新場巖體定壓力壓水試驗數(shù)據(jù)解譯方法的對比

張 明，季瑞利，蘇 銳，李杰彪，周志超

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

目前，對高放射性廢物進(jìn)行深地質(zhì)處置是國際上普遍接受且技術(shù)可行的方法，也是國際研究的重點和熱點［1-3］。我國在《放射性污染防治法》［4］中，明確規(guī)定“高水平放射性固體廢物實行集中的深地質(zhì)處置”。高放廢物處置庫由天然屏障和人工屏障構(gòu)成，天然屏障即處置庫圍巖，是阻止核素進(jìn)入生物圈的最后一道防線，圍巖的水文地質(zhì)條件很大程度上決定了圍巖對核素的隔離作用［5］。

滲透系數(shù)是描述圍巖水文地質(zhì)條件的重要參數(shù)之一，在裂隙巖體地區(qū)，多通過壓水試驗的方法獲得，特別是定壓力穩(wěn)定流壓水試驗有著廣泛的應(yīng)用。但是在實際操作過程中，穩(wěn)定流的狀態(tài)是非常難以達(dá)到的，目前，各類手冊和規(guī)范中的壓水試驗數(shù)據(jù)的處理都是將非穩(wěn)定流過程等效為穩(wěn)定流過程。國內(nèi)應(yīng)用非穩(wěn)定流方法求解滲透系數(shù)的應(yīng)用較少，張禎武（2004）等分別就定壓力非穩(wěn)定流和定流量非穩(wěn)定流壓水試驗推導(dǎo)了適用公式，并且利用標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的方法進(jìn)行了實例計算［6-7］。 李金軒（2004）等嘗試從分解滲流維數(shù)的角度對低滲透裂隙巖體壓水試驗的非穩(wěn)定流求解進(jìn)行了探討［8］。國外常用的非穩(wěn)定流模型主要有Jacob﹠Lohman模型、Hurst-Clark-Brauer模型和Barker模型等，且針對不同的含水層給出了不同的適用模型，并將這些不同的算法集中到軟件中，實現(xiàn)了對非穩(wěn)定流壓水試驗的快速處理［9-11］。

以高放廢物地質(zhì)處置北山預(yù)選區(qū)新場巖體三個深鉆孔的定壓力壓水試驗為例，分別從壓水階段數(shù)據(jù)求解、壓力恢復(fù)階段數(shù)據(jù)求解和特殊試驗段參數(shù)求解3個方面入手，對穩(wěn)定流公式法和非穩(wěn)定流參數(shù)擬合法進(jìn)行了對比，得到了滲透參數(shù)的篩選原則。依據(jù)此原則，得到了新場巖體BS17～BS19三個深鉆孔滲透參數(shù)的概率分布圖，并對該巖體的滲透性進(jìn)行初步評價。

1 研究區(qū)概況

甘肅北山預(yù)選區(qū)新場巖體是我國高放廢物地質(zhì)處置庫北山預(yù)選區(qū)中的有利巖體之一，新場巖體主要圍巖包括二長花崗巖和花崗閃長巖，并有少量石英閃長巖等［12］，花崗巖體斷裂構(gòu)造不發(fā)育，巖體完整性較好，是高放廢物處置庫較適宜的預(yù)選地段之一。新場巖體地下水主要由山地基巖裂隙水、溝谷洼地孔隙-裂隙水和盆地孔隙-裂隙水3種類型組成，地下水主要來源為大氣降水入滲補給［5］。

目前，已在新場巖體施工四個深鉆孔（BS06、BS17～BS19），按照10 m的試驗段長度累計進(jìn)行了200余段的定壓力壓水試驗。壓水試驗所用設(shè)備為國際原子能機構(gòu)援助的雙栓塞水文地質(zhì)試驗系統(tǒng)，可以進(jìn)行抽水試驗、壓水試驗和slug試驗等，是研究深部巖體滲透性的重要工具。在試驗過程中，利用兩個可充氣的栓塞，將整個鉆孔分為3個部分，并在每部分安裝一個壓力傳感器，可以實時觀測試驗段上部和下部的水壓變化情況，從而判斷栓塞封隔效果，以便及時作出調(diào)整。在BS17～BS19的定壓力壓水試驗過程中，基本遵循兩個壓力階段和一個恢復(fù)階段的原則，圖1為新場巖體典型壓水試驗的基本步驟。在試驗數(shù)據(jù)的處理上，分別利用穩(wěn)定流公式法和非穩(wěn)定流參數(shù)擬合法對滲透系數(shù)進(jìn)行求解。

圖1 新場巖體定壓力壓水試驗基本步驟Fig.1 Procedure of Constant Head Injection test performed in Xinchang block

