微水試驗方法在天津地區(qū)求取滲透系數(shù)應(yīng)用對比分析

林廣宇, 符亞兵, 焦志亮, 梁玉凱

(天津市勘察院， 天津 300191)

在水文地質(zhì)調(diào)查工作中常采用抽水試驗方法求取含水層滲透系數(shù)，但對于某些工程或項目，存在試驗周期、試驗期間電力供應(yīng)、出于環(huán)境安全考慮不適宜大量抽汲地下水等限制，微水試驗便是這一情景下解決求取滲透系數(shù)問題的一種替代方法。微水試驗是一種快速求取含水層滲透系數(shù)的現(xiàn)場原位試驗方法。該試驗方法的基本原理是采用瞬時向試驗井內(nèi)注入或抽取一定水量方式，使井中水位瞬時上升或下降一定高度，通過觀測水位隨時間變化關(guān)系，從而計算滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)[1-2]。微水試驗方法具有便于野外實施、工作周期短、受場地條件限制小等優(yōu)勢，但目前在天津地區(qū)應(yīng)用較少[3]。

Hvorslev等學(xué)者于20世紀(jì)50年代首先應(yīng)用此類試驗方法，并在后續(xù)研究中對計算模型進(jìn)行了完善和修正[4]。截止目前，各國學(xué)者已經(jīng)陸續(xù)提出了50余種非穩(wěn)定流微水試驗的數(shù)學(xué)求解模型，包含了承壓水、非承壓水、完整井、非完整井等多種條件下的滲透系數(shù)計算[5]。其中，常用的微水試驗計算模型主要有Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型、Cooper模型[6]。

國內(nèi)自20世紀(jì)80年代以來陸續(xù)開展相關(guān)研究，對試驗方法、試驗原理、生產(chǎn)實踐經(jīng)驗進(jìn)行介紹，如國立中央大學(xué)(臺灣)陳家洵[7]利用雙封塞系統(tǒng)(Double Packers)開展了多深度試驗在地下水污染原位治理中的應(yīng)用研究。長春地質(zhì)學(xué)院的宿青山等[8]較早開展了瞬時抽(注)水試驗的計算方法和應(yīng)用研究，但并未形成完善的操作程序和標(biāo)準(zhǔn)。近年來，國內(nèi)對非穩(wěn)定流微水試驗的研究和應(yīng)用顯著增多。鐵道第三勘察設(shè)計院于2009年研究開發(fā)了“地層滲透系數(shù)快速測定系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、篩選、處理自動計算的全部工作[9]。河海大學(xué)和成都勘測設(shè)計研究院聯(lián)合開發(fā)了“巖土體滲透性參數(shù)快速測試系統(tǒng)”[10]。中國地質(zhì)大學(xué)于2011年在安徽某試驗區(qū)進(jìn)行了抽水試驗和微水試驗在求取參數(shù)上差別的研究[11]。河海大學(xué)季純波等[12]通過注水高度對潛水含水層厚度的影響關(guān)系的推導(dǎo)，并結(jié)合室內(nèi)變水頭滲透試驗和抽水試驗結(jié)果，驗證了應(yīng)用此模型計算得出滲透系數(shù)的準(zhǔn)確性。上述研究成果多針對細(xì)砂等粗顆粒含水介質(zhì)進(jìn)行，而天津地區(qū)由于其第四系濱海沉積環(huán)境特點，沉積物顆粒較細(xì)、滲透性相對較低，含水層主要由粉土、粉砂組成，適用性不確定，不同方法之間的對比研究和相關(guān)應(yīng)用較少。

因此，本次研究針對上述試驗方法，結(jié)合工程實踐案例采用抽水試驗和微水試驗兩種方法分別計算滲透系數(shù)，并利用統(tǒng)計學(xué)手段分析抽水試驗、微水試驗以及室內(nèi)滲透試驗成果數(shù)據(jù)，比較幾種方法求取參數(shù)上的異同，分析推廣應(yīng)用的可能性、是否存在可指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的特定規(guī)律，揭示可能存在的問題。

