本发明属于土壤及地下水原位修复技术领域，特别涉及一种高压旋喷注射原位修复系统及方法。
背景技术：
原位高压旋喷注射系统在修复工程中应用广泛，该技术克服了我国南方等地粘土类地层药剂难以混合的难点，可通过高压旋喷钻头使药剂与土壤和地下水中的污染物充分混合，从而达到清除土壤和地下水中污染物的目的。但是目前该注射系统施工时无法随地层性质、污染物浓度等灵活调节注射压力、注射药剂量、提钻速率等，而实际地层垂向和水平方向多变化，且污染物浓度分布复杂，传统的施工方式容易造成人工浪费、药剂浪费、机械浪费(比如重度污染可能需要再次补充注入)等问题，例如现有高压旋喷注射手动操作较多，单孔最多可进行一次提钻速率的调整，需要多名熟练操作的工人实时跟进；例如现有施工大多对地层进行概化为一类，不能根据地层情况精细化控制注射压力，地下注射容易存在盲区，药剂未渗透情况，常需要补充注入，造成机械浪费；例如现有施工对污染概化不精细，不能根据污染情况精细化控制注射药剂量等参数，容易存过量注射或者少注射等情况，常需要补充注入，造成机械与药剂的浪费；例如注射药剂一般为化学试剂，人体皮肤接触具有一定的腐蚀性，现场手动搅拌药剂不仅计量不准，且容易对操作人员造成潜在伤害。
技术实现要素：
本公开提供一种高压旋喷注射原位修复系统及方法，至少能够达到精准注射修复、降低药剂的消耗量的效果之一。其具体技术方案如下。
根据本实施例的第一个方面，提供一种高压旋喷注射原位修复系统，包括：控制系统和高压旋喷钻机系统；所述高压旋喷钻机系统包括进料系统、药剂搅拌系统、压力泵系统、高压旋喷设备、钻杆系统、压力传感系统和gps定位系统；所述控制系统与所述高压旋喷钻机系统连接。
根据本实施例的第二个方面，提供一种高压旋喷注射原位修复方法，包括：
建立数据模型，将所述数据模型的参数及设计参数作为整合参数导入控制系统；
控制系统控制高压旋喷钻机系统根据所述整合参数对药剂计量配比、搅拌和传输，并根据所述整合参数执行原位修复任务；
控制系统实时监测钻孔环境输出实时参数，根据所述实时参数作相应的操作调整。
可选的，所述建立数据模型包括：对目标地点的地层岩性及污染羽进行三维数据建模，将所述地层岩性进行概化，确定污染羽的位置坐标，确定目标地点的地质及污染特征，以及根据所述污染羽的位置坐标布设钻孔。
可选的，所述设计参数包括：钻孔编号、钻孔坐标、地层岩性、渗透系数、药剂类型、药剂浓度c、药剂投加比α、总计旋喷厚度h、单段旋喷厚度hi，以及单段旋喷(厚度hi)范围内的旋喷药剂量m总、m1、m2……mi、不同岩性厚度d1、d2……di、不同岩性的旋喷设计压力p1、p2……pi、提钻速率v1、v2……vi、旋喷速度u1、u2……ui、影响半径r、修复土方量v总、v1、v2……vi、旋喷时间t总、t1、t2……ti。
可选的，所述数据模型的参数包括：
所述钻孔的属性参数、所述目标地点的地层的岩性数据参数以及所述污染羽的的位置坐标和污染浓度参数。
可选的，所述设计参数包括：所述参数的计算关系，包括：
1)修复土方量v的计算公式为：vi＝πr2divi＝πr2di，
2)药剂质量m的计算公式为：mi＝vi*ρ*α，ρ为土壤密度，α为药剂投加比；
3)提钻速率v的计算公式为
4)旋喷速率u与旋喷设计压力p成正比，u＝kp，k为经验系数。
5)整个地层岩性厚度
可选的，所述实时参数包括：所述钻孔编号、所述设计参数、所述药剂浓度c、实际药剂量m、实际压力p、实际钻进深度h和实际旋喷时间t。
可选的，所述根据所述实时参数作相应操作调整包括：所述控制系统根据所述实时参数统计并分析得到实时数据，并根据实时数据调整所述整合参数来控制高压旋喷钻机系统执行下一原位修复任务。
可选的，所述根据所述数据模型的参数对药剂计量配比、搅拌和传输包括：所述控制系统根据所述数据模型的参数对所用药剂进行计量配比，将所述药剂通过进料系统输送到药剂搅拌系统进行自动搅拌，然后通过压力泵作用传输至所述高压旋喷钻机系统。
可选的，所述高压旋喷注射原位修复方法还包括：根据所述控制系统执行操作调整后的数据，结合检测数据，判断是否重新注射。
由上述实施例可知，本公开通过数据建模预先设计好注射钻孔参数，利用控制系统对各种参数进行调控，实现远程操控高压旋喷注射原位修复系统进行移动及注射；注射完成后将各个注射钻孔参数输出，获得注入药剂在地层调查深度范围内从注入点位向外扩散迁移的维度信息，并根据药剂的扩散情况进行实时调整参数，达到精准修复的目的。
