基于Slug試驗(yàn)測(cè)定含水層滲透系數(shù)

姚慶健++陳亞運(yùn)

摘 要：Slug試驗(yàn)是在地下水位靜止的條件下，瞬時(shí)使井孔水位產(chǎn)生一定幅度的變化來評(píng)價(jià)水文地質(zhì)參數(shù)的原位測(cè)試方法，由于其設(shè)備便攜，費(fèi)用低，易操作的特點(diǎn)，被越來越多的人用于測(cè)定含水層的滲透系數(shù)K值。本文在分析Slug試驗(yàn)理論模型的基礎(chǔ)上，采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄水位，在利用Aquifer Test軟件計(jì)算含水層參數(shù)。結(jié)果表明：利用Slug試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行且操作周期短，在利用Aquifer Test軟件很好的處理了采集數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確高效的計(jì)算出含水層的滲透系數(shù)。

關(guān)鍵詞：Slug試驗(yàn)；滲透系數(shù)；Aquifer Test軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.219

1 引言

Slug試驗(yàn)是一種測(cè)試含水層滲透性的原位測(cè)試方法，近年來以其方便、經(jīng)濟(jì)、不失準(zhǔn)確性的特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展并應(yīng)用于工程實(shí)踐中，Slug試驗(yàn)的方法克服了室內(nèi)試驗(yàn)不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，同時(shí)相比與抽水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)更加高效經(jīng)濟(jì)。

Hvorslev在1951年首先將slug試驗(yàn)運(yùn)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算[1]，而后Ferris和Knowles（1954）在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[2]，cooper（1967）等對(duì)承壓含水層參數(shù)評(píng)估方法進(jìn)行了進(jìn)一步修正[3]。這之后Rice（1976）以及Bouwer（1989）等人發(fā)展了考慮井阻和幾何尺寸的承壓、半承壓、潛水層的理論計(jì)算方法[4]，Butler（1998）給出該方法的具體實(shí)施技術(shù)總結(jié)[5]，Willis （2008）等將其列為水文地質(zhì)試驗(yàn)的常規(guī)手段及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

在我國(guó)九十年代前，由于Slug試驗(yàn)測(cè)量工具靈敏度不高、技術(shù)和場(chǎng)地的限制等原因只能進(jìn)行低滲透率試驗(yàn)且鮮有應(yīng)用，更沒有相關(guān)的操作程序和標(biāo)準(zhǔn)。但是隨著科技發(fā)展，儀器精度的提高，Slug試驗(yàn)不僅解決了適用低滲透率地層的常規(guī)認(rèn)識(shí)，而且對(duì)中高滲透性含水層的測(cè)試也有了大的進(jìn)步。張昭棟（1990）在地震領(lǐng)域利用瞬時(shí)激起井水位振蕩法，提出了一種測(cè)量含水層導(dǎo)水系數(shù)的新方法[7]。蘇銳（2007）將Slug試驗(yàn)應(yīng)用到低滲透的裂隙介質(zhì)中，首次考慮溫度和鉆孔儲(chǔ)存效應(yīng)，進(jìn)一步完善了Slug試驗(yàn)理論模型[8]，李星宇（2014）等人將Slug試驗(yàn)方法應(yīng)用于巖溶裂隙水的研究中[9]。根據(jù)現(xiàn)今的Slug試驗(yàn)發(fā)展，本文以郭屯煤礦某現(xiàn)場(chǎng)Slug試驗(yàn)實(shí)例研究其應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)。

2 計(jì)算原理模型

Slug試驗(yàn)方法的基本原理是在地下水位靜止的條件下，瞬時(shí)使井孔水位產(chǎn)生一定幅度的上升或者下降后記錄水位恢復(fù)過程，在將實(shí)際得到的曲線與理論曲線對(duì)比擬合求取含水層參數(shù)，原理示意圖如圖1所示。

2.1 Hvorslev模型

Hvorslev模型由Hvorslev等學(xué)者于20世紀(jì)50年代初建立和發(fā)展起來的。其假設(shè)條件是： 試驗(yàn)井孔為承壓完整井； 均質(zhì)多孔介質(zhì)含水層； 地下水流動(dòng)為達(dá)西穩(wěn)定流； 忽略含水介質(zhì)的彈性儲(chǔ)水效應(yīng)，即Ss= 0。如下為該模型的解析解，并可以根據(jù)直線圖解法求出相關(guān)參數(shù)。

3 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于山東郭屯煤礦工廣，井孔為風(fēng)井試驗(yàn)注漿孔，該孔掘進(jìn)施工至井深663.6m，現(xiàn)場(chǎng)注漿孔結(jié)構(gòu)30m以下全取芯至孔深663m，土層孔徑Φ108mm，風(fēng)氧化帶孔徑Φ94mm；取芯結(jié)束后再擴(kuò)孔下套管，表土層擴(kuò)孔孔徑Φ190mm，并下入Φ139.7×6.2mm套管，其中注漿段為花管，風(fēng)氧化帶注漿孔徑為Φ118mm，裸孔。本次試驗(yàn)對(duì)象為注漿孔底部540～584m的新近系砂層含水層。

