關(guān)于水文地質(zhì)微水試驗技術(shù)應(yīng)用探討

徐禮新

摘要：水文地質(zhì)試驗是工程地質(zhì)勘察的重要組成部分，本文主要介紹微水試驗技術(shù)的基礎(chǔ)理論和試驗方法。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)試驗 微水試驗技術(shù)分析

在各類工程的水文地質(zhì)勘察中，地基土的滲透特性是勘察工作的重點,也是設(shè)計和施工中關(guān)鍵參數(shù)的組成部分。目前，常規(guī)確定滲透系數(shù)的現(xiàn)場試驗主要有抽水試驗、注水試驗、壓水試驗等，這些方法主要缺點是試驗周期長，耗費(fèi)人力和物力多，受野外作業(yè)條件制約大。在有些工程勘測過程中，具有距離遠(yuǎn)，條件差，勘察難度大等特點，因此需要引進(jìn)測試方式簡單，操作速度快的水文試驗方法。

一、理論基礎(chǔ)

近60年來,各國學(xué)者提出了超過50余種數(shù)學(xué)模型，基本包括了從承壓到無壓、完整井到非完整井各種情況的模型。其中比較成熟的模型主要有Hvorslew模型、Bouwer-Rice模型、Springer-Gelhar模型和Butler模型，實現(xiàn)了過阻尼衰減(承壓、無壓)、欠阻尼衰減(承壓、無壓)的數(shù)學(xué)處理。

1、Hvorslev模型—過阻尼微水試驗

Hvorslev (1951)發(fā)現(xiàn)水位迅速變化后，恢復(fù)到靜止水位的速度和時間成指數(shù)關(guān)系，且恢復(fù)的時間與地層的滲透系數(shù)有關(guān),同時恢復(fù)速率也與井孔的設(shè)計有關(guān)。在此基礎(chǔ)上, Hvorslev針對承壓完整井和非完整井的過阻尼微水試驗提出一種半解析的方法，根據(jù)過濾管與含水層的相對位置，用一個形狀因子F來修正公式,可分為過濾管緊鄰隔水層、過濾管位于含水層中部、完整井3種情況。完整井的情況為

式中：rc為套管半徑；rwe為過濾管有效半徑(過濾管半徑與過濾層厚度之和)；Kr為影響半徑內(nèi)的含水層水平滲透系數(shù)；L為靜止條件下飽和含水層中過濾管長度;TL為基本時間間隔；R為微水試驗的影響半徑,可近似假設(shè)影響半徑等于過濾管有效半徑的200倍?；緯r間間隔TL是ht/h0=0.37的時間，h0為瞬時提水后水位下降最大值即最大水位降深，ht為水位恢復(fù)過程中隨時間變化的動水位。Bouwer研究發(fā)現(xiàn)，含水層上邊界對滲透系數(shù)的影響很小。因此認(rèn)為，當(dāng)過濾管或過濾層頂部位于井內(nèi)水位之下一定距離，可將Hvorslev模型應(yīng)用于無壓含水層。

2、Bouwer-Rice模型—過阻尼微水試驗

1976年Bouwer和Rice針對過阻尼微水試驗,提出了可計算無壓完整井和非完整井的Bouwer-Rice模型，屬于半解析的分析方法。1989年Bouwer研究發(fā)現(xiàn)，這個模型可用于承壓含水層，水平滲透系數(shù)公式如下：

因為影響半徑R不確定，根據(jù)完整井和非完整井兩種情況提出了影響半徑的計算公式，含有3個無量綱參數(shù)，可以用與L/rwe有關(guān)的經(jīng)驗曲線確定。

3、Springer-Gelhar模型和Butler模型—欠阻尼微水試驗

Bouwer-Rice模型和Hvorslev模型一般用來處理中低滲透性地層。Springer-Gelha對Bouwer-Rice模型進(jìn)行了修正，適用于無壓含水層，而Butler對Hvorslev模型進(jìn)行了修正,適用于承壓含水層,且只適用于非完整井。Springer-Gelha模型為