应当理解的是，以上的是一般描述和后文的细节仅是实例性和解释性，并不限制本公开。
附图说明
图1是根据一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系统的原理图；
图2是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的流程图；
图3是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的数据模型分析概述的场地水文地质概念模型示意图；
图4是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的数据模型分析概述的场地水文地质概念模型的分层示意图；
图5是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的数据模型分析概述的场地污染羽空间分布示意图；
图6是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的数据模型分析概述的场地地层与污染羽叠加的示意图；
图7是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的数据模型分析概述的概化后污染范围与注射钻孔分布的示意图；
图8是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的数据模型分析概述的不同区域注射钻孔深度的示意图；
图9是根据另一示例性实施例示出的一种高压旋喷注射原位修复系方法的数据模型分析概述的注射钻孔分布、地层、污染羽相对位置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行详细描述。应当理解，下面所描述的具体实施例仅用于解释本技术方案，并不用于限定本申请。
在下面的描述中，给出具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。
本公开提供了一种高压旋喷注射原位修复系统，通过对地层岩性及污染羽进行三维刻画模拟，将地层岩性进行概化，在此基础上布设注射钻孔。将该部分资料输入高压旋喷控制系统，依据系统输入的钻孔地层岩性特征实时调整注射速率及下钻深度，对不同岩性条件下污染羽进行精准注射修复，从而实现原位修复在污染场地的应用效果，起到降本增效的效果。本公开技术方案如下：
如图1所示，在本实施例中，提供一种高压旋喷注射原位修复系统，包括：控制系统和高压旋喷钻机系统；其中，控制系统可为plc控制系统；高压旋喷钻机系统包括进料系统、药剂搅拌系统、压力泵系统、高压旋喷设备、钻杆系统、压力传感系统和gps定位系统；上述控制系统控制高压旋喷钻机系统执行任务。具体地，控制系统可分别控制进料系统、药剂搅拌系统、压力泵系统、高压旋喷设备、钻杆系统、压力传感系统和gps定位系统。
在本公开的另一实施例中的第一方面，高压旋喷注射原位修复系统中的进料系统包括计量装置和进料斗，控制系统控制计量装置计量并确定药剂配比，并将药剂从进料斗输送到进入药剂搅拌系统。
在本公开的另一实施例中的第二方面，高压旋喷注射原位修复系统中的药剂搅拌系统包括搅拌罐体、压力泵、水管，将配置好的固态/液态药剂按顺序加入搅拌罐体，加水或其它溶剂搅拌，通过泵压作用传输搅拌后的药剂进入高压旋喷设备系统的注射管道中。
在本公开的另一实施例中的第三方面，高压旋喷注射原位修复系统还包括废液处理系统，药剂搅拌过程产生的废水、废液进入废液处理系统，经过处理达标后排放。
在本公开的另一实施例中的第四方面，高压旋喷注射原位修复系统中的高压旋喷设备系统包括动力系统、高压注射旋喷钻机和注射管道，高压注射旋喷钻机一端与钻杆系统相连，一端与注射管道相连，利用动力系统配合钻杆和药剂钻进指定的地层深度进行旋喷。
在本公开的另一实施例中的第五方面，高压旋喷注射原位修复系统中的钻杆系统包括钻杆和钻机动力头，钻杆一般设置为3～5m段，根据预先设置好的钻进深度，确定钻杆的深度类型，钻杆可多个连接钻进预设深度。
在本公开的另一实施例中的第六方面，高压旋喷注射原位修复系统中的压力传感系统，用于获取钻机动力头旋喷时的喷射压力，输出压力信号；压力传感器与钻杆相连。
