地质勘探行业的一道难题

　　一场发生在地下岩石深处的较量前前后后经历了7年。

　　这场较量涉及一道长期困扰水利水电勘察行业的技术难题。

　　“当时压力很大，南水北调西线工程、古贤工程地质勘探需要准确了解地下岩体状况，而市面的仪器根本满足不了需求，逼着我们走上自主研发的道路。”黄河设计公司地质勘探院院长易学文说。

　　要了解地下岩体状况，业界通常使用钻孔压水试验的办法来解决，就是在钻孔内通过试验中压力、流量的相互关系、变化过程与变化趋势来计算、判断岩体的渗透性。这好比在地岩钻孔内放入一个感觉灵敏的机器人，通过感知钻孔内不同深度的试验水压、水流，从而将地下深处的地质状况用数据形式呈现给地面的勘探人员。

　　“钻孔压水试验和取芯是水利水电勘探必须进行的两个最基本、最重要的原始程序之一，要保证勘测结果真实有效，必须通过各种手段提高压水试验数据的准确性和精度，这是其他勘察手段不可替代的。”黄河设计公司地质勘探院总工程师缪绪樟说。

　　但是，问题在于目前的钻孔压水试验技术精度根本满足不了需要，诸如压力损失处理、干深孔试验、人工读数误差等问题一直未能得到有效解决，导致压水试验结果不可靠、不可信。

　　“其实，一直以来，压水试验一直是一个令人头痛的问题，业主和勘测单位心里都清楚，这是一个长期存在并且无法深入追究的技术难题。地下岩体状况到底怎么样，非常具体的情况谁也说不清楚，只能知道个大概情况，这就是现状。”缪绪樟告诉记者。

　　“而谁都知道，压水试验结果的重要意义在于，它是论证坝基和库区岩体完整性和透水程度以及制订防渗措施和基础处理方案的基本依据，试验数据的准确与否、精度高低对工程建设周期和工程投资具有十分重大的影响。尤其是关乎工程安全问题，更使得压水试验结果意义非比寻常。”缪绪樟接着说。

　　特别是当前我国水利水电工程建设进入新的历史阶段，工程规模越来越大，技术越来越复杂，工程建设难度越来越高，就更需要高精度的原始地质资料来保证工程设计更合理、更精细，尤其是要在保证安全的同时，大幅降低投资。

　　在这种情况下，工程建设的要求与钻孔压水试验技术滞后的矛盾越来越尖锐，问题越来越突出，成为业界很烦恼的一个问题。

勘察大师王行本的一席话

　　在古贤水利枢纽工程勘察现场，一位地质测量人员正在一个类似笔记本电脑模样的仪器前工作，仪器屏幕上显示了地下200米深处的实测水压、流量读数等，轻点鼠标，一条流量-压力曲线随即直观地显示在坐标中。

　　这就是黄河设计公司地质勘探院最新研制成功的钻孔压水试验测试仪。它由一个主机和一根连接压力传感器的电缆组成，简洁方便却功能强大，解决了地质勘探行业压水试验长期存在的难题。

　　“本技术成果最大的突破在于可以实测试验段压力，这个突破是对压水试验规程的重大贡献。它既解决了压力损失问题，也解决了干深孔问题，使得压水试验成果准确、可信，我非常感谢成果研发单位所做的努力。”2010年7月6日，在河南省科学技术厅组织的技术鉴定会上，多次主编《水利水电工程钻孔压水试验规程》的勘察大师王行本给予该成果高度评价。

　　在现场的项目组成员听了王大师这席话，都无比激动：付出终于有了收获，苦些累些也都值了！

　　鉴定会上，专家一致认为该研究成果总体达到国际先进水平，其中在小直径液位变送器的密封技术方面达到国际领先水平。仪器性能稳定、操作简单，有效地解决了长期困扰水利水电行业的技术难题，实现了压水试验数据采集和成果整理的自动化，大大提高了成果质量，且提高了工作效率，促进了工程勘测技术的进步与发展。

　　“原来要3个人忙碌的工作，现在只要1个人就能轻松搞定。仪器操作非常易于掌握，哪怕是具有小学文化程度的工人也很快能够熟练操作，而且所有数据完全由电脑读取，不存在人为误差。”技术研发部副主任郭明告诉记者。

