单管水压式双止水栓塞及压水试验测试装置

技术领域

本实用新型涉及地质工程勘测设备技术领域，尤其涉及一种单管水压式双止水栓塞及压水试验测试装置。

背景技术

压水试验是水电工程勘测设计的一项重要工作内容，是最直观地获取岩体渗透系数的技术手段，其为评价岩体的渗透特性和设计渗控措施提供最基本资料。一般试验压力小于1.0MPa 为常规压水试验，试验压力大于1.0MPa为高压压水试验，其中止水栓塞是压水试验的关键设备，尤其是高压压水试验中的止水栓塞隔水效果对试验压水试验结果影响巨大。

目前，国内使用的止水栓塞有双管循环式、单管顶压式、水压式、油压式和气压式等类型。单管顶压式橡胶栓塞是目前水电水利行业应用最广的设备，具有结构简单、易操作的优点，但存在封闭不理想，尤其是软岩地层或较破碎地层钻孔孔壁不完整的情况下，易出现孔内事故，橡胶塞过度变形造成卡死在孔内，止水栓塞容易被卡死。水压式栓塞的胶囊易与孔壁紧贴，即使在孔壁不太平直的情况下，也能实现面接触，止水可靠性较好，对不同孔径、孔深的钻孔均能适应，操作比较方便，但目前常用的设备是采用单个栓塞进行隔离试验段，隔离性不好。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种提高测试效果的单管水压式双止水栓塞及压水试验测试装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：单管水压式双止水栓塞，包括从上到下依次设置的上止水栓塞、试验段管和下止水栓塞，试验段管分别与上止水栓塞、下止水栓塞固定连接，试验段管外周开设有多个进水孔；上止水栓塞包括第一缸体、第一活塞管和第一胶囊，第一活塞管底端封闭，第一活塞管置于第一缸体内腔内并与其滑动连接，第一胶囊固定设置在第一缸体外周，第一缸体侧壁开设有与第一胶囊进口连接的第一通道，第一活塞管底部开设有第二通道；第一缸体内腔包括第一腔体和第二腔体，第一腔体位于第二腔体上方，第二腔体内径大于第一活塞管外径，第一通道设于第一腔体对应第一缸体侧壁处，当第一活塞管的第二通道置于第一腔体时，第一活塞管与第一腔体形成密闭结构，第一活塞管与第一胶囊通过第一通道、第二通道连通；下止水栓塞包括第二缸体和第二胶囊，试验段管一端与第一缸体底端出口连接，第二腔体通过第一缸体底端出口与试验段管连通，试验段管另一端与第二缸体顶端进口连接，第二缸体底部为密闭结构，当第一活塞管的第二通道置于第二腔体时，第一活塞管与试验段管连通；第一缸体侧壁沿其轴向设置有与第一通道连接的第一连接通道，第二缸体侧壁沿其轴向设置第二连接通道，第一连接通道与第二连接通道之间设置有将两者连接的连接管；第二胶囊固定设置在第二缸体外周，第二连接通道与第二胶囊进口之间设置有将两者连接的第三通道。

进一步的是：第一活塞管底端设置有第一环形凸台，第一腔体和第二腔体之间的内侧壁设置有向内凸出的第二环形凸台，第二环形凸台的内径与第一活塞管外径相适配，第一环形凸台外径与第一缸体内径相适配，且第一环形凸台置于第二环形凸台下方，当第一环形凸台与第二环形凸台抵接时，第二通道与第一通道相对应。

进一步的是：第一活塞管外径小于第一腔体内径，第一活塞管外周面固设有固定环套，第一活塞管通过固定环套与第一缸体滑动连接。

进一步的是：第一活塞管外周设置有向外凸出的第三环形凸台，第三环形凸台置于第一缸体顶端上方，当第三环形凸台与第一缸体顶端抵接时，第一活塞管的第二通道位于第二腔体内。

