地巖深處的較量
發布日期：2010-09-15
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地質勘探行業的一道難題
一場發生在地下巖石深處的較量前前后后經歷了7年。
這場較量涉及一道長期困擾水利水電勘察行業的技術難題。
“當時壓力很大，南水北調西線工程、古賢工程地質勘探需要準確了解地下巖體狀況，而市面的儀器根本滿足不了需求，逼著我們走上自主研發的道路。”黃河設計公司地質勘探院院長易學文說。
要了解地下巖體狀況，業界通常使用鉆孔壓水試驗的辦法來解決，就是在鉆孔內通過試驗中壓力、流量的相互關系、變化過程與變化趨勢來計算、判斷巖體的滲透性。這好比在地巖鉆孔內放入一個感覺靈敏的機器人，通過感知鉆孔內不同深度的試驗水壓、水流，從而將地下深處的地質狀況用數據形式呈現給地面的勘探人員。
“鉆孔壓水試驗和取芯是水利水電勘探必須進行的兩個最基本、最重要的原始程序之一，要保證勘測結果真實有效，必須通過各種手段提高壓水試驗數據的準確性和精度，這是其他勘察手段不可替代的。”黃河設計公司地質勘探院總工程師繆緒樟說。
但是，問題在于目前的鉆孔壓水試驗技術精度根本滿足不了需要，諸如壓力損失處理、干深孔試驗、人工讀數誤差等問題一直未能得到有效解決，導致壓水試驗結果不可靠、不可信。
“其實，一直以來，壓水試驗一直是一個令人頭痛的問題，業主和勘測單位心里都清楚，這是一個長期存在并且無法深入追究的技術難題。地下巖體狀況到底怎么樣，非常具體的情況誰也說不清楚，只能知道個大概情況，這就是現狀。”繆緒樟告訴記者。
“而誰都知道，壓水試驗結果的重要意義在于，它是論證壩基和庫區巖體完整性和透水程度以及制訂防滲措施和基礎處理方案的基本依據，試驗數據的準確與否、精度高低對工程建設周期和工程投資具有十分重大的影響。尤其是關乎工程安全問題，更使得壓水試驗結果意義非比尋常。”繆緒樟接著說。
特別是當前我國水利水電工程建設進入新的歷史階段，工程規模越來越大，技術越來越復雜，工程建設難度越來越高，就更需要高精度的原始地質資料來保證工程設計更合理、更精細，尤其是要在保證安全的同時，大幅降低投資。
在這種情況下，工程建設的要求與鉆孔壓水試驗技術滯后的矛盾越來越尖銳，問題越來越突出，成為業界很煩惱的一個問題。
勘察大師王行本的一席話
在古賢水利樞紐工程勘察現場，一位地質測量人員正在一個類似筆記本電腦模樣的儀器前工作，儀器屏幕上顯示了地下200米深處的實測水壓、流量讀數等，輕點鼠標，一條流量-壓力曲線隨即直觀地顯示在坐標中。
這就是黃河設計公司地質勘探院最新研制成功的鉆孔壓水試驗測試儀。它由一個主機和一根連接壓力傳感器的電纜組成，簡潔方便卻功能強大，解決了地質勘探行業壓水試驗長期存在的難題。
“本技術成果最大的突破在于可以實測試驗段壓力，這個突破是對壓水試驗規程的重大貢獻。它既解決了壓力損失問題，也解決了干深孔問題，使得壓水試驗成果準確、可信，我非常感謝成果研發單位所做的努力。”2010年7月6日，在河南省科學技術廳組織的技術鑒定會上，多次主編《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》的勘察大師王行本給予該成果高度評價。
在現場的項目組成員聽了王大師這席話，都無比激動：付出終于有了收獲，苦些累些也都值了！
鑒定會上，專家一致認為該研究成果總體達到國際先進水平，其中在小直徑液位變送器的密封技術方面達到國際領先水平。儀器性能穩定、操作簡單，有效地解決了長期困擾水利水電行業的技術難題，實現了壓水試驗數據采集和成果整理的自動化，大大提高了成果質量，且提高了工作效率，促進了工程勘測技術的進步與發展。