　　经鉴定，该成果的主要创新点包括以下几个方面：研发的水下小直径（Φ17毫米）液位变送器的密封技术，在2MPa压力下保持1000小时无损坏，性能稳定可靠，实现了国内外小直径液位变送器密封技术的新突破；在国内外首次成功研制出了每个输出信号分辨率高达0.5L的远传发讯水表；基于Windows操作系统，开发了压水试验专用程序，实现了数据处理的自动化等。

　　该成果还荣获2010年度黄河勘测规划设计研究院有限公司科技进步一等奖，已成功应用于陕西旬河、山西锡崖沟、河南河口村、黄河古贤水利枢纽、四川白鹤滩等工程勘察中，实践证明：其成果质量可靠，降低了生产成本和劳动强度，经济、社会效益显著，具有广泛的推广应用前景。

　　该成果已申请了三项专利-- “可拆卸式的水下电缆与传感器的连接密封结构”和“钻孔压水试验综合测试系统”为实用新型专利，已授权；“可拆卸式的水下电缆与传感器的连接密封方法”为发明专利，已受理。

　　“这些创新成果来之不易，我们从2003年就开始着手进行相关技术研究，历经7年，汇聚了我们地勘院全体职工的智慧和心血。”谈起钻孔压水试验的技术研发，缪绪樟轻轻地叹了一口气。

勘探工地上的压力

　　在实验室里，记者看到了钻孔压水实验过程中使用的水表、水罐、电缆线和高高的钻井架等实验仪器和工具，这些都见证了技术成果研发的艰辛过程。

　　“我们实在是被逼无奈，从专业市场上购买的压水试验仪很不好用。记得1996年，我曾经连着3天没睡觉，一直在勘探工地上抢修压水试验仪器，不是接头坏了，就是传感器进水了，或者是电路板烧掉了，总之是不停出问题。”缪绪樟说。

　　“从1996年开始，我们就一直想怎样研发稳定、准确的压水试验仪器。但是，由于当时的技术力量薄弱，想做也做不成。”易学文说。

　　“到1997年，市场上出了二代改进仪器，我们又购进了8台，结果在南召抽水蓄能电站勘察工地上一用，问题又出来了，读数一直不正常，折腾得要命。”缪绪樟说，“那年工地上一个做饭的师傅对此印象都特别深刻，多年后遇到我还感慨地说‘当年那个仪器可把你折腾惨了！’”

　　本来这个工作是一个普通机组施工人员干的活，可是技术人员却跟着跑起来，比施工人员还忙，而且好半天才做一两段试验，工作效率提不上去，已经严重影响了正常生产。最后，机组施工人员也都着急了，“这么不好用，还怎么做下去？”

　　没办法，黄河设计公司地质勘探院求助于长科院、中南大学以及西安信息公司等科研院校和专业公司，结果也解决不了压力损失和干深孔等问题。

　　“直到2003年，改革后的地勘院在缺乏资金支持的情况下，克服困难，开始做一些研发的前期工作。当年的贾正海很想解决这个难题，通过与西安航空航天771研究所合作攻关，最后也做出来了改进后的样机，但传感器封装等关键难题还是没有解决，一用就坏掉了。”缪绪樟说着又叹了口气。

　　“也不是这些科研院校和专业公司研发不出来，因为这方面不是他们关注和研发的重点，加上成本、效益等问题，所以都没成功。”易学文告诉记者。

　　后来古贤项目上马，地质勘探涉及很多干深孔问题，这个解决不了，黄河设计公司地质勘探院领导压力很大，接连奔走江苏无锡找专门搞仪器仪表的代理商，找北京威斯特公司等，企图求得进展，结果还是没解决问题。

　　被逼到了绝路，黄河设计公司地质勘探院决定不再求助外援，回过头来自己搞研发。“公司从2007年开始，每年拿出产值的1%作为科研立项经费，支持各单位进行技术研发，地勘院成立技术研发部，设专门的机构和人员，安排专项资金作为科研经费。”技术研发部主任周晓告诉记者。

