本發(fā)明屬于土木建筑、交通工程、環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自鉆式承壓水頭原位測試裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

城市地下空間開發(fā)涉及到的工程地質(zhì)體往往是一個包含了潛水含水層和多個承壓含水層的地下水循環(huán)系統(tǒng)，因此深基坑與地下工程減壓降水成為影響施工安全、施工效率的重要環(huán)節(jié)，也一直是工程建設(shè)中的難題之一，而準(zhǔn)確可靠的對地下多層含水層承壓水頭進行可靠測試更是降水設(shè)計的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外對地下承壓水位的測試主要采用鉆孔觀測的方法，需要在一個已經(jīng)鉆好的測試孔中安裝套管，然后采用水位計觀測套管內(nèi)水位，但實際操作時，需要采用粘土球?qū)μ坠芡鈧?cè)含水層處上下進行封堵，在此過程中，常常由于黏土球在下行過程中遇水膨脹難以到達(dá)預(yù)定位置，導(dǎo)致封閉位置錯誤或封閉效果不好，甚至造成上下含水層地下水的聯(lián)通，水頭測試變成了靜止水位或混合水位的測試，或者封閉位置偏差，影響測試的可靠性，甚至測試失敗，進而導(dǎo)致降水設(shè)計不可靠，甚至給工程留下事故隱患。

鑒于上述原因，迫切需要研發(fā)一種能夠?qū)Φ叵露鄬映袎核^進行快速、有效測試的新手段，為基坑與地下工程降水設(shè)計及控制提供可靠數(shù)據(jù)，減小基坑與地下工程地下水事故的發(fā)生概率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明針對現(xiàn)有地下多層含水層承壓水頭測試方法的不足，本發(fā)明提出一種地下承壓水頭原位測試新裝置及其使用方法，以解決基坑與地下工程降水設(shè)計承壓水頭難以可靠測試的技術(shù)問題。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種自鉆式承壓水頭原位測試裝置，包括鉆進系統(tǒng)、膨脹機構(gòu)及測試系統(tǒng)，其中，

所述鉆進系統(tǒng)包括豎直方向的內(nèi)層中空鉆桿及其外部的外層套管，所述外層套管的頂部低于所述內(nèi)層中空鉆桿的頂部，所述內(nèi)層中空鉆桿和外層套管之間形成環(huán)形腔，所述內(nèi)層中空鉆桿、環(huán)形腔與外設(shè)的水箱、水泵依次連接，形成液體循環(huán)系統(tǒng)；所述外層套管的底端為切削刃，所述內(nèi)層中空鉆桿的底端連接鉆頭；所述內(nèi)層中空鉆桿和外層套管的下端為開孔花管，內(nèi)襯透水鋼濾網(wǎng)；

所述膨脹機構(gòu)包括固定設(shè)置在所述外層套管中下部、所述開孔花管上方位置外側(cè)的膨脹膜，所述膨脹膜通過輸送管路與高壓儲存瓶連接；

所述測量系統(tǒng)包括內(nèi)置于所述內(nèi)層中空鉆桿中的透水鋼濾網(wǎng)內(nèi)部的探測儀和與之連接的數(shù)據(jù)采集儀。

進一步的，所述透水鋼濾網(wǎng)為網(wǎng)片狀結(jié)構(gòu)，由不銹鋼制作，采用50-60目細(xì)濾網(wǎng)。

進一步的，所述膨脹膜外側(cè)纏繞設(shè)置有膨脹膜保護套，所述膨脹膜保護套為均勻豎直設(shè)置的金屬薄片組成，所述金屬薄片為長條狀不銹鋼條帶，厚度2mm，寬度10mm，沿膨脹膜外圍垂直排列，間距2mm；所述膨脹膜保護套外纏上有一圈膠帶，防止金屬薄片受力變形而損壞內(nèi)部的膨脹膜。

進一步的，所述內(nèi)層中空鉆桿和外層套管的頂部均分別連接動力源。

進一步的，所述液體循環(huán)系統(tǒng)中，所述環(huán)形腔與水箱之間、水泵與內(nèi)層中空鉆桿的頂部之間通過通水管路連接，所述通水管路為聚氨酯纖維增強軟管。

進一步的，所述輸送管路為聚氨酯纖維增強軟管。

進一步的，所述探測儀為滲壓計或水位計。

進一步的，所述高壓儲存瓶為高壓氣瓶或高壓液瓶，相應(yīng)的輸送管路為輸氣管路或輸液管路。

一種自鉆式承壓水頭原位測試裝置的使用方法，包括以下步驟：

1)將帶膨脹膜的首節(jié)外層套管壓入地層的隔水層；

2)內(nèi)層中空鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進地層，鉆進過程中，控制鉆頭相對位置高于切削刃的底端；通過內(nèi)層中空鉆桿的逐節(jié)、循環(huán)鉆進和逐節(jié)壓入外層套管，直至鉆頭穿過隔水層進入測試含水層，而帶膨脹膜的膨脹區(qū)套管仍位于上部的不透水的隔水層之中；

