混合抽水試驗(yàn)在深埋含水層地區(qū)水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

汪 力，李方會(huì)，楊剛忠，林肖榮，陳 敏

(湖北省宜昌地質(zhì)勘探大隊(duì)，湖北宜昌 443100)

0 引言

在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中，對(duì)存在多個(gè)含水層的工作區(qū)，為評(píng)價(jià)勘查區(qū)的水文地質(zhì)條件，凡具備進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)條件的，大都采用分層抽水試驗(yàn)方法，以分別評(píng)價(jià)各含水層的含、富水特征和水文地質(zhì)參數(shù)。但此方法一般都是在止水深度＜150 m或最深為200 m的情況下才可能實(shí)施。然而，當(dāng)含水層埋深達(dá)到四五百米甚至更深時(shí)(如宜昌磷礦北部和興神保磷礦、鉛鋅礦整裝勘查區(qū)等)，要進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，必須要下入不少于四五百米的止水管材，這樣會(huì)極大增加施工難度;而且受套管絲扣強(qiáng)度所限，常常還會(huì)因?yàn)楣懿淖灾剡^大，導(dǎo)致在下管過程中出現(xiàn)脫扣、斷管問題而達(dá)不到止水目的;或者是在套管起拔過程中出現(xiàn)拉斷套管現(xiàn)象，從而貽誤勘查工作周期，而且往往因此而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失?；谏鲜銮闆r，本著既能獲得各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，又可免除下入數(shù)百米止水套管之慮，采用對(duì)埋深淺的含水層分層抽水、埋深大的含水層為混合抽水試驗(yàn)的方法，這樣不僅可較經(jīng)濟(jì)、合理地查明或基本查明勘查區(qū)的水文地質(zhì)條件，同時(shí)也為實(shí)施水文地質(zhì)試驗(yàn)提供了較便利的條件，從而解決深埋含水層獲得水文地質(zhì)參數(shù)的難題。

1 相鄰含水層貫通后的水力聯(lián)系狀態(tài)分析

鉆孔(井)揭露兩個(gè)或兩個(gè)以上在自然條件下無密切水力聯(lián)系的含水層時(shí)，由于各含水層的靜水位(壓)往往不一致，為要達(dá)到新的水力平衡，靜水位(壓)較高的含水層必然會(huì)向靜水位(頭)較低的含水層進(jìn)行補(bǔ)給，并在水位(頭)較高含水層排出的水量與靜水位(頭)較低含水層吸收的水量相等時(shí)，孔(井)內(nèi)的動(dòng)水位才會(huì)靜止，即所謂混合靜水位。如圖1所示，A含水層靜水位較B含水層的靜水位高，形成的混合靜水位處于A、B兩含水層的靜水位之間，在此情況下，qA×S01=qB×S02，即A含水層構(gòu)成自然排水，其排出的水量被B含水層吸收，且排出量與吸收量相等。而形成的混合靜水位如果更靠近某一含水層的分層靜水位，則反映該含水層的滲透性和富水性要較另一含水層為大。如圖1中S02＜S01，說明B含水層的單位吸(涌)水量(qB)要大于A含水層的單位吸(涌)水量(qA);當(dāng)B含水層的滲透性和富水性很大時(shí)，A含水層排出的水量完全被B含水層吸收，從而出現(xiàn)混合靜水位與B含水層的靜水位相同或基本相同的情況，此情況在含水層的富水性差異很大的勘查區(qū)屢見不鮮。倘若是揭露了三個(gè)或三個(gè)以上含水層，鉆孔(井)內(nèi)地下水為了要達(dá)到新的水力平衡，各含水層間同樣也會(huì)出現(xiàn)排水、吸水作用，并最終形成新的混合靜水位。

圖1 混合靜水位與分層靜水位關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of relationship between mixed static level and layered static level

2 混合抽水試驗(yàn)應(yīng)用條件

所謂混合抽水試驗(yàn)，是指在同一抽水試驗(yàn)孔(井)中對(duì)兩個(gè)或個(gè)以上含水層同時(shí)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)。但要可靠地分別計(jì)算各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)(如滲透系數(shù)和單位涌水量等)，則必須要有不少于一個(gè)含水層的分層抽水試驗(yàn)成果，并較為準(zhǔn)確地確定了該含水層的滲透系數(shù)等參數(shù)才有可能;而且還需要測(cè)定各含水層的分層靜水位資料。各含水層的分層靜水位觀測(cè)可以通過專門加工的帶有橡皮圈或止水膠球的鉆桿止水器實(shí)測(cè)(圖2)。若抽水試驗(yàn)孔(井)中只測(cè)定混合靜水位，則僅據(jù)混合水位確定的降低值將難以可靠地確定混合抽水試驗(yàn)各含水層相應(yīng)的水位降深值，從而不可避免會(huì)使計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性大大降低。

