedině tak může být zajištěna srovnatelnost výsledných hodnot hydraulické vodivosti pro propustné puklinové systémy i neporušenou horninovou matrici s velmi nízkou propustností. Váhové měření objemů spotřeb média pri VTZ umožní jejich realiza45 ci v úsecích i s extrémně nízkou propustností, kdy je běžné měření průtoku v terénních podmínkách technicky neuskutečnitelné. Dosah zkoušky od osy vrtu lze snadno ovlivnit délkou jejího trvání, což u pulzních testů není možné.

-2CZ 23717 Ul

Použitá literatura:

AHOKAS, H. (2003): Summary of hydraulic conductivity measurements and differences betveen different methods in boreholes KR1 - KR10 at Olkituoto, Finland. Proceedings of Groudwater in Fractured rocks 2003 (Krásný, Hrkal, Bruthans eds.), Prague, Czech Republic.

ALMÉN, K.E. et al (1994): Áspó Hard Rock Laboratory - Feasibility and useťuhtesss of site investigation methods. Experiences from the pre-investigatíon phase. SKB TR 94-24, Stockholm.

ALMEN, K.E., ANDERSSON, O., FRIDH, B., JOHANSSON, B.E., SEHLSTEDT, M., GUSTAFSSON, E., HANSSON, K., OLSSON, O., N1LSSON, G., AXELSEN, K., WIKBERG, P. (1986): Site investigation. Equipment for geological, geophysical, hydrogeological and hydrochemical characterízation. SKB TR

86-16.

BREDEHOEFT, J.D., Papadopulos S. S. (1980): A method for determining the hydraulic properties od tight formations. Water Resources Research, 16, 1, 233-238.

FLORBERGER, I, HJERNE, C., LUDVIGSON, J.E., WALGER, E. (2006): Forsmark site investigation. Single-hole injection tests in borehole KFM01D. SKB P-06-195.

GOKALL-NORMAN, K., LUDVIGSON, J.E., JÓNSSON, S. (2005): Forsmark site investigation. Hydraulic interference test. Boreholes KFM04A, HFM10, HFM13, HFM19 and HFK252. SKB report No. P05-186. Stockholm.

LAAKSOHARJU, M. et al. (1991): Light-weight double packer equipment for water sampling and hydraulic measurements in deep drill holes. Geological survey of Finland Report YST-74. Espoo.

MEJÍAS, M., LÓPEZ-GETA, J.A. (2003): Instrumentation and methodology for the hydraulic characterization of fractured rocks. Proceedings of Groudwater in Fractured rocks 2003 (Krásný, Hrkal, Bruthans eds.). Prague, Czech Republic.

MEJÍASA, M, RENARDB, P., GLENZB, D. (2009): Hydraulic testing of low-permeability formations: A čase study in the granite of Cadalso de los Vidrios, Spain Engineering Geology Volume 107, Issues 3-4,

88-97.

NEUŽIL C.E. (1982): On conducting the modified slug test in tight formations. Water Resources Research 18(2), 439-441.

PIRHONEN, V.O. (1988): Combined geophysical and hydraulic methods for 3D mapping of fractures and siting rock cavems in granite. Engineering Geology, 25, 1, 45-68.

RAVEN, K.G., LAUFLEUR, D. W., SWEEZEY, R.A. (1990): Monitoring well into abandoned deep-well disposal formations at Samia, Ontario, Canadian Geotechnical Journal 27,1,105-118.

RUTQVIST, J. (1996): Hydraulic pulse testing of single fractures in porous and deformable hard rocks. Ouarterlyjoumal of engineering geology 29,181-192.

WALKER, D., RHÉN, I., GURBAN, I. (1997): Summary of hydrogeologie conditions at Aberg, Beberg and Ceberg. SKB report No. TR-97-23. Stockholm.

Podstata technického řešení

Nově vynalezené zařízení sloužící k měření hydraulické propustnosti nízce propustných matric využívá metodiky měření objemové spotřeby vtláčeného měřicího média - kapaliny - za jednotku času, díky čemuž jsou získané výsledky porovnatelné se standardními metodami VTZ. Pro de40 tekci množství spotřebovaného testovacího média je využíván nový princip měření úbytku hmotnosti za čas pomocí citlivých vah. Při známé hustotě testovacího média lze snadným přepočtem zjistit objemový úbytek za čas, tj. průtok. Přepočet hmotnosti na objem je dán vztahem:

V = m.p¹ kde V je objem v m³, m je hmotnost v kg a p je objemová hustota testovacího média v kg.m'³.

