地質(zhì)勘探行業(yè)的一道難題
一場(chǎng)發(fā)生在地下巖石深處的較量前前后后經(jīng)歷了7年。
這場(chǎng)較量涉及一道長(zhǎng)期困擾水利水電勘察行業(yè)的技術(shù)難題。
“當(dāng)時(shí)壓力很大，南水北調(diào)西線工程、古賢工程地質(zhì)勘探需要準(zhǔn)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(fā)的道路。”黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院院長(zhǎng)易學(xué)文說(shuō)。
要了解地下巖體狀況，業(yè)界通常使用鉆孔壓水試驗(yàn)的辦法來(lái)解決，就是在鉆孔內(nèi)通過(guò)試驗(yàn)中壓力、流量的相互關(guān)系、變化過(guò)程與變化趨勢(shì)來(lái)計(jì)算、判斷巖體的滲透性。這好比在地巖鉆孔內(nèi)放入一個(gè)感覺(jué)靈敏的機(jī)器人，通過(guò)感知鉆孔內(nèi)不同深度的試驗(yàn)水壓、水流，從而將地下深處的地質(zhì)狀況用數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)給地面的勘探人員。
“鉆孔壓水試驗(yàn)和取芯是水利水電勘探必須進(jìn)行的兩個(gè)最基本、最重要的原始程序之一，要保證勘測(cè)結(jié)果真實(shí)有效，必須通過(guò)各種手段提高壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，這是其他勘察手段不可替代的。”黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院總工程師繆緒樟說(shuō)。
但是，問(wèn)題在于目前的鉆孔壓水試驗(yàn)技術(shù)精度根本滿足不了需要，諸如壓力損失處理、干深孔試驗(yàn)、人工讀數(shù)誤差等問(wèn)題一直未能得到有效解決，導(dǎo)致壓水試驗(yàn)結(jié)果不可靠、不可信。
“其實(shí)，一直以來(lái)，壓水試驗(yàn)一直是一個(gè)令人頭痛的問(wèn)題，業(yè)主和勘測(cè)單位心里都清楚，這是一個(gè)長(zhǎng)期存在并且無(wú)法深入追究的技術(shù)難題。地下巖體狀況到底怎么樣，非常具體的情況誰(shuí)也說(shuō)不清楚，只能知道個(gè)大概情況，這就是現(xiàn)狀。”繆緒樟告訴記者。
“而誰(shuí)都知道，壓水試驗(yàn)結(jié)果的重要意義在于，它是論證壩基和庫(kù)區(qū)巖體完整性和透水程度以及制訂防滲措施和基礎(chǔ)處理方案的基本依據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否、精度高低對(duì)工程建設(shè)周期和工程投資具有十分重大的影響。尤其是關(guān)乎工程安全問(wèn)題，更使得壓水試驗(yàn)結(jié)果意義非比尋常。”繆緒樟接著說(shuō)。
特別是當(dāng)前我國(guó)水利水電工程建設(shè)進(jìn)入新的歷史階段，工程規(guī)模越來(lái)越大，技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，工程建設(shè)難度越來(lái)越高，就更需要高精度的原始地質(zhì)資料來(lái)保證工程設(shè)計(jì)更合理、更精細(xì)，尤其是要在保證安全的同時(shí)，大幅降低投資。
在這種情況下，工程建設(shè)的要求與鉆孔壓水試驗(yàn)技術(shù)滯后的矛盾越來(lái)越尖銳，問(wèn)題越來(lái)越突出，成為業(yè)界很煩惱的一個(gè)問(wèn)題。
勘察大師王行本的一席話
在古賢水利樞紐工程勘察現(xiàn)場(chǎng)，一位地質(zhì)測(cè)量人員正在一個(gè)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(shí)測(cè)水壓、流量讀數(shù)等，輕點(diǎn)鼠標(biāo)，一條流量-壓力曲線隨即直觀地顯示在坐標(biāo)中。
這就是黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院最新研制成功的鉆孔壓水試驗(yàn)測(cè)試儀。它由一個(gè)主機(jī)和一根連接壓力傳感器的電纜組成，簡(jiǎn)潔方便卻功能強(qiáng)大，解決了地質(zhì)勘探行業(yè)壓水試驗(yàn)長(zhǎng)期存在的難題。
“本技術(shù)成果最大的突破在于可以實(shí)測(cè)試驗(yàn)段壓力，這個(gè)突破是對(duì)壓水試驗(yàn)規(guī)程的重大貢獻(xiàn)。它既解決了壓力損失問(wèn)題，也解決了干深孔問(wèn)題，使得壓水試驗(yàn)成果準(zhǔn)確、可信，我非常感謝成果研發(fā)單位所做的努力。”2010年7月6日，在河南省科學(xué)技術(shù)廳組織的技術(shù)鑒定會(huì)上，多次主編《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》的勘察大師王行本給予該成果高度評(píng)價(jià)。
