含水層應(yīng)變—滲流運(yùn)動研究

耿志民，李寶蘭

(遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，遼寧大連 116037)

含水層應(yīng)變—滲流運(yùn)動研究

耿志民，李寶蘭

(遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，遼寧大連 116037)

為了研究常規(guī)條件下含水層的滲透性。利用多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，通過研究含水層應(yīng)變滲流理論，導(dǎo)出新的的計(jì)算公式，并與原滲變理論進(jìn)行分析對比，滲流運(yùn)動不僅僅是靠勢能水頭差的驅(qū)動，還受各種力的作用，這就是應(yīng)變—滲流運(yùn)動，孔隙率n是起主導(dǎo)作用的水文地質(zhì)參數(shù)不可忽視，含水層水文地質(zhì)參數(shù)應(yīng)變參量，而不應(yīng)是定參量。應(yīng)變—滲流運(yùn)動理論，還可以解釋像地面沉降、地下水回灌等問題，接近實(shí)際，實(shí)用性強(qiáng)

含水層;應(yīng)變;滲流;有效孔隙率

1 應(yīng)變—滲流的基本理論

傳統(tǒng)水文地質(zhì)理論中，達(dá)西定律，裘布依公式等將含水層視為不變的剛性體含水層厚度，滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)均為定參量，是不變的定值;其驅(qū)動力是勢能，即水頭差。涌水量與降深值之間在一定條件下呈直線關(guān)系。筆者在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水層處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)(例如:地震)就有悖傳統(tǒng)理論，地震時(shí)含水層噴水冒砂是因含水層受地應(yīng)力的作用產(chǎn)生變形，含水層中的水被擠出來了，由低處向高處流動這一現(xiàn)象。首先說明含水層不是剛性體，而是彈性體;其次其驅(qū)動力，不是勢能(水頭差)。而是地應(yīng)力，是力和流的因果關(guān)系;第三含水層既然是彈塑性體，那么含水層厚度等水文地質(zhì)參數(shù)，就不是定參量，而是變參量;第四再從物理模型上看，達(dá)西是在室內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)，沒有考慮自然界含水層的圍壓條件，而地震時(shí)，地應(yīng)力作用含水層，產(chǎn)生的應(yīng)變—滲流運(yùn)動，才是自然模型，才能與實(shí)際勿合［1］。

應(yīng)力來源有如下一些方式:(1)地應(yīng)力(2)潮汐效應(yīng)(3)固體潮效應(yīng)(4)氣壓效應(yīng)(5)降雨效應(yīng)(6)人為效應(yīng)(大型建筑、水庫蓄水、核爆炸、油田開采、人工注水、地下水漏斗區(qū)地面沉降，甚至載重列車的運(yùn)行等)。而抽水則是人為對含水層施加應(yīng)力，含水層受壓，必須引起應(yīng)變。從含水層中抽出的總水量∑Q，實(shí)質(zhì)是在抽水影響范圍內(nèi)含水層體積產(chǎn)生應(yīng)變(體積縮小)，既含水層體積的應(yīng)變量。因固體顆粒是不可壓縮的，所以這種體積應(yīng)變量只能是含水層中孔隙容積的變化量，也就是有效孔隙率n的變化。不同壓力作用下滲透系數(shù)與壓力增加的關(guān)系，已有較多的研究，對于同一含水層來說，孔隙率是一個(gè)隨應(yīng)力條件改變而變化的量，然而在傳統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算時(shí)并沒有考慮含水層孔隙的變化，因此有欠缺。

筆者自唐山地震以來一直致力于應(yīng)力、應(yīng)變—滲流運(yùn)動的研究，總結(jié)出如下規(guī)律:含水層在抽(注)水中，迫使含水層產(chǎn)生壓(張)應(yīng)變導(dǎo)致含水層單位涌水量減小(或增大)，水位下降(或上升)。同時(shí)，總結(jié)出不同于原地下水動力學(xué)理論的含水層參數(shù)計(jì)算公式。

2 應(yīng)變—滲流運(yùn)動及公式導(dǎo)出

假設(shè):含水層為砂層，水平埋藏均質(zhì)等厚、無限分布、各向同性，無越流補(bǔ)給，抽水影響范圍為影響半徑范圍。

設(shè):應(yīng)變后承壓含水層厚度為M，含水層體積:

而應(yīng)變前的含水層體積為:

則單位含水層應(yīng)變率:

其中:ε為單位含水層應(yīng)變率;

VO為應(yīng)變前含水層體積m3;

V為應(yīng)變后含水層體積m3;

VOφ為應(yīng)變前含水層孔隙體積m3;

ΔVφ為含水層孔隙容積的變化量m3;

R為t時(shí)刻的影響范圍m;

因含水層固體介質(zhì)，其應(yīng)變量可忽略不計(jì)，則含水層中孔隙體積之間有如下關(guān)系:

εφ為含水層孔隙容積應(yīng)變率;

Vφ為應(yīng)變后含水層孔隙體積m3;

井壁處的實(shí)際流速與影響半徑、井壁處含水層孔隙率以及抽水時(shí)間之間可導(dǎo)出如下關(guān)系式:

式中:MO為應(yīng)變前含水層厚度m;

rO為井半徑m;

ΣQ為總出水量m3;

ΔH為水頭差;

ub為井壁處實(shí)際流速m/d;

nb為井壁處含水層孔隙率;

μe為釋水系數(shù);

Ss為釋水率1/m;

n為有效孔隙率;

t為抽水時(shí)間d。

3 傳統(tǒng)理論與應(yīng)變—滲流理論計(jì)算結(jié)果對比

筆者用以上各公式對供水水文地質(zhì)手冊(水文地質(zhì)計(jì)算)［2］和長春地質(zhì)學(xué)院教材(水文地質(zhì)學(xué))第二篇水文地質(zhì)計(jì)算［3］各題進(jìn)行了計(jì)算和比對，不但與傳統(tǒng)理論計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)，具有可比性，而且因?yàn)槭亲儏⒘?，所以評價(jià)結(jié)果就大不相同了，這就是應(yīng)變—滲流運(yùn)動理論的重要意義所在。計(jì)算參數(shù)對比見表1。

4 結(jié)語

地下水在含水層中的滲流運(yùn)動不僅僅是靠勢能水頭差的驅(qū)動，還受各種力的作用，這就是應(yīng)變—滲流運(yùn)動。含水層受應(yīng)力作用，含水層孔隙被壓縮是含水層孔隙率降低的原因，而含水層有效孔隙率的變化，則是含水層在應(yīng)力場作用下產(chǎn)生應(yīng)變的原因。所以孔隙率n是起主導(dǎo)作用的水文地質(zhì)參數(shù)不可忽視。

采用應(yīng)變—滲流理論計(jì)算各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)，與傳統(tǒng)求參方法對比，不僅有很好的可比性，且方便準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)因不同公式在相同時(shí)段計(jì)算結(jié)果不同的情況，按照應(yīng)變—滲流運(yùn)動公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所有參數(shù)均是變參量，具有重要意義。不同于原水文地質(zhì)學(xué)中，用小降深的定參量去推斷大降深的開采量的情況。通過諸多實(shí)例對比，降深值越大，這兩種方法計(jì)算的參數(shù)值相差越大，由此，不難理解以往的水資源評價(jià)與開采實(shí)踐存在的巨大差距。不僅如此，應(yīng)變—滲流運(yùn)動理論，還可以解釋像地面沉降、地下水回灌(如淮南煤礦豎井破裂以及某些地裂縫)等問題，接近實(shí)際，實(shí)用性強(qiáng)。

以下依據(jù)《應(yīng)變—滲流運(yùn)動》原理，對上海各含水層開采地下水，導(dǎo)致含水層本身壓縮變形量進(jìn)行概算，概算的數(shù)據(jù)見表2。

表2 上海市地面沉降量概算成果表

上海在1965年以前，主要是開采二、三、四含水層，第五含水層開采量較小未予考慮，通過對各含水層在開采后引起的含水層自身變形量的概算，二、三、四含水層壓縮總量為2.413 m，和地層沉降最大值(2.63 m)，即接近又有差距，差距主要是第五含水層未予考慮等原因。

應(yīng)變—滲流理論對上海地面沉降的分析結(jié)果，與傳統(tǒng)理論中認(rèn)為其原因是75m以上三個(gè)軟弱壓縮層的說法是完全相悖的。因?yàn)槌?、注水時(shí)應(yīng)力都是施加于含水層上的，上部的軟弱層是一個(gè)統(tǒng)一的蓋層，在無應(yīng)力作用時(shí)，不存在壓縮層被壓縮的動力機(jī)制，而上海地面沉降實(shí)質(zhì)是大量抽取地下水，含水層壓縮變形，這才是沉降的真正機(jī)理。否則，其結(jié)果更會令人滿意。

［1］耿志民等.應(yīng)變—滲流運(yùn)動研究及應(yīng)用［M］.遼寧:遼寧地礦局，1996:3－7.

［2］供水水文地質(zhì)手冊編寫組.供水水文地質(zhì)手冊第二冊水文地質(zhì)計(jì)算.［M］北京:地質(zhì)出版社，1983:168.

［3］長春地質(zhì)學(xué)院水文教研室.水文地質(zhì)學(xué)概論第二篇水文地質(zhì)計(jì)算.［M］:長春地質(zhì)學(xué)院出版社，1959:3.

P641.12

B

1004－1184(2013)05－0036－02

2013-06-25

耿志民(1936-)，男，遼寧北鎮(zhèn)人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的實(shí)踐和研究。