Měření hmotnostních úbytků v čase přináší výhodu vyšší citlivosti aparatury v porovnání s konvenčními zařízeními pracujícími na principu průtokoměrů. Vysoké citlivosti je dosahováno nejen citlivostí a přesností použitých vah, ale i délkou vlastního měření. V praxi je možné zaznamenat

-3 CZ 23717 Ul úbytek hmotnosti o velikosti prvních jednotek gramů v horizontu hodin až měsíců, což odpovídá až o 4 řády vyšší citlivosti oproti konvenčním zařízením. Dlouhá doba měření má současně pozitivní vliv na velikost objemu testované matrice v okolí měřeného úseku ve vrtu, čím je zkouška delší, tím větší objem matrice v okolí vrtu je zahrnut do měření a tím relevantnější je výsledek měření pro danou matrici. Tato skutečnost je novým přínosem v porovnání s pulzními testy, jejichž dosah je v řádu mm od testovaného bodu. Další výhodou nového řešení je i relativní jednoduchost zařízení.

Vlastní měřicí aparatura sestává ze součástí, které lze rozdělit na dvě základní části. První z nich je vybavení a vystrojení vrtu v testované matrici (Obrázek č. 1 a 2.), druhá Část zahrnuje vybaveio ní pro generování tlakového impulzu a měření jeho odezvy pomocí vah (Obrázek č. 3). Obě části tvoří nedělitelný komplet a jsou využívány současně a v součinnosti. Čísla v závorkách u následujícího popisu odpovídají popiskám na obrázku č. 1, 2 a 3.

Vybavení pro vystrojení a manipulaci se zařízením ve vrtu zahrnuje: elektrický naviják poháněný elektrickým proudem o napětí 230 V a vybavený lanem, kde ve výhodném provedení je lano z oceli a má délku alespoň 200 m a nosnost alespoň 250 kg; dále vybavení zahrnuje stojan s kladkou opatřenou měřicím kolečkem pro měření aktuální hloubky zapuštění náčiní, injektážní hadičku, která ve výhodném provedení má průměr 6 mm a je zhotovena z polyamidu (PA) nebo teflonu (TFPE) s nízkou roztažností umožňující použít pracovní tlak minimálně 2 MPa, vodní tlakovou pumpu s manometrem využívanou k nafouknutí a upevnění dvojice pryžových pakrů vymezujících testovaný úsek vrtu. Pakry jsou spojeny ocelovou injektážní trubkou, která je ve střední části perforovaná. V tomto místě se vtláčí testovací médium do vymezeného úseku vrtu. Oba pakry jsou přemostěny spojovací hadičkou k rovnoměrné distribuci vody v pakrech; to umožňuje současné nafouknutí nebo vypuštění horního pakru i spodního pakru. Spodní pakrje neprůběžný a je na dolním konci utěsněn šroubovací záslepkou. V podrobném náhledu na Ob25 rázku č. 2 je uveden konstrukční detail hlavy horního pakru. Tento pakr je opatřen pevným nosným ocelovým okem, na kterém je ocelové manipulační lano připevněno pomocí karabiny; výhodné jsou ocelové horolezecké karabiny typu „Mailon“, Spojení mezi ocelovou injektážní trubkou a hadičkou je uskutečněno šroubovací nástrčnou rychlospojkou. Ta byla sadou terénních měření verifikovaná jako vhodný spojovací člen mezi jakýmikoliv součástmi zařízení opatřenými standardním závitem a PA (TFPE) hadičkami. Systém nástrčných rychlospojek je využíván na všech místech zařízení, kde se takový typ spoje vyskytuje. Šroubovací rychlospojka je využita i pro připojení tlakové hadičky, kterou jsou pakry nafukovány.

Nej důležitější částí zařízení je soubor součástí, které generují tlakový impulz a detekují spotřeby měřicího média. Mezi základní komponenty patří citlivé váhy s přesností měření 1 gram s rozsa35 hem vážení od 0 do 30 kg, expanzní tlaková nádoba s provozním tlakem do 400 kPa a objemem 4 až 25 1, tlaková láhev se stlačeným vzduchem se sadou redukčních ventilů s výstupním tlakem 100 až 400 kPa nebo obdobné známé zařízení poskytující výstupní tlak v požadovaném rozmezí, tlakové čidlo s rozsahem 50 až 500 kPa, teplotní čidlo s citlivostí minimálně 0,5 °C s rozsahem do 50 °C, injektážní PA nebo TFPE hadička o průměru 6 mm, datalogger - digitální záznamové zařízení ukládající údaje z čidel, údaje o změřených hmotnostech, teplotách a tlaku v určených časových intervalech. Dále zařízení obsahuje izolační polystyrénový box o síle stěny 10 cm se snímatelným víkem umožňující manipulaci se zařízením uvnitř boxu, klimatizační jednotku schopnou udržovat v izolačním boxu nastavenou konstantní teplotu s odchylkou maximálně 1 °C, 24V akumulátory jakožto zdroj elektrické energie, zásobní nádobu na měřicí médium, elektrické odstředivé čerpadlo pro napouštění měřicího média do expanzní nádoby. Hadička od čerpadla je k expanzní nádobě připojená pomocí jednocestného ventilu, který má směr propouštění pouze do expanzní nádoby a zabraňuje tak vytékání média zpět do zásobní nádoby. Pro připojení expanzní nádoby na hadičku vedoucí do vrtu je opět použita nástrčná rychlospojka. Záznamové zařízení a klimatizační jednotka pri svém provozu během měření spotřebovávají elek50 trickou energii ze zdroje. Pro dlouhodobý provoz je systém vybaven fotovoltaickými panely o výkonu 270 W dostačující k doplňování elektrické energie ze slunečního záření v místech, kde není dostupná běžná přípojka elektrické energie.

