微水試驗(yàn)在湖西堤裂隙粘土滲透試驗(yàn)中的應(yīng)用

徐連鋒 馬東亮楊正春李劍修 陳 亮 雷 文季純波

一、湖西堤地質(zhì)概況

南四湖地區(qū)位于沂蒙山前沖洪積平原與魯西南黃泛沖積平原交接洼地處，出露地層主要為第四系松散土層，淺層沉積物以裂隙粘土為主，主要分為三層：

（1）第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）：主要為褐、褐黃色軟塑～可塑狀粘土，局部夾輕粉質(zhì)壤土、砂壤土，多見(jiàn)貝殼碎屑及小螺殼。

（2）第四系全新統(tǒng)湖沼積堆積層（Q4fl）：主要為灰黑、灰色流塑～軟塑狀粘土，夾有較多淡水貝殼及小螺殼，局部夾有淤泥質(zhì)粘土，有機(jī)質(zhì)含量高，有臭味。

（3）第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）：主要為棕褐、褐黃色可塑～硬塑狀含姜石粘土、壤土、砂壤土，局部分布有粉細(xì)砂。

本區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水和裂隙潛水。地下水主要分布在沖洪積、洪積第四系松散層中，潛水主要分布在裂隙發(fā)育的粘土中，含水層分布連續(xù)性、均勻性較差。裂隙粘土一般厚度2～5m，室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)多為10-6～10-7cm/s，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)滲透系數(shù)為10-2～10-3cm/s。該粘土滲透系數(shù)大的主要原因?yàn)檎惩脸练e后在失水收縮干裂后形成原生的收縮裂隙，遇水膨脹，裂隙基本閉合，經(jīng)多年后形成連通性較好的裂隙，而且該層粘土屬全新統(tǒng)近期沉積層，植物根系發(fā)育，裂隙與植物腐爛根系形成的孔洞和蟲(chóng)孔等孔洞逐漸連通，使該類土具有中等～強(qiáng)透水性，富水性較好。

為研究本層滲透特性，結(jié)合裂隙粘土滲透穩(wěn)定行研究課題的試驗(yàn)工作，引進(jìn)微水試驗(yàn)，部分鉆孔并進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以對(duì)比試驗(yàn)的可靠性。

二、微水試驗(yàn)

1.微水試驗(yàn)簡(jiǎn)介

微水試驗(yàn)（或沖擊試驗(yàn)、slug tests等）在國(guó)外20世紀(jì)50年代初由Hvorslev等學(xué)者首先建立模型，提出了其簡(jiǎn)便算法，之后一些學(xué)者對(duì)承壓含水層參數(shù)的求解進(jìn)行了修正；Bouwer 和 Rice （1976） 、Bouwer（1989）增加了考慮井阻和幾何尺寸等因素的承壓、半承壓、潛水層的理論計(jì)算方法。之后Campbell（1990）等對(duì)各種方法以及它們的適用范圍進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

在國(guó)內(nèi)，殷積濤等（1992）將該方法運(yùn)用到地震領(lǐng)域中；陳則連（2009）則把微水試驗(yàn)應(yīng)用在鐵路水文地質(zhì)勘察中；黃賢龍將微水試驗(yàn)運(yùn)用于高滲透性含水層的測(cè)量并取得與抽水試驗(yàn)相對(duì)一致的結(jié)果。本文介紹了在南四湖西堤進(jìn)行的微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)成果，并從二種試驗(yàn)的結(jié)果、投入、效率等方面進(jìn)行分析對(duì)比，綜合評(píng)估微水試驗(yàn)在水文地質(zhì)勘察中的實(shí)用價(jià)值。

2.微水試驗(yàn)原理及試驗(yàn)設(shè)備

微水試驗(yàn)原理為瞬時(shí)使測(cè)井內(nèi)水位發(fā)生微小變化（降低或升高），利用專用探頭測(cè)量探頭位置的水壓變化，觀測(cè)記錄水位的自然恢復(fù)過(guò)程，根據(jù)測(cè)井內(nèi)微小水頭的變化與含水層的滲透性以及測(cè)井的半徑、測(cè)井濾管等參數(shù)關(guān)系求得地層的滲透系數(shù)。