式中：CD為無量綱阻尼參數(shù)；g為重力加速度；le為井中水柱的有效長度。由于Springer-Gelhar模型和Butler模型參數(shù)眾多，一般采用標(biāo)準(zhǔn)曲線對比法來求取參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)曲線由Zlotnik和McGuire提供的公式生成,這些標(biāo)準(zhǔn)曲線縱坐標(biāo)為歸一化的ht/ho橫坐標(biāo)為無量綱時間td。將現(xiàn)場數(shù)據(jù)ht/ho~t繪制在標(biāo)準(zhǔn)曲線圖上，通過改變td值使標(biāo)準(zhǔn)曲線和實測曲線逐步配合,解析出任意配合點的真實時間t*和無量綱時間t*d、無量綱阻尼參數(shù)CD。

二、微水試驗的現(xiàn)場試驗技術(shù)

1、現(xiàn)場試驗技術(shù)

微水試驗可以從現(xiàn)場試驗技術(shù)和數(shù)據(jù)處理模型兩個方面進(jìn)行闡述?，F(xiàn)場試驗技術(shù)可以概括為五步：（1）將水壓傳感器放入井孔一定深度（2）將水位擾動設(shè)備放入井孔，靜待水位穩(wěn)定（3）使用擾動設(shè)備瞬間改變井孔內(nèi)水位（4）記錄水位恢復(fù)數(shù)據(jù)（5）最后用圖表的分析方法計算滲透系數(shù)值。

瞬時改變水位是微水試驗的重要前提條件，目前最常用的是利用一個圓柱體，內(nèi)部充填砂或卵石，然后兩端封閉，或直接使用提水管，通過瞬時提出井內(nèi)部分水的辦法來實現(xiàn)。以上方法為最簡單的現(xiàn)場試驗技術(shù)，對于一般弱滲透性和中強(qiáng)滲透性地層都適用。但對于極弱滲透性地層，由于出水速率慢，完成一個微水試驗需要較長的時間，因此又出現(xiàn)了栓塞-微水試驗和閉合-微水試驗，通過改變套管半徑的方法，可以有效縮短試驗周期，但缺點是水文孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對于強(qiáng)透水地層，由于水位恢復(fù)速度快，采用一般提水管或?qū)嵭膱A柱體難以滿足水位的瞬時改變，比較好的辦法是使用空壓微水試驗。在空壓微水試驗中,井口被密封，通過氣壓的變化可以達(dá)到水位的瞬時變化。當(dāng)?shù)貙訚B透性比較低時,每秒鐘一次的采數(shù)間隔能夠滿足要求，但當(dāng)滲透系數(shù)高時，需要將采數(shù)時間間隔改為1次/0.1s，甚至更小，否則有可能觀察不到水位的欠阻尼衰減現(xiàn)象。

2、過阻尼衰減和欠阻尼衰減

微水試驗是建立在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，地下水流動時水分子之間的粘滯力要遠(yuǎn)比其慣性力明顯，慣性力通常在數(shù)學(xué)分析中忽略不計。當(dāng)水位變化快速達(dá)到最大值后,開始的恢復(fù)速度快,隨后恢復(fù)速度變慢,逐漸停止，未發(fā)生原始靜止水位附近的振蕩，水流初始的動能已在水位達(dá)到靜止時被水分子之間的摩擦、水柱與井壁的摩擦和水柱增大的勢能消耗完畢,稱之為“過阻尼衰減”。此種情況多發(fā)生在弱滲透性地層和中等滲透性地層中。但在某些情況下,地下水流動所引起的慣性力是不能忽略的。對于強(qiáng)滲透地層，水位恢復(fù)速度很快，在達(dá)到原始靜止水位時，可能還會有剩余的動能克服粘滯力，從而在靜止水位上下發(fā)生振蕩，如同一個有一定阻尼的彈簧，逐漸穩(wěn)定在平衡狀態(tài)，此即“欠阻尼衰減”，此時慣性力不能再忽略。

三、微水試驗的井孔設(shè)計

為了順利進(jìn)行微水試驗，需要在現(xiàn)場試驗之前根據(jù)現(xiàn)場的條件預(yù)先設(shè)計井孔，水文試驗井孔不同于一般勘探孔，井孔的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對水文試驗的結(jié)果影響很大，但常常為技術(shù)人員所忽略。井孔的兩個方面對于試驗的影響最重要，一是井孔結(jié)構(gòu)，二是洗井的效果。