“原來要3個人忙碌的工作，現在只要1個人就能輕松搞定。儀器操作非常易于掌握，哪怕是具有小學文化程度的工人也很快能夠熟練操作，而且所有數據完全由電腦讀取，不存在人為誤差。”技術研發部副主任郭明告訴記者。
經鑒定，該成果的主要創新點包括以下幾個方面：研發的水下小直徑（Φ17毫米）液位變送器的密封技術，在2MPa壓力下保持1000小時無損壞，性能穩定可靠，實現了國內外小直徑液位變送器密封技術的新突破；在國內外首次成功研制出了每個輸出信號分辨率高達0.5L的遠傳發訊水表；基于Windows操作系統，開發了壓水試驗專用程序，實現了數據處理的自動化等。
該成果還榮獲2010年度黃河勘測規劃設計研究院有限公司科技進步一等獎，已成功應用于陜西旬河、山西錫崖溝、河南河口村、黃河古賢水利樞紐、四川白鶴灘等工程勘察中，實踐證明：其成果質量可靠，降低了生產成本和勞動強度，經濟、社會效益顯著，具有廣泛的推廣應用前景。
該成果已申請了三項專利-- “可拆卸式的水下電纜與傳感器的連接密封結構”和“鉆孔壓水試驗綜合測試系統”為實用新型專利，已授權；“可拆卸式的水下電纜與傳感器的連接密封方法”為發明專利，已受理。
“這些創新成果來之不易，我們從2003年就開始著手進行相關技術研究，歷經7年，匯聚了我們地勘院全體職工的智慧和心血。”談起鉆孔壓水試驗的技術研發，繆緒樟輕輕地嘆了一口氣。
勘探工地上的壓力
在實驗室里，記者看到了鉆孔壓水實驗過程中使用的水表、水罐、電纜線和高高的鉆井架等實驗儀器和工具，這些都見證了技術成果研發的艱辛過程。
“我們實在是被逼無奈，從專業市場上購買的壓水試驗儀很不好用。記得1996年，我曾經連著3天沒睡覺，一直在勘探工地上搶修壓水試驗儀器，不是接頭壞了，就是傳感器進水了，或者是電路板燒掉了，總之是不停出問題。”繆緒樟說。
“從1996年開始，我們就一直想怎樣研發穩定、準確的壓水試驗儀器。但是，由于當時的技術力量薄弱，想做也做不成。”易學文說。
“到1997年，市場上出了二代改進儀器，我們又購進了8臺，結果在南召抽水蓄能電站勘察工地上一用，問題又出來了，讀數一直不正常，折騰得要命。”繆緒樟說，“那年工地上一個做飯的師傅對此印象都特別深刻，多年后遇到我還感慨地說‘當年那個儀器可把你折騰慘了！’”
本來這個工作是一個普通機組施工人員干的活，可是技術人員卻跟著跑起來，比施工人員還忙，而且好半天才做一兩段試驗，工作效率提不上去，已經嚴重影響了正常生產。最后，機組施工人員也都著急了，“這么不好用，還怎么做下去？”
沒辦法，黃河設計公司地質勘探院求助于長科院、中南大學以及西安信息公司等科研院校和專業公司，結果也解決不了壓力損失和干深孔等問題。
“直到2003年，改革后的地勘院在缺乏資金支持的情況下，克服困難，開始做一些研發的前期工作。當年的賈正海很想解決這個難題，通過與西安航空航天771研究所合作攻關，最后也做出來了改進后的樣機，但傳感器封裝等關鍵難題還是沒有解決，一用就壞掉了。”繆緒樟說著又嘆了口氣。
“也不是這些科研院校和專業公司研發不出來，因為這方面不是他們關注和研發的重點，加上成本、效益等問題，所以都沒成功。”易學文告訴記者。
后來古賢項目上馬，地質勘探涉及很多干深孔問題，這個解決不了，黃河設計公司地質勘探院領導壓力很大，接連奔走江蘇無錫找專門搞儀器儀表的代理商，找北京威斯特公司等，企圖求得進展，結果還是沒解決問題。
被逼到了絕路，黃河設計公司地質勘探院決定不再求助外援，回過頭來自己搞研發。“公司從2007年開始，每年拿出產值的1%作為科研立項經費，支持各單位進行技術研發，地勘院成立技術研發部，設專門的機構和人員，安排專項資金作為科研經費。”技術研發部主任周曉告訴記者。