同時開啟水泵輸送循環(huán)液，將鉆進過程中產(chǎn)生的土壤切削碎屑通過環(huán)形腔送出鉆孔進入水箱；

3)停止外層套管的壓入，內(nèi)層中空鉆桿持續(xù)鉆進，待鉆頭相對位置超過切削刃底端后停止鉆頭鉆進；

4)開啟水泵持續(xù)輸送循環(huán)液進行清洗，同時開啟高壓儲存瓶輸送高壓膨脹物質(zhì)使膨脹膜膨脹，與上部隔水層密貼；

5)將探測儀送入內(nèi)層中空鉆桿的底端開孔花管處，觀測水壓，直至測試得到穩(wěn)定水壓為止。

進一步的，測試完成測試含水層的承壓水位后，按上述步驟持續(xù)工作，進入下一承壓含水層，測試下一含水層承壓水頭大小。

有益效果：本發(fā)明提供的采用一種可以自鉆前進的鉆進裝置，通過內(nèi)部鉆桿驅(qū)動鉆頭鉆進至承壓含水層，同時將帶膨脹膜的外部套管壓入不透水層，并通過膨脹膜的膨脹實現(xiàn)與周圍土層的密貼，實現(xiàn)隔斷上下地下水的聯(lián)通，進而通過內(nèi)層中空鉆桿將測試元件送入含水層位置，測試水壓大小，實現(xiàn)承壓水位的可靠測試。本發(fā)明可以實現(xiàn)對地下承壓水位的高效測試，適應(yīng)性強，可靠性高，特別是對多層承壓水層的連續(xù)測試，能滿足基坑與地下工程降水設(shè)計的需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)成示意圖；

圖2為本發(fā)明帶膨脹膜的套管及其外部條狀金屬薄片示意圖；

圖3為本發(fā)明套管及內(nèi)部鉆桿內(nèi)襯透水鋼濾網(wǎng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種具有獨特結(jié)構(gòu)和測試方式的自鉆式承壓水頭原位測試新裝置及其使用方法，包括鉆進系統(tǒng)，膨脹機構(gòu)及測試系統(tǒng)，鉆進系統(tǒng)包括動力源、水泵、水箱、通水管路、外層套筒、內(nèi)層中空鉆桿、切削刃及鉆頭，鉆進壓力、水壓監(jiān)控儀表及控制閥；膨脹機構(gòu)包括膨脹膜、膨脹膜保護套、高壓氣(或液)瓶、輸氣(或液)管路、氣壓(或液壓)監(jiān)控儀表及控制閥；測量系統(tǒng)包括用于水壓力觀測的滲壓計(或水位計)、數(shù)據(jù)電纜和數(shù)據(jù)采集儀，切削刃安裝于外層套管底端，鉆頭連接于內(nèi)層中空鉆桿底端；膨脹機構(gòu)固定在外層套管中下部特定位置，滲壓計在測試時內(nèi)置于內(nèi)層中空鉆桿下端，外層套管及內(nèi)層鉆桿下端為開孔花管，內(nèi)襯透水鋼濾網(wǎng)。本發(fā)明通過內(nèi)層鉆桿/外層套管的協(xié)同工作實現(xiàn)自主鉆進到特定含水層位置，減少對地層的擾動，并通過外層套管上膨脹機構(gòu)的膨脹實現(xiàn)對上下含水層的密封阻隔，并通過內(nèi)置的滲壓計實現(xiàn)對承壓水水頭的測試，本發(fā)明具有自鉆進減少擾動和有效實現(xiàn)不同含水層的密封阻隔，進而實現(xiàn)對不同含水層水頭的有效測試，解決了現(xiàn)有預(yù)鉆式成孔觀測承壓水頭精度低、效率低、不可靠的技術(shù)難題。