-4CZ 23717 Ul

Zařízení bylo primárně vyvinuto pro testování propustnosti respektive nepropustnosti hornin insitu. Zařízení je vhodné i pro testování propustnosti různých stavebních materiálů plnících těsnicí funkci. Pro testy v menších vrtech může být vystrojení provedeno manuálně bez vrátku a to i ve variantě s jedním pakrem, kdy je testován úsek mezi pakrem a dnem vrtu.

Principem metody měření je vytlačování měřicího média z expanzní nádoby přetlakem 100 až 400 kPa pomocí injektážní hadičky do vymezeného úseku mezi pakry a dále do testované matrice. V průběhu jednoho měření je vždy zkušební přetlak měřicího média po celou dobu zkoušky konstantní (obvykle 100 kPa). Jako měřicí médium lze použít jakoukoliv kapalinu, u které je známá objemová hustota. V praxi s ohledem na životní prostředí se jako měřicí médium nejčasio těji používá pitná voda nebo voda z místních zdrojů, která je chemicky blízká zkoumanému prostředí. Je však možné použít i různé fyzikálně-chemicky definované solné roztoky. Pomocí citlivých vah je sledován hmotnostní úbytek měřicího média v expanzní nádobě v Čase. Protože při úbytku média v expanzní tlakové nádobě postupně klesá tlak, je v ní udržován konstantní tlak pomocí tlakové láhve se stlačeným vzduchem. Konstrukce expanzní tlakové nádoby zajišťuje, že se kapalné měřicí médium a stlačený vzduch díky gumové membráně k sobě nedostanou a měřicí médium se neprovzdušní. Hustota měřicího média je závislá na teplotě, proto je expanzní tlaková nádoba s měřicím médiem i injektážní hadička udržována při konstantní teplotě v izolačním polystyrénovém boxu vybaveném klimatizační jednotkou. Konstantní teplota je jedním z klíčových faktorů ovlivňující správnost měření a je nutné ji udržovat stabilní v izolačním boxu po celou dobu měření. Pro další zlepšení a minimalizování teplotních ztrát je povrch izolačního boxu polepen termoizolační reflexívní fólií. Klimatizační jednotka použitá pro temperování izolačního boxu funguje na principu Peltiérových termočlánků. Je vybavena řídicí elektronikou a v závislosti na aktuální okolní teplotě podle potřeby chladí, nebo naopak hřeje. V průběhu měření jsou aktuální měřené údaje z váhy, tlakového a teplotního čidla průběžně ukládány na paměťové kartě (např. SD kartě) v dataloggeru pro následné vyhodnocení testu. Současně je možné sledovat aktuální hodnoty i vývoj měřených hodnot v čase v grafické podobě na displeji dataloggeru. Pro výpočet hydraulické vodivosti jsou využívány hodnoty hmotnostního úbytku a tlaku. Zaznamenané údaje teploty jsou součástí kontrolního mechanismu kvality měření.

Kromě samotného technického vybavení potřebného k sestavení zařízení je součástí technického řešení i pracovní postup (metodika) měření.