在本公开的另一实施例中的第七方面，高压旋喷注射原位修复系统中的gps定位系统，用于确定注射钻孔位置，使得控制系统远程自动操纵高压旋喷钻机系统移动到预先布设好的钻孔点位。
在本公开的另一实施例中的第八方面，高压旋喷注射原位修复系统中的控制系统，所述控制系统为plc控制系统，控制系统根据所设置的参数自动控制高压旋喷钻机系统进行工作作业。
上述的高压旋喷注射原位修复系统，通过预先设计好注射钻孔参数，如注射半径、钻孔个数、钻孔岩性、渗透系数、提升速度、泵压等，利用plc控制系统对各种参数进行调控，实现远程操控设备进行移动及注射；注射完成后将各个注射钻孔参数通过电脑终端输出，获得注入药剂在地层调查深度范围内从注入点位向外扩散迁移的维度信息，并根据药剂的扩散情况进行实时调整参数，达到精准修复的目的。
如图2所示，在本公开另一方面的实施例中，提供一种高压旋喷注射原位修复方法，包括：
建立数据模型，将所述数据模型的参数及设计参数作为整合参数导入控制系统；
控制系统控制高压旋喷钻机系统根据所述整合参数对药剂计量配比、搅拌和传输，并根据所述整合参数执行原位修复任务；
控制系统实时监测钻孔环境输出实时参数，根据所述实时参数作相应的操作调整。
根据本公开的另一实施例，建立数据模型包括：对目标地点的地层岩性及污染羽进行三维数据建模，将所述地层岩性进行概化，确定污染羽的位置坐标，确定目标地点的地质及污染特征，以及根据所述污染羽的位置坐标布设钻孔。
在本实施例中，利用evs软件对地层岩性及污染羽进行三维刻画模拟。
在本实施例中，布设钻孔，可为利用evs中污染羽的位置，进行布设，输出每个钻孔的属性参数，包括坐标、岩性、污染浓度等基础信息。钻孔的布设间距基于工程经验值或试验结果初步估算影响半径r，一般渗透性较差的黏土影响半径约为1～2m，渗透性较好的粉砂影响半径可达3～4m。
在本公开的另一实施例中，设计参数包括：钻孔编号、钻孔坐标、地层岩性、渗透系数、药剂类型、药剂浓度c、药剂投加比α、总计旋喷厚度h、单段旋喷厚度hi，以及单段旋喷(厚度hi)范围内的旋喷药剂量m总、m1、m2……mi、不同岩性厚度d1、d2……di、不同岩性的旋喷设计压力p1、p2……pi、提钻速率v1、v2……vi、旋喷速度u1、u2……ui、影响半径r、修复土方量v总、v1、v2……vi、旋喷时间t总、t1、t2……ti。
所述参数的计算关系，包括：
1)修复土方量v的计算公式为：vi＝πr2divi＝πr2di，
2)药剂质量m的计算公式为：mi＝vi*ρ*α，ρ为土壤密度，α为药剂投加比；
3)提钻速率v的计算公式为
4)旋喷速率u与旋喷设计压力p成正比，u＝kp，k为经验系数。
5)整个地层岩性厚度
其中，设计参数要求泵压≤30mpa，气压≤0.8mpa，孔位偏差≤5cm，钻孔垂直度≤1.5％。
在本公开的另一实施例中，所述数据模型的参数包括：所述钻孔的属性参数、所述目标地点的地层的岩性数据参数以及所述污染羽的的位置坐标和污染浓度参数。
在本公开的另一实施例中，所述实时参数包括：所述钻孔编号、所述设计参数、所述药剂浓度c、实际药剂量m、实际压力p、实际钻进深度h和实际旋喷时间t。
在本公开的另一实施例中，根据所述实时参数作相应操作调整包括：所述控制系统根据所述实时参数统计并分析得到实时数据，并根据实时数据调整所述整合参数来控制高压旋喷钻机系统执行下一原位修复任务。
在本实施例中，控制系统通过在线实时监测，系统输出实时参数，检测注射钻孔各参数变化趋势，控制系统可根据反馈数据实时统计简单曲线，如压力变化、注射速度变化、钻孔注射时间曲线等，并根据已注射完成的钻孔对下一个钻孔进行实时调整。例如：
1)压力传感器返回的实时压力：当实际压力p<设计压力p时，对钻机进行实时调整；
2)通过旋喷速度及药剂浓度，返回实际喷药剂质量，mi＝cuiti。依据设计药剂量mi与实际喷射药剂mi的偏差调整旋喷速度或时间；
3)根据钻杆的使用情况，返回钻杆钻进深度，根据设计钻进深度h与实际钻进深度h的误差，进行调整。
在本公开的另一实施例中，根据所述数据模型的参数对药剂计量配比、搅拌和传输包括：所述控制系统根据所述数据模型的参数对所用药剂进行计量配比，将所述药剂通过进料系统输送到药剂搅拌系统进行自动搅拌，然后通过压力泵作用传输至所述高压旋喷钻机系统。
在本公开的另一实施例中，高压旋喷注射原位修复方法还包括：根据所述控制系统执行操作调整后的数据，结合检测数据，判断是否重新注射。
