鉆孔注水試驗(yàn)技術(shù)在地質(zhì)勘察中應(yīng)用

葛鴻輝 徐秦

摘 要：根據(jù)鉆孔注水試驗(yàn)原理，通過對抽水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在地質(zhì)勘察現(xiàn)場水文試驗(yàn)來說，只要井管結(jié)構(gòu)合理、洗孔徹底，其真實(shí)性、準(zhǔn)確性均應(yīng)該比室內(nèi)試驗(yàn)要高，值得應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：鉆孔注水試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)分析；滲透系數(shù)；

1.鉆孔注水試驗(yàn)技術(shù)

1.1 試驗(yàn)原理

弱透水巖土層一般透水比較緩慢，歷時(shí)比較長，垂向上多呈層狀沉積，而水平向上均勻性則較好。潛水含水層中鉆孔常水頭注水試驗(yàn)通過向鉆孔內(nèi)注入穩(wěn)定流量的清水，經(jīng)過一定時(shí)間后，流量和水位均趨于穩(wěn)定，測定流量和水位值以計(jì)算求取土層滲透系數(shù)，其試驗(yàn)原理類似于潛水含水層的單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)是抽取穩(wěn)定水量形成穩(wěn)定降深，注水試驗(yàn)則是注入穩(wěn)定水量形成穩(wěn)定水頭，兩者過程相類似。但兩者不同的是，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)由于抽水形成降落漏斗，地下水的補(bǔ)給沿漏斗呈曲線狀滲流進(jìn)入抽水孔，其滲流線離孔越遠(yuǎn)，水流越接近于水平，形成的等水頭面為共軸旋轉(zhuǎn)曲面，在孔內(nèi)水位變化不大的情況下，水流屬緩變流，滲透速度的垂向分量相對于水平分量來說很小，近似可以忽略。故完整井抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)的計(jì)算多采用二維流以簡化計(jì)算。而注水試驗(yàn)過程中由于孔內(nèi)水頭壓力作用，水流向外滲流，在孔外側(cè)受含水層原水、土壓力的限制，表現(xiàn)為越向下外滲阻力越大，其反漏斗形成主要表現(xiàn)為水壓力的傳遞變化，而并非實(shí)際水流的變化。因此，注水試驗(yàn)水流外滲應(yīng)該以水平向外滲為主，求取滲透系數(shù)也可以采用完整井抽水常用的二維流方法以簡化計(jì)算滲透系數(shù)的過程。具體可見圖1。

圖1 鉆孔注水試驗(yàn)示意圖

注水試驗(yàn)穩(wěn)定流計(jì)算推導(dǎo)公式的簡化和假定條件：

（1） 含水層均質(zhì)各向同性，隔水底板為水平；

（2） 天然水力梯度為零；

（3） 試驗(yàn)時(shí)，影響半徑范圍內(nèi)無滲入和蒸發(fā)，各過水?dāng)嗝娴牧髁坎蛔?，且影響半徑的圓周上為定水頭邊界；

（4） 濾水管底部為水平外滲，忽略向下滲透。設(shè)注水孔為h 軸（以濾水管底為0，向上為正） ，沿水平方向?yàn)閞 軸（濾管中心為0，向外為正） ，把等水壓力面近似看成同心的圓柱面，由裘布依公式可得出滲水的方程：

即：

由于圓柱面當(dāng)ro →R時(shí)，水頭壓力由L+h+Sw→L+h，通過兩邊積分得：

經(jīng)整理得 ： （1）

式中： Q 為注水流量（L·s-1）， k為滲透系數(shù)

（ cm·s-1）， r0為濾水管半徑（cm） ， L為濾水管長度（cm）， h0為靜止水位至濾水管頂部長度（cm）， Sw為注水孔內(nèi)水頭高度（cm） 。

R為注水反漏斗影響半徑（cm） ，可根據(jù)庫薩金經(jīng)驗(yàn)公式：

（2）

式中H為含水層厚度（cm） ，

由此，經(jīng)過（1）式和（2）式反復(fù)迭代計(jì)算可求出滲透系數(shù)k值。

1.2試驗(yàn)方法

（1） 試驗(yàn)孔位置選擇時(shí)需排除距離河道太近、周邊有抽水等可能影響試驗(yàn)精度的因素。

（2） 注水試驗(yàn)井管安裝可同抽水試驗(yàn)，具體可參照《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（ GB50027 -2001）相關(guān)要求進(jìn)行。注水孔地面以下1～2m需止水回填，試驗(yàn)管口宜高出地面1～1.5m左右。

（3） 正式試驗(yàn)前可以進(jìn)行預(yù)注水，通過不斷調(diào)節(jié)注水的流量直至水位漸近孔口，以不溢出管口為宜，確定試驗(yàn)時(shí)可采用的穩(wěn)定注水流量。

（4） 在試驗(yàn)前應(yīng)精確測定在預(yù)注水時(shí)確定的穩(wěn)定流量和靜止水位，正式試驗(yàn)操作在記錄時(shí)間的同時(shí)持續(xù)向孔內(nèi)穩(wěn)定流注水，水頭開始可按5～10min觀測一次，等基本穩(wěn)定后改為30min觀測一次。