Pracovní postup instalace zařízení začíná u stabilizace stojanu s měřicím kolečkem nad ústím vrtu. Následně je sestavena dvojice pakrů, u nichž se pomocí délky střední perforované trubky nastaví délka zkoušeného intervalu ve vrtu. Po připojení pakrů na nosné ocelové lano je k pakrům připojena injektážní hadička a hadička na nafukování pakrů. Poté je celá sestava pomocí navijáku zapuštěna do požadované hloubky do vrtu. Expanzní nádoba je pomocí ponorného odstředivého čerpadla napuštěna měřicím médiem ze zásobní nádoby. Pomocí stlačeného vzduchu z tlakové láhve je v expanzní nádobě vytvořen tlak 100 až 400 kPa. Výška tlaku v expanzní nádobě je volena v závislosti na podmínkách na lokalitě a podle cílů konkrétních testů. Vstupní tlak v rozmezí 100 až 400 kPa je optimální pro VTZ při testování propustnosti hornin in-situ. Tlak v nádobě a injektážní hadičce je měřen tlakovým čidlem na ústí expanzní nádoby a je možné jej sledovat na displeji dataloggeru. Při uvolněných pakrech je přetlakem měřicího média z expanzní nádoby zcela vytlačen vzduch z injektážní hadičky. To je velmi důležité, protože případná přítomnost plynu v soustavě negativně ovlivňuje správnost měření. Následně jsou pakry pomocí vodní tlakové pumpy nafouknuty na tlak 1,5 až 2 MPa. Tímto tlakem se pakry utěsní a vymezí měřený interval ve vrtu. Expanzní nádoba, injektážní hadička a tlaková hadička propojující pakr s tlakovou pumpou jsou z co největší části umístěny v klimatizovaném boxu, kde je udržována konstantní teplota. Teplota v boxu je nastavena na střední hodnotu předpokládaného teplotního rozmezí den/noc, aby byly energetické výdaje na chlazení/ohrivání boxu co nej menší.

Na dataloggeru je před spuštěním měření nastaven interval záznamu hodnot. Ten může být na50 staven s pevnou délkou časového kroku, nebo může být datalogger přepnut do automatického režimu, kdy z rozdílů 3 předchozích měření hmotností a jejich časů se automaticky vypočítává čas následujícího měření. Tento režim je vhodný zejména pro extrémně nepropustné matrice, kdy

-5CZ 23717 Ul je úbytek měřené hmotnosti zaznamenán až po dlouhém čase a je zbytečné ukládat velký počet konstantních změřených hodnot. V automatickém režimu vnitrní program dataloggeru počítá s rozdílem hmotnosti 1 gram. Datalogger je možné naprogramovat i v poloautomatickém režimu, kdy lze nastavit několik časových úseků s různými délkami časového kroku.

Po nastavení dataloggeru a spuštění záznamu měřených veličin je zahájeno vlastní vtláčení měřicího média do vymezeného intervalu ve vrtu. Délka vtláčení závisí na zadání výzkumných čí průzkumných úkolů. Může se pohybovat od několika hodin po několik měsíců. Měřené hodnoty zobrazené na displeji dataloggeru umožňují operativně regulovat parametry testu a volit vhodnou délku testování, například ukončit testování při ustálení úbytku hmotnosti. Sestava zařízení ío umožňuje bezobslužné fungování testu a to i v místech bez přípojky elektrické energie, což výrazně snižuje náklady na dlouhodobé testovací práce.

Vyhodnocení testů a následné stanovení hydraulické vodivosti (propustnosti) na základě změřených úbytků hmotnosti vtláčeného média a zkušebního tlaku probíhá dodatečně podle standardně užívaných postupů uváděných v odborné literatuře pro VTZ.

is Způsob měření lze popsat postupem sestávajícím z následujících kroků:

1) Umístění a stabilizace stojanu s elektrickým navijákem a měřicím kolečkem nad ústím vrtu;

2) Smontování pakrů a injektážní trubky do jednoho celku, přičemž spodní pakr je na dolním konci utěsněn záslepkou, aby byl neprůběžný;

3) Připojení injektážní hadičky pomocí rychlospojky k injektážní trubce, připojení tlakové hadičky vedoucí od tlakové pumpy k hornímu pakru a vzájemné propojení pakrů pomocí spojovací hadičky;

4) Zavěšení celku popsaného v krocích 2) a 3) na manipulační ocelové lano pomocí nosného ocelového oka a karabiny;

5) Vynulování hodnoty měřicího kolečka a spuštění celku popsaného v krocích 2) a 3) do poža25 dováné hloubky měření ve vrtu pomocí elektrického navijáku, přičemž aktuální hloubka zapuštění je kontrolována na měřicím kolečku;

6) Smontování expanzní tlakové nádoby, tlakové láhve, čidel, jednocestného ventilu a rychlospojky do jednoho celku, připojení injektážní hadičky pomocí rychlospojky a připojení hadičky vedoucí od čerpadla pomocí jednocestného ventilu;

7) Naplnění zásobní nádoby měřicím médiem a připojení elektrického zdroje k Čerpadlu;