一種自鉆式承壓水頭原位測試裝置，包括鉆進系統(tǒng)、膨脹機構(gòu)及測試系統(tǒng)，其中，

鉆進系統(tǒng)包括豎直方向的內(nèi)層中空鉆桿6及其外部的外層套管5，外層套管5的頂部低于內(nèi)層中空鉆桿6的頂部，內(nèi)層中空鉆桿6和外層套管5之間形成環(huán)形腔，內(nèi)層中空鉆桿6、環(huán)形腔與外設(shè)的水箱3、水泵2依次連接，形成液體循環(huán)系統(tǒng)；其中，環(huán)形腔與水箱3之間、水泵2與內(nèi)層中空鉆桿6的頂部之間通過通水管路4連接，通水管路4為聚氨酯纖維增強軟管。水泵2、水箱3及通水管路4與內(nèi)層中空鉆桿6和環(huán)形腔共同組成供水循環(huán)系統(tǒng)，水泵2使循環(huán)鉆進液(通常為水)通過內(nèi)層中空鉆桿6壓到鉆頭8前部，再通過內(nèi)層中空鉆桿6和外層套管5之間的環(huán)形腔返回地面，同時帶走了所有的土壤切削碎屑，傳送到水箱3中，并在水箱3中利用分離篩進行固液分離。

外層套管5的底端為切削刃7，內(nèi)層中空鉆桿6的底端連接鉆頭8；內(nèi)層中空鉆桿6和外層套管5的下端為開孔花管，內(nèi)襯透水鋼濾網(wǎng)17；如圖3所示，透水鋼濾網(wǎng)17為網(wǎng)片狀結(jié)構(gòu)，由不銹鋼制作，一般采用50-60目細(xì)濾網(wǎng)。

內(nèi)層中空鉆桿6和外層套管5的頂部均分別連接動力源1。動力源1為柴油發(fā)電機，連接到鉆進系統(tǒng)，使其能夠為外層套管5提供逐節(jié)壓入地層所需要的下壓力，為內(nèi)層中空鉆桿6旋轉(zhuǎn)鉆進地層提供動力。內(nèi)層中空鉆桿6是分節(jié)連接的，每次進尺1m，連接下一根鉆桿，采用絲扣連接。

膨脹機構(gòu)包括固定設(shè)置在外層套管5中下部、開孔花管上方位置外側(cè)的膨脹膜9，膨脹膜9通過聚氨酯纖維增強軟管輸送管路11與高壓儲存瓶12連接高壓儲存瓶12為高壓氣瓶或高壓液瓶，相應(yīng)的輸送管路11為輸氣管路或輸液管路。膨脹膜9外側(cè)纏繞設(shè)置有膨脹膜保護套10，如圖2所示，膨脹膜保護套10為均勻豎直設(shè)置的金屬薄片組成，金屬薄片為長條狀，為不銹鋼條帶，厚度2mm，寬度10mm，沿膨脹膜9外圍垂直排列，間距2mm；鉆進開始前，可在保護套10外纏上一圈膠帶，防止金屬薄片受力變形而損壞內(nèi)部的膨脹膜9。

本發(fā)明的膨脹機構(gòu)，通過輸氣(或液)管12向與外層套管5下部相連的膨脹膜9輸送高壓空氣(或液體)，使其向四周土層膨脹，與外圍土體密貼，達(dá)到密封的效果。

測量系統(tǒng)包括內(nèi)置于內(nèi)層中空鉆桿6中的透水鋼濾網(wǎng)17內(nèi)部的探測儀14和與之連接的數(shù)據(jù)采集儀16，探測儀14為滲壓計或水位，通過數(shù)據(jù)電纜15連接數(shù)據(jù)采集儀16。

鉆進系統(tǒng)：外層套管5下部特定位置安裝有膨脹膜9，膨脹膜9上纏繞膠帶，外部為條狀金屬薄片，保護膨脹膜9；鉆進時，地面上的鉆進系統(tǒng)通過對外層套管5施加下壓力，將套管逐節(jié)壓入土層；內(nèi)層鉆桿6底部連接有旋轉(zhuǎn)鉆頭8，在地面動力作用下旋轉(zhuǎn)切削土體前進；當(dāng)?shù)竭_(dá)測試位置(承壓含水層)后，通過高壓氣(或液)泵輸送壓縮空氣(或液體)使膨脹膜9與孔壁土層密貼，將測試含水層19與上部不透水層即隔水層18隔開。

測試系統(tǒng)：在內(nèi)層中空鉆桿鉆6進至含水層19一定深度后，通過內(nèi)層中空鉆桿6壓入清水清洗鉆孔，直至返回清水至地面，此時將滲壓計(或水位計)14測頭用數(shù)據(jù)電纜15送入內(nèi)層中空鉆桿6底部花管透水處測試水壓。