在現(xiàn)場(chǎng)的項(xiàng)目組成員聽(tīng)了王大師這席話，都無(wú)比激動(dòng)：付出終于有了收獲，苦些累些也都值了！
鑒定會(huì)上，專家一致認(rèn)為該研究成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中在小直徑液位變送器的密封技術(shù)方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。儀器性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，有效地解決了長(zhǎng)期困擾水利水電行業(yè)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和成果整理的自動(dòng)化，大大提高了成果質(zhì)量，且提高了工作效率，促進(jìn)了工程勘測(cè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。
“原來(lái)要3個(gè)人忙碌的工作，現(xiàn)在只要1個(gè)人就能輕松搞定。儀器操作非常易于掌握，哪怕是具有小學(xué)文化程度的工人也很快能夠熟練操作，而且所有數(shù)據(jù)完全由電腦讀取，不存在人為誤差。”技術(shù)研發(fā)部副主任郭明告訴記者。
經(jīng)鑒定，該成果的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：研發(fā)的水下小直徑（Φ17毫米）液位變送器的密封技術(shù)，在2MPa壓力下保持1000小時(shí)無(wú)損壞，性能穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外小直徑液位變送器密封技術(shù)的新突破；在國(guó)內(nèi)外首次成功研制出了每個(gè)輸出信號(hào)分辨率高達(dá)0.5L的遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表；基于Windows操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了壓水試驗(yàn)專用程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化等。
該成果還榮獲2010年度黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，已成功應(yīng)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(shí)踐證明：其成果質(zhì)量可靠，降低了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
該成果已申請(qǐng)了三項(xiàng)專利-- “可拆卸式的水下電纜與傳感器的連接密封結(jié)構(gòu)”和“鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)”為實(shí)用新型專利，已授權(quán)；“可拆卸式的水下電纜與傳感器的連接密封方法”為發(fā)明專利，已受理。
“這些創(chuàng)新成果來(lái)之不易，我們從2003年就開(kāi)始著手進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，歷經(jīng)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(yàn)的技術(shù)研發(fā)，繆緒樟輕輕地嘆了一口氣。
勘探工地上的壓力
在實(shí)驗(yàn)室里，記者看到了鉆孔壓水實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的水表、水罐、電纜線和高高的鉆井架等實(shí)驗(yàn)儀器和工具，這些都見(jiàn)證了技術(shù)成果研發(fā)的艱辛過(guò)程。
“我們實(shí)在是被逼無(wú)奈，從專業(yè)市場(chǎng)上購(gòu)買的壓水試驗(yàn)儀很不好用。記得1996年，我曾經(jīng)連著3天沒(méi)睡覺(jué)，一直在勘探工地上搶修壓水試驗(yàn)儀器，不是接頭壞了，就是傳感器進(jìn)水了，或者是電路板燒掉了，總之是不停出問(wèn)題。”繆緒樟說(shuō)。
“從1996年開(kāi)始，我們就一直想怎樣研發(fā)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的壓水試驗(yàn)儀器。但是，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)力量薄弱，想做也做不成。”易學(xué)文說(shuō)。