微水試驗(yàn)設(shè)備主要包括探頭、電纜、傳輸線、電源設(shè)備、配備終端數(shù)據(jù)采集軟件的計(jì)算機(jī)。測(cè)量水壓力的探頭通過(guò)電纜連接到電源設(shè)備，然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線連接到計(jì)算機(jī)上，這樣測(cè)量的數(shù)據(jù)就可以在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件中記錄下來(lái)。因此利用微水試驗(yàn)獲取含水層水頭壓力變化資料時(shí)，探頭不僅需要很高的測(cè)量精度，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)還需要較高的采集頻率。

試驗(yàn)區(qū)為潛水含水層，故計(jì)算模型主要應(yīng)用Bouwer和Rice潛水井模型。該模型基本假設(shè)：1）不考慮含水層彈性釋水的影響；2）假設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中含水層厚度不變。根據(jù)測(cè)井水位變化、恢復(fù)時(shí)間、試驗(yàn)鉆孔相關(guān)參數(shù)與含水層滲透系數(shù)關(guān)系建立模型，并簡(jiǎn)化求解為

式中：Kr——徑向滲透系數(shù)；rw——有效濾管半徑；rc——有效鉆孔半徑；b——含水層厚度；H0——測(cè)井內(nèi)相對(duì)于探頭的最大水位,H0=H（0）；H（t）——t時(shí)刻測(cè)井內(nèi)相對(duì)于探頭的水位；Re——微水試驗(yàn)的影響半徑；t——測(cè)試時(shí)間。

3.微水試驗(yàn)過(guò)程

微水試驗(yàn)主要分三部分：（1）瞬時(shí)改變測(cè)井水位；（2）記錄測(cè)井水位瞬時(shí)變化后的水位恢復(fù)過(guò)程，繪制H-t水位恢復(fù)曲線，t為開(kāi)始注水到注水完成的時(shí)間；（3）應(yīng)用相應(yīng)計(jì)算模型求解水文地質(zhì)參數(shù)，采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)公式（1），結(jié)合 ln（H（t）/H0）—t曲線擬合斜率及相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)即可求出土層滲透系數(shù)。

表1 各孔微水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算成果表

表2 鉆孔抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

表3 與前期滲透試驗(yàn)資料的對(duì)比

4.微水試驗(yàn)成果

試驗(yàn)點(diǎn)選在山東省魚(yú)臺(tái)縣西姚和李戶兩村附近，共4孔；1、2號(hào)孔依次在西姚村堤頂截滲墻迎水側(cè)及背水側(cè)堤腳；3號(hào)孔、4號(hào)孔位于在李戶背水側(cè)堤腳。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理過(guò)程以3號(hào)鉆孔微水沖擊試驗(yàn)為例說(shuō)明。3號(hào)鉆孔位于李戶段堤防背水側(cè)堤腳外1m；鉆孔穩(wěn)定水位埋深0.64m，孔深5.3m。

圖1為3號(hào)孔第一組微水試驗(yàn)水位恢復(fù)曲線圖，探頭位置注水前水位為0.664m，注水后最大水位為0.839m，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為第35s，水位恢復(fù)時(shí)間約為340s。圖2為以水位恢復(fù)過(guò)程第35s作為初試時(shí)間繪制的ln（H（t）/H0）—t曲線，此曲線擬合直線的斜率約為-0.0184，即為公式（1）的最后一項(xiàng)，其它相關(guān)參數(shù)代入公式（1）計(jì)算得滲透系數(shù)為2.72m/d（或3.15×10-3cm/s）。

各孔相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)及微水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表1。

從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，滲透系數(shù)在3.15×10-3～6.40×10-4cm/s。

5.抽水試驗(yàn)成果

本次微水試驗(yàn)同時(shí)對(duì)西姚的1號(hào)，2號(hào)和李戶的4號(hào)進(jìn)行了單孔抽水試驗(yàn)，由于含水層較薄，均取一個(gè)降深，采用裘布依公式計(jì)算。計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