进一步的是：第一腔体内径与第二腔体内径相同，第一腔体与第二腔体之间设置有小于第一腔体内径的第三腔体，第三腔体内径与第一活塞管外径相适配，第一腔体的顶部固定设有环形塞，环形塞所在位置高于第一通道所在位置，环形塞位于第一腔体与第一活塞管之间，并与第一活塞管滑动连接。

进一步的是：第一胶囊套接在第一缸体外周，第一胶囊的顶端和底端分别与第一缸体固定连接；第二胶囊套接在第一缸体外周，第二胶囊的顶端和底端分别与第二缸体固定连接。

进一步的是：试验段管外侧壁设置有用于测量压水试验段压力的渗压计。

本实用新型为解决其技术问题还提出一种压水试验测试装置，包括压水装置、输水管、支撑管和支撑装置，还包括所述单管水压式双止水栓塞，支撑管竖直设置，支撑装置用于将支撑管吊装，压水装置出水口与支撑管进水口通过输水管连接，输水管上设置有流量计和压力计，支撑管底端与第一活塞管顶端固定连接。

进一步的是：支撑装置包括支撑架、吊绳和用于驱动吊绳升降的驱动装置，驱动装置固定设置在支撑架上，吊绳一端与支撑管顶部固定连接，吊绳另一端与驱动装置输出端固定连接。

本实用新型的有益效果是：

1、在试验段管上下两端分别设置上止水栓塞和下止水栓塞，通过连接管将第一胶囊与第二胶囊连通，使得两个胶囊的注水同步进行，同时对孔壁贴合，可形成隔离效果较好的试验段，使测得的岩体渗透系数更为准确；

2、通过控制支撑管的移动，实现支撑管内腔与胶囊连通、支撑管内腔与试验段管连通，并且两种状态通过第一环形凸台、第二环形凸台和第三环形凸台实现定位切换，实现对第一活塞管的定位控制，便于对胶囊、试验段管实现分别注水，降低操作难度且操作简单。

3、本实用新型中压水试验测试装置通过单管水压式双止水栓塞对岩体渗透系数进行测量，隔离效果更好，测得的岩体渗透系数更为准确；并且本装置操作简单，便于实施。

附图说明

图1为单管水压式双止水栓塞装置示意图；

图2为上止水栓塞与下止水栓塞内部结构剖视一图；

图3为上止水栓塞与下止水栓塞内部结构剖视二图；

图4为第一缸体结构示意一图；

图5为第一缸体结构示意二图。

图中标记为：1压水装置；2流量计；3压力计；4输水管；5支撑管；6上止水栓塞；7 下止水栓塞；8试验段管；9连接管；10固定环套；11支撑架；12吊绳；61第一缸体；611 第一通道；612第一连接通道；613第二环形凸台；62第一活塞管；621第三环形凸台；622 第一环形凸台；63第一胶囊；71第二缸体；711第三通道；712第二连接通道；72第二活塞管；73第二胶囊。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本文中，“平行”、“垂直”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1中所示本实用新型所述的压水试验测试装置，压水试验测试装置包括压水装置1、输水管4、支撑装置、支撑管5和单管水压式双止水栓塞，支撑管5竖直设置，支撑装置包括支撑架11、吊绳12和用于驱动吊绳12升降的驱动装置，驱动装置固定设置在支撑架11上，吊绳12一端与支撑管5固定连接，将其吊装，吊绳12另一端与驱动装置输出端固定连接；压水装置1给水施加压力，将水压入支撑管5内，压水装置1出水口与支撑管5进水口通过输水管4连接，输水管4上设置有测试管道内水流的参数流量计2和压力计3。