在本实施例中，控制系统中各个钻孔数据导出，结合检测数据，绘制药剂在不同地层扩散分布图，并绘制污染物变化规律及污染羽分布，获得旋喷注入完成后药剂在不同地层扩散分布情况，判断药剂与污染羽的接触面积及反应特性，分析不同岩性对药剂降解污染物的影响程度，同时针对个别不合格点位，可重点定位定深重新注射。
在本公开的另一实施例中，高压旋喷注射原位修复方法还可包括：模型数据输出：输出运行参数记录，将控制系统中的数据模型的参数、设计参数和实时参数以文档形式实时保存，包括钻孔编号、孔位偏差(cm)、垂直度(％)、旋喷深度范围/注浆段(m)、未旋喷(m)、旋喷时间(开始-结束(时·分)、泵压(mpa)、气压(mpa)、提升速度(cm/min)、每层岩性注药量(l/m)、单孔注药量记录等。
在本实施例中，控制系统的运行可包括：控制系统输入整合参数后，根据设置好的整合参数控制高压旋喷钻机系统实现对药剂进行计量、搅拌和传输，远程操控高压旋喷钻机系统进行移动，针对布设好的钻孔注射修复并在线实时监测调整各项参数，关注注射钻孔各参数变化趋势；注射完成一个钻孔后，通过远程操控，基于已知的钻孔坐标，gps定位移动到下一个注射钻孔；然后控制系统对已完成数据输出，后台控制系统参数以文档形式实时保存。
上述实施例提供的高压旋喷注射原位修复方法，通过构建数据模型，将现场数据矢量化，通过对矢量数据的处理分析，形成未来现场注射钻孔的基本信息，将该模型参数导入控制系统，配合设备其他功能系统，通过控制系统控制药剂搅拌及配比由计量及自动搅拌设备完成，计量更精准，搅拌均匀性增加，控制药剂量及搅拌时间，可实时掌握药剂的时效性，避免了药剂失效及人工接触的潜在风险，执行对预先布设的钻孔精准注射修复，并且基于数学模型中各参数之间的逻辑关系实时调整注射参数，对处在不同地层深度的污染羽有针对性的修复，注射过程中实时反馈地下地层及药剂扩散信息(如压力参数、药剂量等)，与设计参数进行对比，对未覆盖或药剂量短缺区域进行针对性补充注射，从而实现原位修复在污染场地的应用效果。
在本公开的另一实施例中，对数据模型分析概述包括：
在本实施例中，数据模型采用evs或采用evs、gis软件结合的方式，其中evs对地层及污染羽进行模拟，得到污染团之后，确定污染团与地层岩性的相对关系；将污染团导入进gis软件将污染范围概化，确定注射钻孔的布设范围，以及不同污染区域钻孔的注射深度，同时利用gis工具计算得到注射钻孔的坐标x、y、注射深度z、钻孔附近污染浓度等基本信息。将注射钻孔得到的基本信息导入进入evs软件，确定钻孔的岩性，完善钻孔参数。
基于得到的注射钻孔参数进行药剂投加比的设计、用量、泵压及注射速度等计算，再将完整的注射钻孔数据导入高压旋喷注射原位修复系统，进行自动化精准注射。
以下采取某污染场地项目作为案例，其操作步骤包括：
步骤一：利用evs软件对水文地质钻孔信息数据矢量化，通过对地层概化，得到场地水文地质概念模型，如图3、图4所示。
步骤二：采用evs将场地调查得到的取样点位污染数据导入模型，形成土壤污染羽，软件会根据污染浓度划分污染梯度，如图5所示。
步骤三：将地层岩性与土壤污染羽叠加，确定污染羽所在地层信息，如图6可知，污染羽主要集中在粉质黏土、粘土、粉土、粉砂中，部分区域污染深至细砂层。
步骤四：将污染羽写入gis软件，得到污染羽所在区域的具体深度，将污染范围进行概化；根据概化污染空间分布及地层模型，按比例布设注射钻孔，设计注射钻孔编号，基于污染深度设计纵向钻进深度，污染范围空间分布与钻孔分布示意图如图7、图8所示。
步骤五：通过gis空间连接功能，将场地调查得到的取样点位污染数据连接到注射钻孔属性表中，从而得到注射钻孔的坐标x、y、注射深度z、注射钻孔附近取样点的编号、取样深度、污染物浓度、与取样点的距离等信息，具体如下表所示：
表1gis空间分析计算后注射钻孔数据表
步骤六：根据钻孔得到的基本信息，将数据转入evs，evs可现实钻孔编号及钻进深度，核对钻进深度与污染羽的相对位置，为确保修复范围及效果，一般钻进深度设计较污染羽深0.5m左右。
根据钻孔在地层中的相对位置，获取钻孔注射段的岩性信息，基于地层的渗透性，计算确定喷洒药剂投加比，如图9所示。
步骤七：将得到的完整的注射钻孔信息导入自动控制系统，通过参数的设置调控设备进行智能注射。数据模型导出基本参数表如表2所示；以下为根据工程经验设计参数值，针对不同的项目，进行调整，如表3所示。