8) Pomocí čerpadla je měřicím médiem naplněna tlaková expanzní nádoba a současně jsou do vrtu pomocí injekční hadičky vytlačeny alespoň 2 objemy hadičky a trubky tak, aby se vytlačil veškerý vzduch z injektážního potrubí a prostoru mezi pakry. Objem injektážmho potrubí je nutné vypočíst v závislosti na délce a průměru hadičky a trubky;

9) Tlakovou pumpou jsou pakry nafouknuty vodou na tlak 1,5 až 2 MPa a vymezený úsek vrtu je hydraulicky izolován, přičemž tlak vody v pakrech je kontrolován pomocí manometru, kterýje součástí tlakové pumpy;

10) Celek popsaný v kroku 6), kromě tlakové láhve, je umístěn na váhu do klimatizovaného boxu. Kabely od váhy a čidel jsou připojeny k dataloggeru, který je následně připojen ke zdroji elektrické energie;

11) Následně je do boxu umístěna co největší část hadičky tak, aby délka hadičky mezi vrtem a izolačním boxem byla co nejkratší;

12) Klimatizační jednotka je připojena ke zdroji elektrické energie a je nastavena na střední předpokládanou hodnotu mezi minimální a maximální denní/noční teplotou. Víko boxuje přiklopeno. Před zahájením měření je nutné posečkat, dokud se teplota uvnitř boxu neustálí na konstantní hodnotě nastavené na klimatizační jednotce. Aktuální teplota v boxuje sledována na displeji dataloggeru pomocí teplotního čidla.

13) Z tlakové láhve je do homí komory expanzní nádoby napuštěn vzduchu o požadovaném zkušebním tlaku (obvykle 100 kPa), přičemž tlak měřicího média v expanzní nádobě je prů50 běžně sledován na displeji dataloggeru pomocí tlakového čidla;

14) Na dataloggeru je spuštěn záznam hodnot na paměťovou kartu v požadovaném intervalu. Úbytek měřicího média v expanzní nádobě je měřen váhou a je průběžně sledován na dis-6CZ 23717 Ul pleji dataloggeru. O délce a okamžiku ukončení VTZ rozhoduje operátor na základě hodnot a grafického znázornění průběhu zkoušky na displeji dataloggeru;

15) Pro průběžné doplňování elektrické energie do zdroje je k tomuto zdroji výhodně připojen fotovoltaický systém,

Základní používané pojmy a zkratky:

HZ - hydrodynamická zkouška.

PA - polyamid.

TFPE - teflon.

VTZ - vodní tlaková zkouška.

io Hydraulická vodivost - schopnost horniny propouštět vodu účinkem hydraulického gradientu. Je vyjadřována koeficientem hydraulické vodivosti (m.s'¹). V obecné rovině je pro hydraulickou vodivost používán termín „propustnost“.

Transmisivita - schopnost zvodněného kolektoru o určité mocnosti propouštět vodu účinkem hydraulického gradientu. Je vyjadřována koeficientem transmisivity (m².s’).

Pakr - součást testovací sestavy, která slouží k izolaci vybraného úseku vrtu. Pryžová součást pakru se po zapuštění pakru do vrtu roztáhne nafouknutím a zatěsní stvol vrtu v daném místě.

Skin efekt (skin) - zóna změněné propustnosti, která se může vytvořit v bezprostředním okolí (plášti) vrtu během vrtného procesu a její vliv na průběh HZ.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek č, 1: Schematický nákres zapojení součástí zařízení zapouštěných do vitu;

Obrázek č. 2: Detail zavěšení trubky a napojení hadiček na trubku a pakr;

Obrázek č. 3: Schematicky nákres zapojení součástí zařízení pro generování a detekci tlakového impulzu včetně podpůrných zařízení.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Zařízení na měření propustnosti obsahuje elektrický naviják i poháněným elektrickým proudem o napětí 230 V a opatřený ocelovým lanem 10 o délce 200 m a nosnosti 250 kg; dále zahrnuje stojan 2 s kladkou opatřenou měřicím kolečkem 211 pro měření aktuální hloubky zapuštění náčiní, teflonovou injektážní hadičku 3 o průměru 6 mm s nízkou roztažnosti umožňující použít pra30 covní tlak minimálně 2 MPa, vodní tlakovou pumpou 4 s manometrem využívanou k nafouknutí a upevnění dvojice pryžových pakrů 5, 7 vymezujících testovaný úsek vrtu a pryžové pakry 5, 7, kde pakry 5, 7 jsou spojeny ocelovou injektážní trubkou 11, která je ve střední části opatřena perforací pro vtláčení testovacího média do vymezeného úseku vrtu. Oba pakry 5, 7 jsou přemostěny spojovací hadičkou 6 k rovnoměrné distribuci vody v pakrech a k současnému nafouk35 nutí nebo vypuštění obou parků 5, 7. Spodní pakr 7 je neprůběžný a je na dolním konci utěsněn šroubovací záslepkou 8. Injektážní trubka H je opatřena pevným nosným ocelovým okem 9 pro připevnění lana 10 pomocí karabiny 111 typu „Mailon“. Spojení mezi ocelovou injektážní trubkou 11 a hadičkou 3 je uskutečněno šroubovací nástrčnou rychlospojkou 12. K připojení tlakové hadičky 14 spojující tlakovou pumpu 4 s pakrem 5 je v místě připojení k parku 5 užita šroubova40 cí rychlospojka 13.