单管水压式双止水栓塞包括从上到下依次设置的上止水栓塞6、试验段管8和下止水栓塞7，试验段管8分别与上止水栓塞6、下止水栓塞7固定连接，试验段管8外周开设有多个进水孔；如图2和图3所示，上止水栓塞6包括第一缸体61、第一活塞管62和第一胶囊63，第一活塞管62底端封闭，第一活塞管62顶端与支撑管5底端固定连接，第一活塞管62置于第一缸体61内腔内并与其滑动配合，第一胶囊63固定设置在第一缸体61外周，第一缸体 61侧壁开设有与第一胶囊63进口连接的第一通道611，第一活塞管62底部开设有第二通道；第一缸体61内腔包括第一腔体和第二腔体，第一腔体位于第二腔体上方，第二腔体内径大于第一活塞管62外径，第一通道611设于第一腔体对应第一缸体61侧壁处；如图2所示，当第一活塞管62的第二通道置于第一腔体时，第一活塞管62与第一腔体形成密闭结构，第一活塞管62与第一胶囊63通过第一通道611、第二通道连通；

下止水栓塞7包括第二缸体71和第二胶囊73，试验段管8一端与第一缸体61底端出口连接，第二腔体通过第一缸体61底端出口与试验段管8连通，试验段管8另一端与第二缸体 71顶端进口连接，第二缸体71底部为密闭结构；如图3所示，当第一活塞管62的第二通道置于第二腔体时，第一活塞管62与试验段管8连通；

第一缸体61侧壁沿其轴向设置有与第一通道611连接的第一连接通道612，第二缸体71 侧壁沿其轴向设置第二连接通道712，第一连接通道612与第二连接通道712之间设置有将两者连接的连接管9；第二胶囊73固定设置在第二缸体71外周，第二连接通道712与第二胶囊73进口之间设置有将两者连接的第三通道711。

在本实用新型中，第一活塞管62存在两种位置状态，第一种状态是第二通道在第一腔体内与第一通道611连通，此时第一缸体61内侧壁与第一活塞管62外侧壁之间形成密闭区域，密闭区域只存在水流从第一活塞管62注入到第一胶囊63的通道，水流不能从其它结构件之间流出；第二种状态是第二通道在第二腔体内，与试验段管8连通，由于第二缸体71底部为密闭结构水流只能从试验段管8的进水孔中流出。因此，第一缸体61可以为图2、图4或图 5中的结构式样，当然也并不仅仅是本实用新型中所提到的结构，只要能够达到上述作用的结构均适用于本实用新型。

工作原理：

支撑管5设置在钻孔内，压水装置1向支撑管5内注水，水流通过支撑管5进入到第一活塞管62内，将第一活塞管62的第二通道下吊至第一缸体61的第一通道611对应处，第一活塞管62与第一胶囊63通过第一通道611、第二通道连通，水流进入到第一胶囊63内，然后通过连连接管9流入到第二胶囊73内，第一胶囊63、第二胶囊73均侧向膨胀直至与钻孔孔壁紧贴，第一胶囊63、第二胶囊73膨胀完成后，第一缸体61与第二缸体2被固定在该位置，在第一胶囊63与第二胶囊73共同的上下密封作用下，压水试验段处于密闭状态；然后将第一活塞管62继续下吊至第一缸体61的第二腔体内，第一活塞管62与试验段管8通过第二通道连通，水流从第一活塞管62进入到试验段管8内，然后经过进水孔注入岩层与试验段管8之间的空间，当水流压力和水流流量达到相应状态时，记录此时的试验压力和流量，进而获得该段岩体的渗透参数。

具体，为了让第二通道与第一通道611实现连通配合，方便对第一活塞管62的运动实现定位，第一活塞管62底端设置有第一环形凸台622，第一腔体和第二腔体之间的内侧壁设置有向内凸出的第二环形凸台613，第二环形凸台613的内径与第一活塞管62外径相适配，第一环形凸台622外径与第一缸体61内径相适配，且第一环形凸台622置于第二环形凸台613 下方，当第一环形凸台622与第二环形凸台613抵接时，第二通道与第一通道611相对应，第一活塞管62与第一胶囊63连通。