1、井孔結(jié)構(gòu)

進(jìn)行鉆探施工時，采用何種方法主要取決于水文地質(zhì)條件和井孔的目的，比如在地下水污染地區(qū)設(shè)立的監(jiān)測孔，因為要提取水樣進(jìn)行化學(xué)分析，所以在成孔時盡量不要采用可能影響試驗結(jié)果的外加物質(zhì)。但不管采用何種成孔技術(shù)，在成孔過程中難免會產(chǎn)生大量的碎屑，包括殘余的泥漿、破碎的細(xì)顆粒等。這些碎屑會聚集在井壁，對緊鄰井壁的地層滲透性產(chǎn)生較大影響。水文試驗井孔的結(jié)構(gòu)主要包括4個方面：套管、過濾管、環(huán)狀過濾層、環(huán)狀止水層。

（1）套管：在微水試驗中,套管半徑?jīng)Q定了試驗的時間和放入井孔中設(shè)備(電纜、提筒)的尺寸。水位恢復(fù)的時間與半徑成正比，即半徑越大，試驗周期就越長。針對低滲透地層，栓塞微水試驗和閉合微水試驗，即通過改變栓塞上部豎管的直徑達(dá)到改變套管直徑而縮短試驗時間的目的。

（2）過濾管：過濾管有多種,有骨架過濾管、包網(wǎng)過濾管、纏絲過濾管、填礫過濾管等，后三種過濾管都是以骨架過濾管為基礎(chǔ)制作,應(yīng)根據(jù)含水層巖性構(gòu)成和井壁穩(wěn)定情況選用。如果孔隙率小，地下水會在孔處收斂，產(chǎn)生額外的水頭損失，使微水試驗的結(jié)果復(fù)雜化。

（3）過濾層：指位于過濾管和井壁之間的材料,功能是防止細(xì)顆粒隨地下水流入井中，在井壁穩(wěn)定的含水層中，過濾層的另一個作用是給上面的環(huán)狀止水層提供支撐。

（4）止水層：指位于套管和井壁之間的低滲透材料，對非試驗含水層進(jìn)行止水，阻止非試驗含水層地下水向過濾管段的垂直運(yùn)動。對于微水試驗，必須保證進(jìn)入井管的水來自試驗含水層,否則會出現(xiàn)異常的結(jié)果。如果不設(shè)置止水層,水從井中瞬時提出后，水位下降，套管與井壁之間的水所遇到的阻礙小，會首先向下運(yùn)動進(jìn)入井孔，表現(xiàn)為開始階段水位恢復(fù)速度快，出現(xiàn)所謂的“雙直線效應(yīng)”。

2、洗井

在成孔過程中會形成大量碎屑,洗井的目的就是清除過濾段地層中的碎屑。對于微水試驗而言，這是一項非常重要的工作，但常常又不被重視,以至于試驗結(jié)果和實際相差甚遠(yuǎn)。理論上如果不存在皮膚效應(yīng)，同降深下的曲線應(yīng)該是基本重合的，即基本時間間隔是相同的。微水試驗和抽水試驗所計算的滲透系數(shù)差異主要源于皮膚效應(yīng)的影響，并且皮膚效應(yīng)會造成微水試驗結(jié)果小于抽水試驗。這里需要指出的是，此種說法應(yīng)該有一個前提條件，即含水層較厚,地層較為均一。因為對同一含水層進(jìn)行抽水試驗和微水試驗，從表面看進(jìn)入水井的水都是同一含水層，但如果含水層較薄或巖性組成變化較大，此時抽水試驗和微水試驗的實際試驗含水層并不一致，因此滲透系數(shù)的差異原因不僅僅是皮膚效應(yīng)引起的，單純比較兩種試驗方法的滲透系數(shù)大小是沒有意義的。

結(jié)束語

利用微水試驗技術(shù)開發(fā)機(jī)電一體化“地層滲透系數(shù)快速測定系統(tǒng)”可以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)摘選、數(shù)據(jù)處理、自動計算等全部工作。系統(tǒng)操作簡單,沒有鉆機(jī)配合也可人工完成，能大大提高生產(chǎn)效率和計算精度，減輕現(xiàn)場人員的工作強(qiáng)度。