該含水層以厚層粘土為主，粘土呈雜色，呈現(xiàn)半固結(jié)狀，常見白色高嶺土層或石膏團(tuán)塊。砂層以灰白、棕黃色的中、細(xì)砂為主，砂質(zhì)不純，多含泥質(zhì)成分， 一般含砂層3～9層，砂層厚度15.6～85.60m，砂層厚度占12.1～50.6%，受古地形影響砂層厚度變化大，連續(xù)性差，多呈透鏡狀。該層段底部一般為厚層粘土、砂質(zhì)粘土層，井田西部砂、砂礫層直接覆蓋在下伏地層之上。

4 slug試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

4.1 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)前觀測(cè)初始水位，確定初始水位位置，并啟動(dòng)DIVER水位傳感器，設(shè)置觀測(cè)時(shí)間間隔，然后將帶測(cè)繩的DIVER放入一定深度位置的水位中，該點(diǎn)水位變化范圍不能超過25m（根據(jù)試驗(yàn)探頭所設(shè)）；向孔中緩緩下一定長(zhǎng)度鉆桿，進(jìn)入水中，引起水位升高，其變化在25m之內(nèi)，等水位恢復(fù)至初始水位時(shí)，將鉆桿緩緩升起至地面，孔中水位開始下降，等水位恢復(fù)至初始水位時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)過程如圖2所示。

上述試驗(yàn)重復(fù)2～4次來減小偶然誤差，結(jié)束后取出試驗(yàn)探頭采集相關(guān)數(shù)據(jù)其水位數(shù)據(jù)如下圖3。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

本文數(shù)據(jù)處理采用Aquifer Test軟件[10]是由美國(guó)Waterloo Hydrogeologic.Inc公司開發(fā)，應(yīng)用于Slug試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，主要解決承壓含水層、潛水含水層、弱透水含水層、基巖裂隙含水層四中情況。如圖4所示為該軟件的Slug試驗(yàn)工作界面圖。軟件界面簡(jiǎn)單易上手操作。軟件擁有三個(gè)模塊：輸入、運(yùn)行、后處理。輸入模塊為Slug Test和Water Level，運(yùn)行模塊為Analysis，后處理模塊為Rpoter。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過輸入模塊輸入軟件，本次選用Hvorslev模型法求解。運(yùn)行該軟件求解大大節(jié)約了人工運(yùn)算，和配線時(shí)的人工誤差，強(qiáng)大的后處理功能使結(jié)果具有良好的可視化效果。利用上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，整理擬合曲線后如圖5所示滲透系數(shù)為5.08×10-1m/d。

5 結(jié)論

（1）Slug試驗(yàn)采用的原位試驗(yàn)，利用水位恢復(fù)過程計(jì)算含水層參數(shù)值，減少了外界干擾，是結(jié)果更加貼近實(shí)際。

（2）本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用高精度探頭記錄數(shù)據(jù)，避免了人為記錄的主觀誤差。采用專業(yè)的Aquifer Test軟件處理Slug試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確的求出了含水層參數(shù)，減少了人工配線的工作量，方便快捷。

（3）本次由于Slug試驗(yàn)的K值主要反映試驗(yàn)孔附近的水文地質(zhì)參數(shù)影響半徑較小，受局部不均勻性影響較大，比如洗井情況，裂隙發(fā)育情況和部分透鏡體的存在都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。建議在研究區(qū)進(jìn)行多次試驗(yàn)，找尋具有代表性的試驗(yàn)場(chǎng)地，作為整個(gè)區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hvorslev，M.J Time lag and soil permeability in groundwater observations [J]，Bulletin 1951，No.36， U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station，Vicksburg，MS.

[2]Ferris.J.G. and Knowles，D，B. Slug Test for Estimating Transmissibility [J]. U. S. Geological Survey，1954，Note26：7.

[3]Cooper H H， Bredehoeft J D， Papadoupulos I S. Response of a finite-diameter well to an instantaneous charge of water[J]. Water Resources Research，1967，3（1）：263-269.

[4]Bouwer H， Rice R C. A slug test for determining hydraulic conductivity of unconfined aqufer with completely or partially wells[J].Water Resources Research，1976，12（3）：423-428.

[5]Butler JR J J， Mcelwee C D，Liu W.Improving thequality of parameter estimates obtained from slug tests[J]. Ground Water，1996，34（03）：480-490.

[6]Willis D.Weight，Hydrogeology Field Manual[M].， Mc. GrawHill.2008.

[7]張昭棟，鄭香媛，殷積濤等.一種測(cè)求水井含水層導(dǎo)水系數(shù)的新方法[J].華南地震，1990，10（03）：18-24.

[8]蘇銳.低滲透裂隙介質(zhì)滲透特征評(píng)價(jià)技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究所，2007.

[9]李星宇，南天，王新娟等.基于微水試驗(yàn)的北京大興隱伏巖溶裂隙滲透系數(shù)的求取方法[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，12（04）：156-160.

[10]龐國(guó)興.水文地質(zhì)參數(shù)的可視化軟件Aquifer Test[J].地下水，2012，34（03）：195-196.

作者簡(jiǎn)介：姚慶?。?992-），男，六安人，在讀碩士，主要從事水文地質(zhì)研究。