表2.注射钻孔基本参数表1
表3.注射钻孔基本参数表2
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本公开对污染羽在不同岩性条件下进行精准注射，降低药剂的消耗量，且减少人工手动操作，安全便捷，适用于现场操作。通过本智能化系统实时优化调整注射，可在提高修复效果的同时降低施工成本，达到原位修复降本增效的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种高压旋喷注射原位修复系统，其特征在于，包括：控制系统和高压旋喷钻机系统；所述高压旋喷钻机系统包括进料系统、药剂搅拌系统、压力泵系统、高压旋喷设备、钻杆系统、压力传感系统和gps定位系统；所述控制系统控制所述高压旋喷钻机系统。
2.一种高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，包括：
建立数据模型，将所述数据模型的参数及设计参数作为整合参数导入控制系统；
控制系统控制高压旋喷钻机系统根据所述整合参数控制注射压力、提钻速度，从而控制药剂投加比、扩散半径，并根据所述整合参数执行原位修复任务；
控制系统实时监测钻孔环境输出实时参数，根据所述实时参数作相应的操作调整。
3.根据权利要求2所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述建立数据模型包括：对目标地点的地层岩性及污染羽进行三维数据建模，将所述地层岩性、污染物分布进行三维网格化，确定目标地点的坐标、地质及污染特征等参数。
4.根据权利要求2所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述设计参数包括：钻孔编号、钻孔坐标、地层岩性、渗透系数、药剂类型、药剂浓度c、药剂投加比α、总计旋喷厚度h、单段旋喷厚度hi，以及单段旋喷(厚度hi)范围内的旋喷药剂量m总、m1、m2……mi、不同岩性厚度d1、d2……di、不同岩性的旋喷设计压力p1、p2……pi、提钻速率v1、v2……vi、旋喷速度u1、u2……ui、影响半径r、修复土方量v总、v1、v2……vi、旋喷时间t总、t1、t2……ti。
5.根据权利要求3所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述数据模型的参数包括：
所述钻孔的属性参数、所述目标地点的地层的岩性数据参数以及所述污染羽的的位置坐标和污染浓度参数。
6.根据权利要求3所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述设计参数包括：所述参数的计算关系，包括：
1)修复土方量v的计算公式为：vi＝πr2di，
2)药剂质量m的计算公式为：mi＝vi*ρ*α，ρ为土壤密度，α为药剂投加比；
3)提钻速率v的计算公式为
4)旋喷速率u与旋喷设计压力p成正比，u＝kp，k为经验系数；
5)整个地层岩性厚度
7.根据权利要求5所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述实时参数包括：所述钻孔编号、所述设计参数、所述药剂浓度c、实际药剂量m、实际压力p、实际钻进深度h和实际旋喷时间t。
8.根据权利要求7所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述根据所述实时参数作相应操作调整包括：所述控制系统根据所述实时参数统计并分析得到实时数据，并根据实时数据调整所述整合参数来控制高压旋喷钻机系统执行下一原位修复任务。
9.根据权利要求2所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述根据所述数据模型的参数控制药剂投加量、扩散范围等：所述控制系统根据所述数据模型的参数对所用药剂进行计量配比，将所述药剂通过进料系统输送到药剂搅拌系统进行自动搅拌，然后通过压力泵作用传输至所述高压旋喷钻机系统。
10.根据权利要求2所述的高压旋喷注射原位修复方法，其特征在于，所述高压旋喷注射原位修复方法还包括：根据所述控制系统执行操作调整后的数据，结合检测数据，判断是否重新注射。
技术总结