Zařízení dále sestává z komponent sloužících k provedení měření a zahrnuje tedy dále citlivé váhy 15 s přesností měření 1 gram s rozsahem vážení od 0 do 30 kg, expanzní tlakovou nádobu 16 s provozním tlakem do 400 kPa a objemem 4 až 25 1, tlakovou láhev 1J se stlačeným vzduchem se sadou redukčních ventilů s výstupním tlakem 100 až 400 kPa, tlakové čidlo 18 s rozsa-7CZ 23717 Ul hem 50 až 500 kPa, teplotní čidlo 19 s citlivostí minimálně 0,5 °C s rozsahem do 50 °C, datalogger 20 ukládající údaje z čidel 18, 19, údaje o změřených hmotnostech, teplotách a tlaku v určených časových intervalech; dále zařízení obsahuje izolační polystyrénový box 21 o síle stěny 10 cm se snírnatelným víkem umožňující manipulaci s komponentami uvnitř boxu 21, klimati5 začni jednotku 22 schopnou udržovat v izolačním boxu 21 nastavenou konstantní teplotu s odchylkou maximálně 1 °C, 24V akumulátory jakožto zdroj 23 elektrické energie, zásobní nádobu 24 na měřicí médium, elektrické odstředivé čerpadlo 25 pro napouštění měřicího média do expanzní nádoby 16, hadičku 251 od čerpadla 25, která je k expanzní nádobě 16 připojená pomocí jednocestného ventilu 26, který má směr propouštění pouze do expanzní nádoby 16 a zabraňuje io tak vytékání média zpět do zásobní nádoby 24. Pro připojení expanzní nádoby 16 na hadičku 3 vedoucí do vrtu je použita nástrčná rychlospojka 27. Datalogger 20 a klimatizační jednotka 22 pri svém provozu během měření spotřebovávají elektrickou energii ze zdroje 23, přičemž pro dlouhodobý provoz sestává zařízení rovněž z fotovoltaických panelů 28 o výkonu 270 W dostačující k doplňování elektrické energie ze slunečního záření v místech, kde není dostupná běžná přípojka elektrické energie.

Zařízení bylo úspěšně aplikováno pri terénním měření ve vrtech na třech lokalitách v České republice. Jednalo se o lokalitu Ctětínek u Nasavrk, Melechov u Ledče nad Sázavou a Kaliště u Humpolce. Testovanou matricí byly různé typy granitů Českého masivu. Vlastní provedení technického řešení na testovaných lokalitách se shodovalo s výše uvedeným popisem. Testovány byly úseky horninové matrice bez zjištěných makropuklin v hloubkách od 26 do 86 m pod terénem, mocnost testovaného úseku (vzdálenost pakrů) byla 0,44 m. Pro testy byl standardně nastaven konstantní tlak v expanzní nádobě 100 kPa, což podle hydrogeologických poměrů na konkrétní lokalitě odpovídalo vstupnímu tlaku od 130 do 170 kPa.

Váhově měřené spotřeby vtláčené vody se při těchto testech pohybovaly od 0,004 po 1 mimin¹.

To odpovídá hodnotám koeficientu hydraulické vodivosti v rozsahu 4,0.10'¹² až 1,0.10*⁹ m.s‘^l. Měření takto nízkého koeficientu hydraulické vodivosti bylo možné jedině díky tomuto nově vyvinutému zařízení, které umožnilo přesně změřit nepatrné změny úbytku hmotnosti vtláčeného média v dlouhém časovém úseku.

Příklad 2

Způsob měření propustnosti hornin, geotechnických a stavebních materiálů za použití měření hmotnostního úbytku vtláčeného měřicího média pomocí citlivých vah, kde způsob sestává z následujících kroků:

1) Umístění a stabilizace stojanu 2 s elektrickým navijákem 1 a měřicím kolečkem 211 nad ústím vrtu.

2) Sestavení pakrů 5,7 a ínjektážní trubky H do jednoho celku, přičemž spodní pakr 7 je na dolním konci utěsněn záslepkou 8, aby byl neprůběžný.