抽水試驗(yàn)計(jì)算的滲透系數(shù)為4.00～8.70×10-3cm/s。

三、結(jié)論

1.試驗(yàn)成果對(duì)比

與本次抽水試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比（詳見(jiàn)表2），微水試驗(yàn)滲透系數(shù)一般在1.0×10-3cm/s左右，結(jié)果偏小一些，同孔抽水試驗(yàn)一般是微水試驗(yàn)成果的2.5～9.8倍。

與前期勘察資料對(duì)比（詳見(jiàn)表3），微水試驗(yàn)大致接近注水試驗(yàn)的計(jì)算成果。

原因可能是：微水試驗(yàn)的水位差小、時(shí)間短，試驗(yàn)影響半徑比較小，測(cè)試成果僅限于鉆孔范圍土層；而對(duì)于裂隙粘土，裂隙、孔洞的分布不是均勻的，抽水試驗(yàn)降深大、影響范圍大，且隨時(shí)間增加，含孔洞、裂隙的部位因受沖刷，流量會(huì)增加，甚至含越流補(bǔ)給，故滲透系數(shù)偏大；而注水試驗(yàn)與微水試驗(yàn)條件較接近，但水頭小、時(shí)間短。因此，微水試驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果比抽水試驗(yàn)小，與注水試驗(yàn)成果較接近。

表4 微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)投入對(duì)比

2.試驗(yàn)效率分析

抽水試驗(yàn)與微水試驗(yàn)均需要在鉆孔中進(jìn)行，鉆孔、洗孔的程序和耗費(fèi)的時(shí)間和材料是一樣的。抽水試驗(yàn)一般需要三個(gè)降深，單孔抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于4小時(shí)，完成一組（三個(gè)降深）抽水試驗(yàn)大約需要1天半至2天的時(shí)間；多孔抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于8小時(shí)試驗(yàn)，并且以最遠(yuǎn)觀測(cè)孔的動(dòng)水位波動(dòng)情況確定，完成一組（三個(gè)降深）抽水試驗(yàn)大約需要3天半至5天的時(shí)間。投入的人員數(shù)量和設(shè)備差異很大。微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)的投入人員、設(shè)備、時(shí)間對(duì)比如表4。

可以看出，微水試驗(yàn)的投入時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于抽水試驗(yàn)，并且在設(shè)備上攜帶方便，安裝簡(jiǎn)單，投入人員少，成本低，從經(jīng)濟(jì)成本上來(lái)說(shuō)比抽水試驗(yàn)要節(jié)省的多。

3.兩種試驗(yàn)特點(diǎn)分析

目前國(guó)內(nèi)滲透系數(shù)主要通過(guò)抽（注）水試驗(yàn)手段獲得，它的優(yōu)點(diǎn)是國(guó)內(nèi)已有操作規(guī)范，理論、工藝要求非常成熟，適用于大多數(shù)地層測(cè)試滲透系數(shù)。但是抽水試驗(yàn)過(guò)程比較繁瑣、穩(wěn)定過(guò)程緩慢，并且耗費(fèi)資金較多，對(duì)成孔質(zhì)量、孔徑要求也較高。

微水試驗(yàn)只要求鉆孔孔徑大于探頭（探頭直徑26mm）即可。目前小口徑鉆進(jìn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，而抽水試驗(yàn)在小口徑鉆孔中難以進(jìn)行，而微水試驗(yàn)正好彌補(bǔ)了該方面的缺欠，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和精密儀器的快速發(fā)展以及巖土體滲透性參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試系統(tǒng)的軟、硬件條件均已發(fā)展成熟，為微水試驗(yàn)測(cè)滲透系數(shù)提供了前提條件，可以快速完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)摘選、數(shù)據(jù)處理等工作，可以提高生產(chǎn)效率和計(jì)算精度，減輕現(xiàn)場(chǎng)人員工作強(qiáng)度。

微水試驗(yàn)不僅能用來(lái)確定含水層的滲透系數(shù)，還可以確定含水層的導(dǎo)水系數(shù)、對(duì)貯水系數(shù)做數(shù)量級(jí)上的估計(jì)。而且由于試驗(yàn)時(shí)間短，所需設(shè)備、操作人員少，且易執(zhí)行，所以具有經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于巖土體滲透性參數(shù)確定