上述的一種自鉆式承壓水頭原位測試裝置的使用方法，包括以下步驟：

1)將帶膨脹膜9的首節(jié)外層套管5壓入地層的隔水層18；

2)內(nèi)層中空鉆桿6旋轉(zhuǎn)鉆進地層，鉆進過程中，控制鉆頭8相對位置高于切削刃7的底端；通過內(nèi)層中空鉆桿6的逐節(jié)循環(huán)鉆進(每鉆進1m，連接下一根鉆桿，如此循環(huán)鉆進)和逐節(jié)壓入外層套管5，直至鉆頭8穿過隔水層18進入測試含水層19，而帶膨脹膜9的膨脹區(qū)套管仍位于上部的不透水的隔水層18之中；內(nèi)層中空鉆桿6、外層套管5鉆進速率取決于電機功率，土層軟性質(zhì)等。

同時開啟水泵2輸送循環(huán)液，將鉆進過程中產(chǎn)生的土壤切削碎屑通過環(huán)形腔送出鉆孔進入水箱3；

3)停止外層套管5的壓入，內(nèi)層中空鉆桿6持續(xù)鉆進，待鉆頭8相對位置超過切削刃7底端后停止鉆頭8鉆進；

4)開啟水泵2持續(xù)輸送循環(huán)液進行清洗，同時開啟高壓儲存瓶11輸送高壓膨脹物質(zhì)使膨脹膜9膨脹，與上部隔水層18密貼；

5)將探測儀14送入內(nèi)層中空鉆桿6的底端開孔花管處，觀測水壓，直至測試得到穩(wěn)定水壓為止。

測試完成測試含水層19的承壓水位后，按上述步驟持續(xù)工作，進入下一承壓含水層，測試下一含水層承壓水頭大小。

實施例

一種地下承壓水頭原位測試新裝置，包括鉆進系統(tǒng)、膨脹機構(gòu)及測試系統(tǒng)；

所述鉆進系統(tǒng)包括動力源1、水泵2、水箱3、通水管路4、外層套管5、內(nèi)層中空鉆桿6組成，動力源1、水泵2、水箱3、通水管路4組成鉆進循環(huán)水系統(tǒng)，套管5下端為切削刃7，內(nèi)層鉆桿6下端連接鉆頭8；動力源1為套管5、內(nèi)層鉆桿6在土層中的鉆進提供向下的動力；

所述膨脹機構(gòu)由膨脹膜9、膨脹膜保護套10、高壓氣或液瓶或泵11、通氣管12和控制器13組成，其中高壓氣或液瓶或泵11通過通氣或液管12為膨脹膜9的膨脹提供壓力，膨脹過程通過控制器13控制，外部的膨脹膜保護套10對膨脹膜9提供保護，避免鉆進過程中受到損壞。

所述測量系統(tǒng)包括滲壓計或水位計14、數(shù)據(jù)電纜15和數(shù)據(jù)采集儀16，其中所述的滲壓計或水位計14在測試水位時將其用電纜送至內(nèi)層鉆桿下端透水處。

一種地下承壓水頭測試新裝置的使用方法包括以下步驟：

1、安裝階段：在測試區(qū)域連接好水泵和水箱，將動力源柴油發(fā)電機、輸水管路、輸氣管路、內(nèi)外兩層套管/鉆桿與動力系統(tǒng)連接。

2、工作階段：開啟動力源1首先將帶膨脹膜9的首節(jié)套管壓入地層；然后開啟內(nèi)層中空鉆桿6旋轉(zhuǎn)鉆進，同時開啟水泵2，輸送循環(huán)液清水，將切削碎屑通過內(nèi)外層鉆桿環(huán)形腔送出鉆孔進入水箱3；鉆進過程中，控制鉆頭8和切削刃7的相對位置為鉆頭8略高于切削刃7底端，通過內(nèi)層中空鉆桿6的循環(huán)鉆進和逐節(jié)壓入外層套管5，直至鉆頭8穿過隔水層18進入測試含水層19，而帶膨脹膜9的套管仍位于上部不透水層18之中；停止外層套管5的壓入，內(nèi)層中空鉆桿6持續(xù)鉆進，鉆頭8超出切削刃7底端一定距離后，停止內(nèi)層鉆頭8鉆進，持續(xù)通入清水，清洗鉆孔，直至地面返回清水，同時開啟地面氣泵13，輸送高壓氣體使外層套管5下端套管外膨脹膜9膨脹，與含水層上部不透水地層密貼，并使氣壓保持穩(wěn)定；將一端連有滲壓計或水位計14的數(shù)據(jù)電纜15送入內(nèi)層中空鉆桿6底端帶孔花管處，觀測水壓，直至測試得到穩(wěn)定水壓為止。

測試完成某含水層承壓水位后，可按上述步驟持續(xù)工作，進入下一承壓含水層，測試下一含水層承壓水位。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。