2 壓水階段數(shù)據(jù)解譯

對于定壓力穩(wěn)定流壓水試驗來說，對于滲透系數(shù)較低的試驗段，壓水過程中的流量基本呈現(xiàn)隨著壓水時間的延長而穩(wěn)定下降的趨勢，即受滲流邊界和試驗段內(nèi)裂隙性質(zhì)的影響，滲流會逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對于近似的穩(wěn)定流壓水試驗，利用穩(wěn)定流法和非穩(wěn)定流法計算得到的滲透系數(shù)差異較小，而且利用穩(wěn)定流公式法可以較為快速地獲得試驗結(jié)果。但是比較多的定壓力壓水試驗的近似穩(wěn)定狀態(tài)難以實現(xiàn)，而且流量的變化趨勢不一定是趨于穩(wěn)定，也有可能流量隨著壓水時間延長而突變，目前普遍使用的穩(wěn)定流公式基本假設(shè)都是將非穩(wěn)定流假設(shè)為穩(wěn)定流過程，即忽略壓水過程中的滲流方式的不同，而實際的壓水試驗類型是不同的，這時再應(yīng)用穩(wěn)定流公式法就明顯不合適了。

另外，若要利用穩(wěn)定流公式對壓水試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，需要滲流基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，雖然在大部分的壓水試驗中，流量有趨于穩(wěn)定的趨勢，但是無法判斷何時達(dá)到穩(wěn)定。筆者在現(xiàn)場試驗過程中曾經(jīng)將壓水時間延長到接近2 h（圖2），但是流量仍未達(dá)到穩(wěn)定，由于穩(wěn)定流公式中的流量數(shù)據(jù)需使用壓水末端流量的平均值，這時，利用穩(wěn)定流公式法得到的滲透系數(shù)的誤差較大，如果等待流量達(dá)到穩(wěn)定，則耗時較長，成本較高。

圖2 壓水時間延長后流量的變化趨勢Fig.2 Flow rate trend when injection time extended

目前，國內(nèi)應(yīng)用非穩(wěn)定流方法對壓水試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析求取滲透系數(shù)的應(yīng)用較少，國外多利用相關(guān)軟件進(jìn)行非穩(wěn)定流的參數(shù)計算。目前國外利用較為廣泛的非穩(wěn)定流水文地質(zhì)試驗處理工具主要是AQTESOLV、Aquifer Test和Flow Dim等軟件，筆者選用應(yīng)用較為方便的AQTESOLV軟件作為數(shù)據(jù)處理的工具。針對穩(wěn)定流公式方法存在的兩個問題：滲流模式單一和流量數(shù)據(jù)代表性較差的問題，利用AQTESOLV軟件均得到了較好的解決。

AQTESOLV軟件中提供了承壓模式、越流模式和裂隙模式3種不同類型的數(shù)據(jù)處理模型，并在每種模型中提供了多種不同的算法（表1列出了常用模型和算法）。在數(shù)據(jù)處理過程中，可首先根據(jù)流量及其導(dǎo)數(shù)的變化形態(tài)判斷滲流形態(tài)，再根據(jù)滲流形態(tài)選擇不同的模型進(jìn)行計算。一般對于近似線性流多用單裂隙含水層的模型計算；近似輻射流多用承壓含水層的模型計算；對于明顯存在越流的試驗段，則利用越流含水層模型進(jìn)行滲透參數(shù)的計算。由于可針對不同的滲流形態(tài)選擇不同的模型進(jìn)行參數(shù)計算［11］，相對來說，利用非穩(wěn)定流算法計算得到的滲透系數(shù)較為真實。

表1 AQTESOLV中常用滲流模型和算法Table1 Flow model and solutions used in AQTESLOV

利用壓水階段數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得滲透系數(shù)的過程中，AQTESOLV軟件主要利用流量及其隨時間的導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合（圖3），為了判斷基本的滲流形態(tài)，需要綜合利用壓力和整個壓水階段的流量數(shù)據(jù)，較穩(wěn)定流公式法中僅用壓水末端流量數(shù)據(jù)可信度更高。

圖3 壓水階段參數(shù)擬合圖Fig.3 Curve matching of injection period

綜上所述，在定壓力壓水試驗的壓水階段，非穩(wěn)定流較穩(wěn)定流公式法利用數(shù)據(jù)多，可針對不同的滲流類型選擇不同的滲流模型，相對來說，非穩(wěn)定流參數(shù)擬合的方法獲得的滲透系數(shù)更為可靠。