（5） 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：在穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)，注水流量波動(dòng)不超過正常流量的5%，動(dòng)水位波動(dòng)值不超過2～3cm。

（6） 注水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間一般不少于6～8h。

（7） 試驗(yàn)結(jié)束后宜進(jìn)行恢復(fù)水位觀測，并再次測定靜止水位。

1.3 資料整理

（1） 通過試驗(yàn)，最終可取得穩(wěn)定流注水流量Q（L·s-1 ）和穩(wěn)定水頭高度Sw ，結(jié)合試驗(yàn)時(shí)間繪制出Q、Sw - T曲線圖，并繪制出注水孔安裝結(jié)構(gòu)圖（包括成孔工藝和技術(shù)措施等） 。

（2） 最終可確定出計(jì)算所需參數(shù)：穩(wěn)定流注水流量Q（L·s-1） 、穩(wěn)定水頭高度Sw（cm） 、r0為濾水管半徑（cm） ， L為過濾管長度（cm） ， h0為靜止水位至濾水管頂部長度（cm） 。滲透系數(shù)的計(jì)算可通過上述（1） 、（2）式確定。

（3） 編寫鉆孔注水試驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容包括：試驗(yàn)?zāi)康?、要求、方法，巖土層滲透系數(shù)計(jì)算過程，試驗(yàn)質(zhì)量評述。

2.技術(shù)應(yīng)用

某市政隧道沿線深度3.2～14.0 m，以弱透水巖土層（粉質(zhì)粘土）為主，施工時(shí)降水、排水均要求提供滲透系數(shù)，地質(zhì)勘察過程中針對該層粉土布置了1組抽水試驗(yàn)和3組注水試驗(yàn)。

注水試驗(yàn)濾管采用Φ108mm圓孔式包網(wǎng)過濾管，底部設(shè)同徑長度2m左右沉淀管，上部采用同徑隔水管，管口高出地表1.5m左右，在管外側(cè)地表下2m左右采用粘土球回填止水。成孔后經(jīng)反復(fù)洗孔、沖孔至水清砂凈，效果良好，注水試驗(yàn)結(jié)果見表1。

勘察過程中對于滲透系數(shù)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)，其結(jié)果見表2、表3，由不同試驗(yàn)結(jié)果所得滲透系數(shù)對比可知，在弱透水巖土層中采用常水頭鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果與穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)所確定的滲透系數(shù)較為接近，較室內(nèi)試驗(yàn)所確定的滲透系數(shù)值略大。

從以上列表可以看到，對地質(zhì)勘察過程中現(xiàn)場水文試驗(yàn)來說，只要井管結(jié)構(gòu)合理、洗孔徹底，其真實(shí)性、準(zhǔn)確性均應(yīng)該比室內(nèi)試驗(yàn)要高，是值得應(yīng)用推廣的。

3.結(jié)束語

1）、由于本方法未考慮注水管外水、土壓力與管內(nèi)靜止水壓力的差異，因此，計(jì)算只能限于潛水含水層淺部滲透系數(shù)計(jì)算的應(yīng)用，過濾管埋設(shè)越深管內(nèi)外壓力差越大，對計(jì)算結(jié)果的影響也越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本方法在地下水位以下、深度10 m以內(nèi)的弱透水巖土層中應(yīng)用較為合適，試驗(yàn)可采用完整井，也可采用于非完整井。

2）、弱透水巖土層透水性受其顆粒級配、密實(shí)程度、均勻程度等控制，故相同層位土層亦存在各向異性，特別是受流水作用自然沉積形成，天然狀態(tài)呈層狀，一般薄層理發(fā)育，由本試驗(yàn)計(jì)算公式可知，計(jì)算時(shí)將試驗(yàn)層概化為均質(zhì)體，這與地質(zhì)實(shí)際情況存有一定差異，計(jì)算結(jié)果僅可作為一種參考依據(jù)。

3）、弱透水巖土層地區(qū)鉆孔注水試驗(yàn)方法較抽水試驗(yàn)更為簡便，試驗(yàn)不需要在孔內(nèi)設(shè)抽水設(shè)備，觀測、操作簡單，穩(wěn)定水頭容易取得，其結(jié)果與抽水試驗(yàn)較為接近，效果較好。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意采用合理的井管結(jié)構(gòu)、洗孔效果及孔口外側(cè)地表的止水回填，以保證試驗(yàn)效果。

4）、野外鉆孔注水試驗(yàn)由于受地層、環(huán)境、注水設(shè)備等影響，注水開始階段水位有一定波動(dòng)，但隨著注水時(shí)間的持續(xù)會趨于穩(wěn)定，故注水時(shí)需持續(xù)有足夠的穩(wěn)定注水時(shí)間，以確保注水試驗(yàn)精度。

參考文獻(xiàn)

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[2]GB50027 - 2001. 供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京： 中國計(jì)劃出版社， 2001

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[4]有色金屬工業(yè)協(xié)會《注水試驗(yàn)規(guī)程》（YS5214-20000）