具体，为了方便实现第一活塞管62与第一缸体61内腔的滑动配合，第一活塞管62外径小于第一腔体内径，第一活塞管62外周面固设有固定环套10，固定环套10设置在第二通道上方，第一活塞管62通过固定环套10与第一缸体61滑动连接；应当理解的是，固定环套10采用不透水材质，且耐磨性能好，可适应相应的工作环境。

具体，为了方便实现第二通道进入到第二腔体指定位置，第一活塞管62外周设置有向外凸出的第三环形凸台621，第三环形凸台621置于第一缸体61顶端上方，当第三环形凸台621 与第一缸体61顶端抵接时，第一活塞管62的第二通道位于第二腔体内。

本实用新型的另一种实施方式，如图5所示，为了便于实现第一活塞管62注水功能的实现，第一腔体内径与第二腔体内径相同，第一腔体与第二腔体之间设置有小于第一腔体内径的第三腔体，第三腔体内径与第一活塞管62外径相适配，第一腔体的顶部固定设有环形塞，环形塞所在位置高于第一通道611所在位置，环形塞位于第一腔体与第一活塞管62之间，并与第一活塞管62滑动连接。

具体，为了便于胶囊的安装，第一胶囊63套接在第一缸体61外周，第一胶囊63的顶端和底端分别与第一缸体61固定连接；第二胶囊73套接在第一缸体61外周，第二胶囊73的顶端和底端分别与第二缸体71固定连接。

具体，为了便于检测压水试验段的实时压力，试验段管8外侧壁设置有用于测量压水试验段压力的渗压计。

优选的，为了便于加工，第二缸体71结构与第一缸体61结构相同。

在具体实施上，本实用新型装置实施包括以下步骤：

1.通过钻机在设计位置上进行钻孔、成孔和清孔；将支撑管5、上止水栓塞6、试验段管 8、下止水栓塞7依次相连，连接方式可采用螺纹连接；

2.将支撑管5放入钻孔内，上止水栓塞6、试验段管8和下止水栓塞7放置于试验部位，并和孔底留有适当孔隙；

3.在吊绳12的悬吊作用下，第一活塞管62的第一环形凸台622与第一缸体61的第二环形凸台613抵接，第一活塞管62与第一胶囊63通过第一通道611、第二通道连通；在该状态下，支撑管5内的空腔和第一胶囊63相通，第一胶囊63与第二胶囊73之间通过连接管9 连通；通过压水装置1对两个胶囊注水并施加压力，直至第一胶囊63与第二胶囊73均紧贴孔壁；胶囊紧贴孔壁且压力表显示到达预定压力值后停止施压，并记录孔内静水位；

4.通过驱动装置对支撑管5施加压力，使上止水栓塞6的第三环形凸台621与第一缸体 61顶端抵接，此时支撑管5内的空腔和试验段管8相通；通过压水设备对试验段进行施压，并记录压力和流量，计算该试验段岩体渗透参数；

5.试验完成后，降低试验段水压，提起支撑管5，第一环形凸台622与第二环形凸台613 抵接，支撑管5内的空腔与上下两个胶囊相通，降低胶囊内的水压，第一胶囊63与第二胶囊 73收缩，胶囊和孔壁脱离；胶囊和孔壁脱离后，通过驱动装置提出支撑管5后，继续钻孔；

6.钻至下一试验段深度后，重复1～5步骤，即可获取下一试验段岩体的渗透系数。

本实用新型结构简单、操作便捷，其中上、下两个止水栓塞能够很好的适应不同地层条件下的钻孔孔壁，形成一个封闭隔离的试验孔段，能够获取准确的岩层渗透系统，适用于浅孔常规压水试验和深孔高压压水试验，尤其是高坝、高水头调压井、岔管和高压输水管道沿线地层的渗透参数测试；本实用新型具备单管顶压式栓塞设备简单、易操作的优点，也具有水压式栓塞适应复杂孔壁条件、止水封闭效果好的优点。

以上仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。