3) Připojení ínjektážní hadičky 3 pomocí rychlospojky 12 k ínjektážní trubce 11. připojení tlakové hadičky 14 vedoucí od tlakové pumpy k hornímu pakru 5 a vzájemné propojení pakrů 5, 7 pomocí spojovací hadičky 6.

4) Zavěšení celku popsaného v krocích 2) a 3) na manipulační ocelové lano 10 pomocí nosného ocelového oka 9 a karabiny 111,

5) Vynulování hodnoty měřicího kolečka 211 a spuštění celku popsaného v krocích 2) a 3) do požadované hloubky měření ve vrtu pomocí elektrického navijáku 1, přičemž aktuální hloubka zapuštění je kontrolována na měřicím kolečku 211.

6) Sestavení expanzní tlakové nádoby 16, tlakové láhve 17, čidel 18, J_9, jednocestného ventilu a rychlospojky 22 do jednoho celku; připojení Ínjektážní hadičky 3 pomocí rychlospojky a připojení hadičky 251 vedoucí od čerpadla 25 pomocí jednocestného ventilu 26.

7) Naplnění zásobní nádoby 24 měřicím médiem a připojení elektrického zdroje 23 k čerpadlu 25.

8) Naplnění tlakové expanzní nádoby 16 měřicím médiem pomocí čerpadla 25 a současně jsou do vrtu pomocí injekční hadičky 3 vytlačeny alespoň 2 objemy hadičky 3 a trubky 11 tak,

-8CZ 23717 Ul aby se vytlačil veškerý vzduch z injektážního potrubí a prostoru mezi pakry 5, 7. Objem injektážního potrubí je vypočten v závislosti na délce a průměru hadičky 3 a trubky li.

9) Vyplnění pakrů 5, 7 vodou pomocí tlakové pumpy 4 na tlak 1,5 až 2 MPa a hydraulická izolace vymezeného prostoru vrtu, přičemž tlak vody v pakrech je kontrolován pomocí manometru, který je součástí tlakové pumpy 4.

10) Umístění celku popsaného v kroku 6), kromě tlakové láhve 17, na váhu 15 do klimatizovaného boxu 21, připojení kabelů od váhy 15 a čidel 18, 19 k dataloggeru 20 a následné připojení dataloggeru 20 ke zdroji 23.

11) Umístění co největší části hadičky 3 do boxu 21 tak, aby délka hadičky 3 mezi vrtem a izoio lačním boxem 21 byla co nejkratší.

12) Připojení klimatizační jednotky 22 ke zdroji 23 elektrické energie a její nastavení na střední předpokládanou hodnotu mezi minimální a maximální denní/noční teplotou. Víko boxu 21 je priklopeno. Před zahájením měření je nutné posečkat, dokud se teplota uvnitř boxu neustálí na konstantní hodnotě nastavené na klimatizační jednotce 22. Aktuální teplota v boxu je sledována na displeji dataloggeru 20 pomocí teplotního čidla 19.

13) Z tlakové láhve 17 je do homí komory expanzní nádoby 16 napuštěn vzduch o požadovaném zkušebním tlaku (obvykle 100 kPa). Tlak měřicího média v expanzní nádobě 16 ie průběžně sledován na displeji dataloggeru 20 tlakovým čidlem 18.

14) Spuštění záznamu hodnot na dataloggeru 20 na paměťovou kartu v požadovaném intervalu,

Úbytek měřicího média v expanzní nádobě 16 je měřen váhou 15 a je průběžně sledován na displeji dataloggeru 20. O délce a okamžiku ukončení VTZ rozhoduje operátor na základě hodnot a grafického znázornění průběhu zkoušky na displeji dataloggeru 20.

15) Připojení fotovoltaického panelu 28 pro průběžné doplňování elektrické energie do zdroje 23.

Průmyslová využitelnost technického řešení

Díky tomuto zařízení a popsané metodě lze v terénních podmínkách (stavby, tunely, podzemní zásobníky, důlní díla) měřit propustnosti velmi málo propustných matric s koeficienty hydraulické vodivosti v rozmezí 10'⁹ až 10'¹⁴ m.s¹. Citlivost měření za použití technického řešení je o dva až čtyři řády vyšší než citlivost dosud využívaných terénních měřicích zařízení.

Měření propustností takto nízce propustných matric má praktický význam v geotechnologických oborech a stavebním průmyslu pri budování podzemních zásobníků nebo úložišť, u kterých je požadavek na co nejnižší propustnost. Dále je výše uvedené zařízení použitelné při testování kvality a těsnosti geobariér či uměle vytvořených mikroporézních materiálů. Může se jednat o testy jílového těsnění skládkových těles nebo kontrolu kvality betonů u vodárenských objektů.