3 壓力恢復(fù)階段的數(shù)據(jù)解譯

在壓水試驗現(xiàn)場實施過程中，由于試驗段較為完整，受流量測量儀器量程的限制，可能測不到流量的變化趨勢，只能根據(jù)壓入試驗段水的體積推導(dǎo)流量值。當(dāng)整個壓水過程中壓入水的體積無法準(zhǔn)確測得時，只能根據(jù)流量計的最小量程推導(dǎo)壓水過程的極限流量。若壓水過程歷時30 min，但是流量計的體積示數(shù)基本沒有變化，在流量推算過程中，只能假定在此過程中壓入試驗段的水量最大為0.1 L，即最大平均流量為0.0033 L·min-1。但是在利用穩(wěn)定流公式計算滲透系數(shù)的過程中，利用最大平均流量必然會導(dǎo)致滲透系數(shù)偏大。利用AQTESOLV軟件進(jìn)行參數(shù)擬合計算滲透系數(shù)時，由于流量保持不變，必然導(dǎo)致流量的變化曲線為直線，流量的導(dǎo)數(shù)為0，而該軟件是利用流量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行參數(shù)擬合的，很容易造成參數(shù)多解。如圖4所示，同一個試驗段，由于其壓水階段壓入試驗段的體積無法準(zhǔn)確測得，同一組數(shù)據(jù)可得到兩組不同的滲透系數(shù)值，單純的利用壓水階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，滲透系數(shù)的可信度就大大降低了。

圖4 無流量數(shù)據(jù)壓水階段參數(shù)擬合的多解現(xiàn)象Fig.4 Indeterminacy of conductivity when flow rate below measurement limit of injection period

在非穩(wěn)定流參數(shù)擬合中，可以選擇壓水試驗結(jié)束后試驗段壓力恢復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合。同壓水階段參數(shù)擬合一樣，壓力恢復(fù)階段的參數(shù)擬合也分為承壓含水層、裂隙含水層和越流含水層3種基本模型，不同的模型適用的流場形態(tài)也與壓水階段一致。壓力恢復(fù)階段的參數(shù)擬合基于壓水階段的流量和壓力數(shù)據(jù)。相對于壓水階段參數(shù)擬合來講，壓力恢復(fù)階段有以下幾個明顯的優(yōu)點：①對數(shù)據(jù)的利用率更高。壓力恢復(fù)階段的參數(shù)擬合是基于壓水階段的，主要擬合對象為壓力及其導(dǎo)數(shù)；②避免了多解現(xiàn)象的產(chǎn)生。在完整巖體的試驗段，通過延長壓力恢復(fù)時間的方法，可以觀測到比較完整的壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)，因此壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)存在一定的曲線形態(tài)，而且其導(dǎo)數(shù)也不可能為0，有效地避免了多解的產(chǎn)生；如圖5所示，由于恢復(fù)數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)的使用，有效避免了多解的產(chǎn)生，滲透系數(shù)的可信度也大大提高。

圖5 壓力恢復(fù)階段參數(shù)擬合Fig.5 Curve matching of recovery period

4 特殊試驗段的處理

在壓水試驗的現(xiàn)場實施過程中，最為重要的一點就是保證栓塞的封隔性，即確保試驗段與試驗段上部或下部巖體不存在直接的水力聯(lián)系。但是在現(xiàn)場實施過程中，由于試驗段裂隙較為發(fā)育，導(dǎo)致試驗段內(nèi)裂隙與試驗段上部或下部連通而造成封隔失效。如圖6A所示，當(dāng)栓塞有效封隔時，試驗段上部水位應(yīng)為近似水平，當(dāng)封隔失效后，試驗段上部水位會隨著壓水試驗的進(jìn)行上升。當(dāng)封隔失效時，需要移動上下栓塞封隔點的位置或者延長試驗段的長度，導(dǎo)致人力和時間成本較高。當(dāng)調(diào)整雙栓塞位置后可能依然存在無法有效封隔的現(xiàn)象，這時，只能按照近似有效封隔繼續(xù)試驗。這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時如果繼續(xù)按照承壓含水層模型利用穩(wěn)定流公式進(jìn)行參數(shù)計算必然不合理，會造成滲透系數(shù)的較大誤差。

AQTESOLV軟件提供了針對存在越流的試驗段的數(shù)據(jù)處理方法，并分別針對試驗段上部存在弱透水層（即試驗段與試驗段上部存在水力聯(lián)系）和試驗段上下部均存在弱透水層的現(xiàn)象提供了不同的算法。圖6B為試驗段與上部含水層存在水力聯(lián)系時的流場模型，這種情況下主要利用Hantush算法進(jìn)行參數(shù)擬合（圖6C）；當(dāng)試驗段與試驗段上下部均存在水力聯(lián)系時，主要應(yīng)用Moech算法。針對不同的越流情況，分別使用這兩種方法，可以較為準(zhǔn)確地刻畫含水層，求得更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖6 越流情況下的滲流模型及參數(shù)擬合Fig.6 Flow model and curve matching of leaky confined tests

圖7 穩(wěn)定流公式法與壓水階段參數(shù)擬合法計算結(jié)果對比Fig.7 Conductivity comparison between steady formula and curve matching of injection period