“到1997年，市場(chǎng)上出了二代改進(jìn)儀器，我們又購(gòu)進(jìn)了8臺(tái)，結(jié)果在南召抽水蓄能電站勘察工地上一用，問(wèn)題又出來(lái)了，讀數(shù)一直不正常，折騰得要命。”繆緒樟說(shuō)，“那年工地上一個(gè)做飯的師傅對(duì)此印象都特別深刻，多年后遇到我還感慨地說(shuō)‘當(dāng)年那個(gè)儀器可把你折騰慘了！’”
本來(lái)這個(gè)工作是一個(gè)普通機(jī)組施工人員干的活，可是技術(shù)人員卻跟著跑起來(lái)，比施工人員還忙，而且好半天才做一兩段試驗(yàn)，工作效率提不上去，已經(jīng)嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。最后，機(jī)組施工人員也都著急了，“這么不好用，還怎么做下去？”
沒(méi)辦法，黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院求助于長(zhǎng)科院、中南大學(xué)以及西安信息公司等科研院校和專業(yè)公司，結(jié)果也解決不了壓力損失和干深孔等問(wèn)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(kāi)始做一些研發(fā)的前期工作。當(dāng)年的賈正海很想解決這個(gè)難題，通過(guò)與西安航空航天771研究所合作攻關(guān)，最后也做出來(lái)了改進(jìn)后的樣機(jī)，但傳感器封裝等關(guān)鍵難題還是沒(méi)有解決，一用就壞掉了。”繆緒樟說(shuō)著又嘆了口氣。
“也不是這些科研院校和專業(yè)公司研發(fā)不出來(lái)，因?yàn)檫@方面不是他們關(guān)注和研發(fā)的重點(diǎn)，加上成本、效益等問(wèn)題，所以都沒(méi)成功。”易學(xué)文告訴記者。
后來(lái)古賢項(xiàng)目上馬，地質(zhì)勘探涉及很多干深孔問(wèn)題，這個(gè)解決不了，黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院領(lǐng)導(dǎo)壓力很大，接連奔走江蘇無(wú)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(jìn)展，結(jié)果還是沒(méi)解決問(wèn)題。
被逼到了絕路，黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院決定不再求助外援，回過(guò)頭來(lái)自己搞研發(fā)。“公司從2007年開(kāi)始，每年拿出產(chǎn)值的1%作為科研立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，支持各單位進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，地勘院成立技術(shù)研發(fā)部，設(shè)專門的機(jī)構(gòu)和人員，安排專項(xiàng)資金作為科研經(jīng)費(fèi)。”技術(shù)研發(fā)部主任周曉告訴記者。
2008年，鉆孔壓水試驗(yàn)才立項(xiàng)上馬，屈指算來(lái)，從開(kāi)始尋求合作研發(fā)到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)了5年。時(shí)不我待，在已有的研究基礎(chǔ)上，黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘探院加快了研究的進(jìn)度。
3個(gè)關(guān)鍵難題的終極較量
“存在的問(wèn)題其實(shí)很清楚，關(guān)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(wèn)題，這是以前儀器中最容易壞掉的‘卡脖子’問(wèn)題。”易學(xué)文說(shuō)。
“要想獲得鉆孔內(nèi)的真實(shí)水壓力，就必須將壓力傳感裝置放到孔內(nèi)，保證壓力傳感裝置中的電子電路正常工作，還必須有高質(zhì)量的密封，即使有一點(diǎn)水汽進(jìn)入電路，整個(gè)壓力信號(hào)就會(huì)失真，甚至導(dǎo)致電路損毀！”繆緒樟說(shuō)。
目前，國(guó)內(nèi)普通工作環(huán)境下的水密封已經(jīng)得到了較好的解決，但是在壓水試驗(yàn)這種苛刻的環(huán)境下，傳感器的直徑受到鉆桿內(nèi)徑的限制，電纜和傳感器的密封環(huán)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(nèi)反復(fù)提拉，密封部位頻繁受力變形，極易出現(xiàn)密封失效等問(wèn)題，導(dǎo)致傳感器的絕對(duì)密封非常困難。所以，國(guó)內(nèi)外滿足鉆孔壓水試驗(yàn)這種特定環(huán)境下的壓力傳感器水下密封還沒(méi)有很好的解決方法，這個(gè)問(wèn)題自然也成為項(xiàng)目研究的關(guān)鍵。