Jedná se o nejpřesnější metodu, jak získat údaje o propustnosti geobariér a dalších izolačních materiálů přímo v místě jejich použití.

Získané údaje z měření jsou taktéž využitelné jako primární vstupní data do bezpečnostních analýz, které jsou často součástí schvalovacího řízení pri budování výše uvedených děl.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

40 1. Zařízení pro in-situ měření propustnosti hornin, geotechnických a stavebních materiálů využívající metodiky měření objemové spotřeby vtláčeného měřicího média, vyznačuj ící se tím, že sestává z elektrického navijáku (1) a ocelového lana (10) se stojanem (2) a kladkou opatřenou měřicím kolečkem (211) pro měření aktuální hloubky zapuštění náčiní, dále sestává z teflonové injektážní hadičky (3) s nízkou roztažnosti umožňující použít pracovní tlak

45 minimálně 2 MPa, vodní tlakové pumpy (4) s manometrem využívané k nafouknutí a upevnění dvojice pryžových pakrů (5, 7) vymezujících testovaný úsek vrtu a pryžové pakry (5, 7) jež jsou

-9 CZ 23717 Ul spojeny ocelovou injektážní trubkou (11), která je ve střední části opatřena perforací pro vtláčení testovacího média do vymezeného úseku vrtu, přičemž oba pakry (5, 7) jsou přemostěny spojovací hadičkou (6) k rovnoměrné distribuci vody v pakrech a k současnému nafouknutí nebo vypuštění obou parků (5, 7), přičemž spodní pakr (7) je neprůběžný a je na dolním konci utěsněn

5 šroubovací záslepkou (8), injektážní trubka (11) je opatřena pevným nosným ocelovým okem (9) pro připevnění lana (10) pomocí karabiny (111), dále obsahuje šroubovací nástrčnou rychlospojku (12) ke spojení ocelové injektážní trubky (11) a hadičky (3), dále zařízení obsahuje Šroubovací rychlospojku (13) k připojení tlakové hadičky (14) spojující tlakovou pumpu (4) s pakrem (5), dále obsahuje váhy (15), expanzní tlakovou nádobu (16) s provozním tlakem do 400 kPa a objelo mem 4 až 25 1, tlakovou láhev (17) se stlačeným vzduchem se sadou redukčních ventilů s výstupním tlakem 100 až 400 kPa, tlakové Čidlo (18) s rozsahem 50 až 500 kPa, teplotní čidlo (19) s citlivostí minimálně 0,5 °C s rozsahem do 50 °C, datalogger (20) pro ukládání údajů z čidel (18, 19) a údaje o změřených hmotnostech, teplotách a tlaku v určených časových intervalech; dále zařízení obsahuje izolační polystyrénový box (21) o síle stěny alespoň 10 cm se snímatel15 ným víkem, klimatizační jednotku (22) k udržení konstantní teploty v izolačním boxu (21) s odchylkou maximálně 1 °C, 24V akumulátory jakožto zdroj (23) elektrické energie, zásobní nádobu (24) na měřicí médium, alespoň jedno elektrické odstředivé čerpadlo (25) pro napouštění měřicího média do expanzní nádoby (16), hadičku (251) od čerpadla (25), jednocestný ventil (26) pro připojení hadičky (251) k expanzní nádobě (16) umožňující směr propouštění pouze do expanzní

20 nádoby (16) a zabraňující vytékání média zpět do zásobní nádoby (24) a dále zařízení obsahuje nástrčnou rychlospojku (27) pro připojení expanzní nádoby (16) na hadičku (3) vedoucí do vrtu, přičemž pro dlouhodobý provoz zařízení rovněž obsahuje alespoň jeden fotovoltaický panel (28) o výkonu 270 W.
2. Zařízení pro in-situ měření propustnosti homin, geotechnických a stavebních materiálů

25 využívající metodiky měření objemové spotřeby vtláčeného měřicího média podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje citlivé váhy (15) s přesností měření 1 gram s rozsahem vážení do 30 kg.
3. Zařízení pro ίη-situ měření propustnosti homin, geotechnických a stavebních materiálů využívající metodiky měření objemové spotřeby vtláčeného měřicího média podle nároku 1,

30 vyznačující se tím, že zahrnuje expanzní nádobu (16) jakožto zdroj měřicího média s konstantním tlakem v průběhu měření.
4. Zařízení pro in-situ měření propustnosti homin, geotechnických a stavebních materiálů využívající metodiky měření objemové spotřeby vtláčeného měřicího média podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje klimatizační jednotku (22) sloužící k temperování

35 izolačního boxu (21).