5 滲透系數(shù)篩選

根據(jù)穩(wěn)定流公式法、壓水階段參數(shù)擬合法和壓力恢復(fù)階段參數(shù)擬合法，對同一試驗段可以求得3組滲透系數(shù)。對于定壓力壓水試驗的末端流量趨于穩(wěn)定的試驗段，各種方法求得滲透系數(shù)不會有太大的差異，但是對于前面提到的存在越流的和試驗過程中無法測得流量的試驗段，各種方法求得的滲透系數(shù)之間可能會有較大的差異。圖7為穩(wěn)定流公式法和壓水階段參數(shù)擬合法計算結(jié)果的對比圖（KF為穩(wěn)定流公式法得到的滲透系數(shù)，KD為壓水階段參數(shù)擬合得到的滲透系數(shù)）。由圖7可見，兩種方法得到的滲透系數(shù)基本一致，兩者相差在10倍之間，滲透系數(shù)低于10-10m·s-1時，兩種方法得到的值偏差較小，且明顯分布較為分散，但是在10-10～10-11m·s-1區(qū)間內(nèi)，滲透系數(shù)明顯分布集中，這是因為當(dāng)試驗段滲透性較低時，由于流量計量程限制（精度為0.1 L·min-1）無法準(zhǔn)確測得壓水過程中流量的變化趨勢，只能獲得壓水過程中壓入試驗段的水的體積，而且存在壓入試驗段的水的體積不足0.1 L的情況，即低滲透性的試驗段可以觀測到的流量較為接近，無論是利用穩(wěn)定流算法還是利用壓水階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，都需要利用流量數(shù)據(jù)，這必然會導(dǎo)致滲透系數(shù)的集中分布。

通過壓水階段和壓力恢復(fù)階段的參數(shù)擬合結(jié)果可以看出（圖8，KR為壓力恢復(fù)階段參數(shù)擬合結(jié)果），兩者的差值仍然在10倍左右，但是由于在壓力恢復(fù)階段中，起參數(shù)擬合作用主要是試驗段壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)，壓水過程中的流量數(shù)據(jù)起輔助作用，這樣無論壓水階段試驗段的流量值如何接近，在壓力恢復(fù)階段，其壓力恢復(fù)曲線形態(tài)和壓力恢復(fù)速度都會存在一定的差異，這樣，在低滲透性的試驗段，其滲透系數(shù)集中分布的現(xiàn)象也會得到大大的緩解。

圖8 壓水階段與壓力恢復(fù)階段參數(shù)擬合結(jié)果對比Fig.8 Conductivity comparison between curve matching of injection period and recovery period

6 結(jié) 論

穩(wěn)定流公式法適用的滲流類型較為單一，壓水階段參數(shù)擬合法則適用的滲流類型較多，且由于壓水階段參數(shù)擬合利用的數(shù)據(jù)量較大，其結(jié)果也更為可信；壓力恢復(fù)階段和壓水階段參數(shù)擬合相比，壓力恢復(fù)階段參數(shù)擬合所用的數(shù)據(jù)量更大，而且利用壓力恢復(fù)階段參數(shù)擬合可以明顯地緩解由于流量計量程限制帶來的滲透系數(shù)的集中分布現(xiàn)象。另外，在壓水階段，需要外界（潛水泵）提供壓水壓力，現(xiàn)場的各種設(shè)備和電力設(shè)施必然會對壓力傳感器存在影響，而在壓力恢復(fù)階段，所有的外界設(shè)備可停止工作，壓力傳感器受到的干擾較小，其精度也更高。

在滲透系數(shù)的篩選過程中，首先選用壓力恢復(fù)階段參數(shù)擬合的結(jié)果作為試驗段的滲透系數(shù)，而穩(wěn)定流公式法可作為現(xiàn)場滲透系數(shù)快速求取和判斷的方法。依據(jù)此原則，筆者得到了新場巖體BS17～BS19三個鉆孔滲透系數(shù)的概率分布（圖9），可以看出，三個鉆孔的滲透系數(shù)均低于10-6m·s-1，除了個別試驗段裂隙較為發(fā)育導(dǎo)致滲透系數(shù)較高外，超過85%的試驗段滲透系數(shù)不高于10-8m·s-1，證明該巖體屬于低滲透性巖體，有利于有效阻滯或減緩放射性核素的遷移和擴散。

圖9 BS17～BS19鉆孔滲透性概率分布圖Fig.9 Conductivity probability distribution of borehole BS17～BS19

在試驗過程中，當(dāng)試驗段巖體較為完整時，無論是使用穩(wěn)定流公式法或壓水階段參數(shù)擬合法，均存在滲透系數(shù)集中分布的現(xiàn)象，如果使用更高精度的流量計，亦可有效緩解此現(xiàn)象。

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