對(duì)存在多個(gè)含水層的工作區(qū)而言，在地質(zhì)體上部一般會(huì)有一個(gè)或兩個(gè)含水層可以進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，這就為應(yīng)用混合抽水試驗(yàn)與成果計(jì)算提供了可能性。因此，必須對(duì)勘查區(qū)上部含水層的分層抽水試驗(yàn)工作予以高度重視，并使其試驗(yàn)成果完全滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求，此乃是提高混合抽水試驗(yàn)成果分析與計(jì)算精度的最重要一環(huán)。

3 混合抽水試驗(yàn)步驟與方法

如前所述，本文中所指的混合抽水試驗(yàn)是在混合試驗(yàn)層中有1層或2層的水文地質(zhì)參數(shù)為已知，然后通過混合抽水試驗(yàn)成果計(jì)算另一含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。因此，其試驗(yàn)工作大都是自上而下進(jìn)行。現(xiàn)為敘述方便起見，以試驗(yàn)鉆孔中存在三個(gè)含水層，并均為穩(wěn)定流抽水、無限補(bǔ)給、水動(dòng)力性質(zhì)為承壓水為例(圖3)簡(jiǎn)述于后:

圖3 混合靜水位與分層靜水位關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of relationship between mixed static level and layered static level

(1)鉆孔鉆進(jìn)至A含水層底板以下一定深度(一般為底板以下1～3 m)后，撈渣、洗孔，并測(cè)定靜止水位，然后安裝抽水設(shè)備，對(duì)A含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)。最后根據(jù)含水層的邊界條件、水力性質(zhì)等，核算該含水層的滲透系數(shù)K等參數(shù)。

(2)換徑鉆進(jìn)達(dá)到B含水層底板以下適當(dāng)深度(一般進(jìn)行入隔水底板層厚的1/3至1/4即可)，下入鉆桿止水器至換徑深度處，從鉆桿內(nèi)測(cè)定B含水層的靜水位;然后起拔鉆桿止水器，測(cè)定A、B含水層的混合靜水位;最后安裝抽水設(shè)備，對(duì)A、B兩含水層進(jìn)行混合抽水試驗(yàn)。

(3)根據(jù)混合抽水試驗(yàn)的水位降低(S混1)和A含水層的分層靜水位，算出此時(shí)A含水層的實(shí)際相應(yīng)水位降低值(SA);然后按A含水層的滲透系數(shù)(KA)和含水層厚度M1，以及其邊界條件、水力性質(zhì)等，采用相應(yīng)的涌水量計(jì)算公式算出混合抽水試驗(yàn)S混1時(shí)A含水層的涌水量QA，則B含水層在A+B含水層混合抽水時(shí)的實(shí)際涌出量即為Q混1－QA。

(4)根據(jù)B含水層的分層靜水位，計(jì)算混合抽水試驗(yàn)在降深S混1時(shí)，B含水層相應(yīng)的水位降低SB(在圖3中，SB=S混1－S02);然后按B含水層的邊界條件、水力性質(zhì)、含水層厚度M2、影響半徑RB(單孔抽水時(shí)，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算;若有觀測(cè)孔則按觀測(cè)孔與主孔間距及主孔和觀測(cè)孔水位降低計(jì)算RB值)和抽水孔半徑(r)等，采用相應(yīng)的公式計(jì)算B含水層的滲透系數(shù)KB和單位涌水量qB等參數(shù)值。

以圖3所示，并假定各含水層均為無限補(bǔ)給邊界的混合抽水試驗(yàn)和完整井為例，則B含水層的滲透系數(shù)和單位涌水量計(jì)算式［1］即為:

式中:KB為B含水層的滲透系數(shù)(m/d);Q混1為A和B含水層混合抽水試驗(yàn)第一落程的涌水量(L/s);S混1為混合抽水試驗(yàn)第一次水位降低值(m);QA為根據(jù)A含水層分層抽水試驗(yàn)確定的滲透系數(shù)(KA)，計(jì)算其水位降低至S混1深度時(shí)相應(yīng)的涌水量(L/s);S02為A、B含水層混合靜水位與B含水層靜水位的差值(m);RB為B含水層在S混1－S02水位降低時(shí)的影響半徑(m);R為抽水試驗(yàn)鉆孔在B含水層孔段的半徑(m)。

(5)在A、B含水層的滲透系數(shù)分別已計(jì)算確定的情況下，若再進(jìn)行A+B+C三含水層混合抽水試驗(yàn)，則同理亦分別根據(jù)實(shí)測(cè)的分層靜水位計(jì)算出在混合抽水試驗(yàn)水位降低S混2時(shí)，A、B、C三個(gè)含水層各自相應(yīng)的水位降低值(SA、SB、SC);再按A、B兩含水層的滲透系數(shù)分別計(jì)算第二次混合抽水試驗(yàn)水位降深S混2時(shí)相應(yīng)的涌水量QA2和QB2，然后根據(jù)A+B+C含水層混合抽水試驗(yàn)的涌水量Q混2，即求得此時(shí)C含水層相應(yīng)的涌水量 QC=Q混2－QA2－ QB2，最后根據(jù) SC、QC、M3等參數(shù)和邊界條件，計(jì)算C含水層的滲透系數(shù)KC和單位涌水量qC等水文地質(zhì)參數(shù)。

4 計(jì)算實(shí)例及對(duì)比

以宜昌磷礦某礦區(qū)兩個(gè)鉆孔的抽水試驗(yàn)成果為例，將混合抽水試驗(yàn)與分層抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(表1、表2)。

從兩表中對(duì)比實(shí)例的計(jì)算結(jié)果可看出:依據(jù)混合抽水試驗(yàn)資料，按本文所述方法推算Z1d31含水層的滲透系數(shù)K值與其分層抽水試驗(yàn)確定的K值比較，相差率僅1.775%(表1);而在沒有對(duì)計(jì)算目的層(實(shí)例中為Z1d31)進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，按照各層確定(計(jì)算)的K值，采用含水層厚度加權(quán)平均法計(jì)算的綜合K值與混合抽水試驗(yàn)確定的全試段 K值相較，其差率為6.17%(表2)，即準(zhǔn)確性系數(shù)亦達(dá)到0.93以上。后者差率稍大系因沒有對(duì)計(jì)算目的層進(jìn)行分層靜水位觀測(cè)缺少資料所致，倘有此資料，其計(jì)算的精度會(huì)相應(yīng)提高。

表1 混合抽水反算與分層實(shí)測(cè)抽水計(jì)算的滲透系數(shù)(K值)結(jié)果對(duì)比表Table 1 Results comparison of permeability coefficient of inverse calculation of mixed pumping water and K value of layer pumping

表2 混合抽水與分層厚度加權(quán)平均計(jì)算的滲透系數(shù)(K值)結(jié)果對(duì)比表Table 2 Results comparison of permeability coefficient of mixed pumping water and K value of weighted average calculation

5 結(jié)語

混合抽水試驗(yàn)時(shí)，水位降低的深度均應(yīng)大于所有被揭露含水層的分層靜水位深度，且要盡抽水設(shè)備的能力做最大降深，這樣在抽水試驗(yàn)過程中測(cè)定的涌水量(Q混)均包括了所有含水層的涌出水量，只是因?yàn)楦骱畬拥乃畨?位)和含、富水性不同而涌出的水量不同而已。因此，只要使水位降低值盡可能加大，并通過詳細(xì)分析與計(jì)算，也可獲得如同分層抽水試驗(yàn)的結(jié)果，雖其精度可能稍遜于分層抽水試驗(yàn)成果，或者說是沒有分層抽水資料直觀，但可免除分層下入止水套管的繁雜工序，從而大大節(jié)省工時(shí)和資金。對(duì)含水層埋深達(dá)數(shù)百米、用套管分層止水難度很大、甚至難以達(dá)到止水效果的勘探(查)區(qū)，不失為一種獲得多層含水層基本水文地質(zhì)參數(shù)的有效途徑。

［1］ 地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì).水文地質(zhì)手冊(cè)

［M］.北京:地質(zhì)出版社，1985:490.