項(xiàng)目組就這一技術(shù)難點(diǎn)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(xiàng)目組決定自主創(chuàng)新，自行進(jìn)行壓力傳感器的設(shè)計(jì)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(xiàn)，那一天全院歡騰，終于取得了突破性進(jìn)展：性能穩(wěn)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(yàn)綜合測(cè)試儀的另外一個(gè)難題是流量傳感裝置的量測(cè)范圍問(wèn)題。壓水試驗(yàn)規(guī)程要求流量的測(cè)量應(yīng)該在1～100升每分的范圍內(nèi)，能夠滿足精度要求，但是目前的流量傳感裝置無(wú)法滿足這一要求。
項(xiàng)目組首先對(duì)電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)和遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表這4種流量計(jì)的工作原理與特性進(jìn)行了研究和對(duì)比，隨后進(jìn)行了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定以測(cè)量原理簡(jiǎn)單、安裝使用方便且維修方便、價(jià)格低廉的遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表作為壓水測(cè)試儀流量傳感系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)。根據(jù)壓水試驗(yàn)的要求，項(xiàng)目組對(duì)遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表的現(xiàn)有特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將其輸出信號(hào)分辨率從5L/1個(gè)信號(hào)提高到0.5 L/1個(gè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外每個(gè)輸出信號(hào)分辨率高達(dá)0.5L的遠(yuǎn)傳發(fā)訊水表的首次成功研制。
同時(shí)，在數(shù)據(jù)采集器和采集程序的研究上，項(xiàng)目組也進(jìn)行了反復(fù)的試驗(yàn)對(duì)比，不斷征求試驗(yàn)人員的意見(jiàn)和建議，進(jìn)行了多次改進(jìn)，最終形成了現(xiàn)在界面友好、操作簡(jiǎn)便的壓水試驗(yàn)采集程序。
在壓力傳感系統(tǒng)和流量傳感系統(tǒng)的研究取得了實(shí)質(zhì)性突破以后，研究工作并沒(méi)有結(jié)束，接下來(lái)的又一個(gè)難題擺在了項(xiàng)目組成員面前，即儀器的組裝。為了使儀器實(shí)現(xiàn)良好的一體化組裝，更好地適應(yīng)野外惡劣的工作環(huán)境，項(xiàng)目組還進(jìn)行了多次嘗試與試驗(yàn)。最終，在項(xiàng)目組全體成員的不懈努力下，性能穩(wěn)定、野外適應(yīng)能力強(qiáng)的鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀研制成功。
“研究的過(guò)程充滿艱辛和困難，但是在院領(lǐng)導(dǎo)的主持和推動(dòng)下，我們始終堅(jiān)持往前走，不松懈、不放棄，最終做出了成果。”地勘院技術(shù)研發(fā)部項(xiàng)目組主要成員、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士研究生郭明在回顧研發(fā)過(guò)程時(shí)說(shuō)。
“不是一下子就想出來(lái)的，是一點(diǎn)一點(diǎn)摸索出來(lái)的。”易學(xué)文感慨地說(shuō)。
“不少兄弟單位對(duì)我們的新儀器非常感興趣，評(píng)價(jià)很高。”郭明告訴記者。
回首7年來(lái)走過(guò)的科技創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)之路，充滿坎坷，歷經(jīng)磨難，但是，地勘院技術(shù)研發(fā)人員憑借不折不撓的意志，最終贏得了這場(chǎng)地巖深處的較量，地下巖土狀況將會(huì)更加準(zhǔn)確、清晰地呈現(xiàn)在地質(zhì)人員面前。
科技創(chuàng)新無(wú)止境。隨著更多科研項(xiàng)目的立項(xiàng)，地勘院將全力以赴做好每一項(xiàng)科技研發(fā)，不斷提高勘察技術(shù)水平，積極攀登新的勘探技術(shù)高峰。