2008年，鉆孔壓水試驗才立項上馬，屈指算來，從開始尋求合作研發到現在已經過了5年。時不我待，在已有的研究基礎上，黃河設計公司地質勘探院加快了研究的進度。
3個關鍵難題的終極較量
“存在的問題其實很清楚，關鍵是如何解決這些難題。首先最大的障礙是壓力傳感器（也就是液位變送器）的密封問題，這是以前儀器中最容易壞掉的‘卡脖子’問題。”易學文說。
“要想獲得鉆孔內的真實水壓力，就必須將壓力傳感裝置放到孔內，保證壓力傳感裝置中的電子電路正常工作，還必須有高質量的密封，即使有一點水汽進入電路，整個壓力信號就會失真，甚至導致電路損毀！”繆緒樟說。
目前，國內普通工作環境下的水密封已經得到了較好的解決，但是在壓水試驗這種苛刻的環境下，傳感器的直徑受到鉆桿內徑的限制，電纜和傳感器的密封環狀間隙很小，加之密封部位承受的壓力變化幅度很大，單純采用高壓密封或低壓密封都不能滿足要求，加上傳感器在鉆桿內反復提拉，密封部位頻繁受力變形，極易出現密封失效等問題，導致傳感器的絕對密封非常困難。所以，國內外滿足鉆孔壓水試驗這種特定環境下的壓力傳感器水下密封還沒有很好的解決方法，這個問題自然也成為項目研究的關鍵。
項目組就這一技術難點做了大量研究工作，在與外單位合作采取電子灌封膠、物理壓緊等密封方法均失敗后，項目組決定自主創新，自行進行壓力傳感器的設計與加工。封裝，泄露，再封裝，還泄露，又一次封裝，還是泄露……奇跡終于在2008年11月6日出現，那一天全院歡騰，終于取得了突破性進展：性能穩定且密封可靠的水下小直徑（Φ17mm）液位變送器終于研制成功。
鉆孔壓水試驗綜合測試儀的另外一個難題是流量傳感裝置的量測范圍問題。壓水試驗規程要求流量的測量應該在1～100升每分的范圍內，能夠滿足精度要求，但是目前的流量傳感裝置無法滿足這一要求。
項目組首先對電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計和遠傳發訊水表這4種流量計的工作原理與特性進行了研究和對比，隨后進行了大量的室內和現場試驗，最終確定以測量原理簡單、安裝使用方便且維修方便、價格低廉的遠傳發訊水表作為壓水測試儀流量傳感系統的研究基礎。根據壓水試驗的要求，項目組對遠傳發訊水表的現有特性進行了設計，將其輸出信號分辨率從5L/1個信號提高到0.5 L/1個信號，實現了國內外每個輸出信號分辨率高達0.5L的遠傳發訊水表的首次成功研制。
同時，在數據采集器和采集程序的研究上，項目組也進行了反復的試驗對比，不斷征求試驗人員的意見和建議，進行了多次改進，最終形成了現在界面友好、操作簡便的壓水試驗采集程序。
在壓力傳感系統和流量傳感系統的研究取得了實質性突破以后，研究工作并沒有結束，接下來的又一個難題擺在了項目組成員面前，即儀器的組裝。為了使儀器實現良好的一體化組裝，更好地適應野外惡劣的工作環境，項目組還進行了多次嘗試與試驗。最終，在項目組全體成員的不懈努力下，性能穩定、野外適應能力強的鉆孔壓水試驗綜合測試儀研制成功。
“研究的過程充滿艱辛和困難，但是在院領導的主持和推動下，我們始終堅持往前走，不松懈、不放棄，最終做出了成果。”地勘院技術研發部項目組主要成員、中國地質大學碩士研究生郭明在回顧研發過程時說。
“不是一下子就想出來的，是一點一點摸索出來的。”易學文感慨地說。
“不少兄弟單位對我們的新儀器非常感興趣，評價很高。”郭明告訴記者。
回首7年來走過的科技創新和技術研發之路，充滿坎坷，歷經磨難，但是，地勘院技術研發人員憑借不折不撓的意志，最終贏得了這場地巖深處的較量，地下巖土狀況將會更加準確、清晰地呈現在地質人員面前。
科技創新無止境。隨著更多科研項目的立項，地勘院將全力以赴做好每一項科技研發，不斷提高勘察技術水平，積極攀登新的勘探技術高峰。