　　2008年，钻孔压水试验才立项上马，屈指算来，从开始寻求合作研发到现在已经过了5年。时不我待，在已有的研究基础上，黄河设计公司地质勘探院加快了研究的进度。

3个关键难题的终极较量

　　“存在的问题其实很清楚，关键是如何解决这些难题。首先最大的障碍是压力传感器（也就是液位变送器）的密封问题，这是以前仪器中最容易坏掉的‘卡脖子’问题。”易学文说。

　　“要想获得钻孔内的真实水压力，就必须将压力传感装置放到孔内，保证压力传感装置中的电子电路正常工作，还必须有高质量的密封，即使有一点水汽进入电路，整个压力信号就会失真，甚至导致电路损毁！”缪绪樟说。

　　目前，国内普通工作环境下的水密封已经得到了较好的解决，但是在压水试验这种苛刻的环境下，传感器的直径受到钻杆内径的限制，电缆和传感器的密封环状间隙很小，加之密封部位承受的压力变化幅度很大，单纯采用高压密封或低压密封都不能满足要求，加上传感器在钻杆内反复提拉，密封部位频繁受力变形，极易出现密封失效等问题，导致传感器的绝对密封非常困难。所以，国内外满足钻孔压水试验这种特定环境下的压力传感器水下密封还没有很好的解决方法，这个问题自然也成为项目研究的关键。

　　项目组就这一技术难点做了大量研究工作，在与外单位合作采取电子灌封胶、物理压紧等密封方法均失败后，项目组决定自主创新，自行进行压力传感器的设计与加工。封装，泄露，再封装，还泄露，又一次封装，还是泄露……奇迹终于在2008年11月6日出现，那一天全院欢腾，终于取得了突破性进展：性能稳定且密封可靠的水下小直径（Φ17mm）液位变送器终于研制成功。

　　钻孔压水试验综合测试仪的另外一个难题是流量传感装置的量测范围问题。压水试验规程要求流量的测量应该在1～100升每分的范围内，能够满足精度要求，但是目前的流量传感装置无法满足这一要求。

　　项目组首先对电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计和远传发讯水表这4种流量计的工作原理与特性进行了研究和对比，随后进行了大量的室内和现场试验，最终确定以测量原理简单、安装使用方便且维修方便、价格低廉的远传发讯水表作为压水测试仪流量传感系统的研究基础。根据压水试验的要求，项目组对远传发讯水表的现有特性进行了设计，将其输出信号分辨率从5L/1个信号提高到0.5 L/1个信号，实现了国内外每个输出信号分辨率高达0.5L的远传发讯水表的首次成功研制。

　　同时，在数据采集器和采集程序的研究上，项目组也进行了反复的试验对比，不断征求试验人员的意见和建议，进行了多次改进，最终形成了现在界面友好、操作简便的压水试验采集程序。

　　在压力传感系统和流量传感系统的研究取得了实质性突破以后，研究工作并没有结束，接下来的又一个难题摆在了项目组成员面前，即仪器的组装。为了使仪器实现良好的一体化组装，更好地适应野外恶劣的工作环境，项目组还进行了多次尝试与试验。最终，在项目组全体成员的不懈努力下，性能稳定、野外适应能力强的钻孔压水试验综合测试仪研制成功。

　　“研究的过程充满艰辛和困难，但是在院领导的主持和推动下，我们始终坚持往前走，不松懈、不放弃，最终做出了成果。”地勘院技术研发部项目组主要成员、中国地质大学硕士研究生郭明在回顾研发过程时说。

　　“不是一下子就想出来的，是一点一点摸索出来的。”易学文感慨地说。

　　“不少兄弟单位对我们的新仪器非常感兴趣，评价很高。”郭明告诉记者。

　　回首7年来走过的科技创新和技术研发之路，充满坎坷，历经磨难，但是，地勘院技术研发人员凭借不折不挠的意志，最终赢得了这场地岩深处的较量，地下岩土状况将会更加准确、清晰地呈现在地质人员面前。

　　科技创新无止境。随着更多科研项目的立项，地勘院将全力以赴做好每一项科技研发，不断提高勘察技术水平，积极攀登新的勘探技术高峰。