1 研究區(qū)概況

本次研究結(jié)合天津地區(qū)的10個工程項目，以工程建設(shè)經(jīng)常涉及、含水介質(zhì)相似、徑流條件相近的第Ⅰ、第Ⅱ承壓含水組的粉土、粉砂含水介質(zhì)為試驗研究目標(biāo)層位。天津地區(qū)該主要含水層自上而下按照時代成因及地層編號依次為：全新統(tǒng)下組陸相沖積層(Q41al)粉土、粉砂(地層編號⑧2)；上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層(Q3eal)粉土、粉砂(地層編號⑨2)；上更新統(tǒng)四組海相濱海-潮汐帶相沉積層(Q3dmc)粉土、粉砂(地層編號⑩2)；上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層(Q3cal)粉土(地層編號2)、粉砂(地層編號4)。埋深一般介于20 m～50 m，各含水層之間由黏土、粉質(zhì)黏土等構(gòu)成相對隔水層，天然狀態(tài)下，垂直方向上的水力聯(lián)系較弱，各承壓含水層的壓力水頭隨季節(jié)變幅不明顯。

2 試驗原理及方法

2.1 試驗原理與方法初步比選

通過對幾種可替代抽水試驗求取水文地質(zhì)參數(shù)的試驗方法進(jìn)行比選分析，穩(wěn)定流注水試驗(常水頭)結(jié)果通常顯著偏小、試驗水頭不易實施控制、試驗周期較長；而非穩(wěn)定流試驗具有周期較短、較易于實施的特點，但《水文地質(zhì)手冊》等工具書中傳統(tǒng)的降水頭試驗計算公式對井結(jié)構(gòu)缺乏必要的修正，因此，本次研究針對工程實踐中易于實施、工作周期短、計算較為便捷的微水試驗方法開展，使用Cooper、Hvorslev、Bouwer&Rice等考慮井結(jié)構(gòu)影響因素的成熟計算模型，探討其求取水文地質(zhì)參數(shù)可靠性，如表1所示。

本次對照試驗組中，試驗井均采用完整井結(jié)構(gòu)。抽水試驗采用可調(diào)式變頻潛水泵，以便準(zhǔn)確控制恒定流量抽水，單井抽水，設(shè)置2口觀測井，進(jìn)行穩(wěn)定流三次降深抽水試驗，采用自動水位記錄儀，記錄時間間隔為1 min，滲透系數(shù)取三次降試驗深數(shù)據(jù)計算的平均值。

微水試驗利用上述建立的3口試驗井，每井各進(jìn)行1次試驗，采用注水方式瞬時改變水位，根據(jù)井徑計算水位瞬時抬升約1.0 m所需的水量，于3 s～5 s內(nèi)注入，形成瞬時水位抬升，采用自動水位記錄儀，記錄時間間隔為1 s。對于每組試驗數(shù)據(jù)，分別采用Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型、Cooper模型計算滲透系數(shù)。

2.2 微水試驗計算方法

2.2.1 Cooper模型

Cooper等[13]在假設(shè)含水層均質(zhì)、各向同性、側(cè)向無限延伸的前提下，得出承壓完整井的滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)的計算公式：

H=H0F(α,β)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

f(u,α)=[UJ0u-2αJ1u]2+[uy0u-Zαy1u]2

(6)

式中：H0為試驗初始時刻水位與靜止水位之差的絕對值，m；H為水位變化值，m；rs為過濾管半徑，m；rc為井管半徑，m；b為含水層的厚度，m；t為時間，注水或取水瞬時為起始時間，d；S為含水層釋水系數(shù)，無量綱；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；T為含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d。

實際工作中測得不同時刻的水位，計算得出與初始靜止水位之差Ht，初始時刻水位差記為H0，在半對數(shù)坐標(biāo)系中繪制Ht/H0-lgt關(guān)系曲線，記錄相稱點所對應(yīng)時刻t，可計算得出相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)：

(7)

(8)

(9)

2.2.2 Hvorslev模型

Hvorslev等[14]按照試驗井過濾管和含水層的位置關(guān)系分別給出以下計算模型，用以計算承壓完整井和承壓非完整井條件下的滲透系數(shù)。

(1) 試驗井過濾段緊鄰隔水層:

(10)

(2) 試驗井過濾段位于含水層中部:

(11)

(3) 試驗井為完整井:

(12)

式中：Kr為滲透系數(shù)，m/d；rwe為試驗井過濾段的有效半徑，m；rc為試驗井管半徑，m；L為自然條件下含水層中過濾管的長度，m；TL為基本時間間隔(即ht/h0=0.37時對應(yīng)的時刻)，d；R為影響范圍，近似等于200倍的過濾段有效半徑，m。

2.2.3 Bouwer&Rice模型

Bouwer等[15]提出了適用于含水層過阻尼情況下的半解析、針對無壓完整井和無壓非完整井的計算模型。Bouwer經(jīng)過后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，除過濾管頂部距離含水層邊界很近的這種情況外，之前提出的模型亦可用于計算承壓含水層滲透系數(shù)。

(13)

其中影響半徑R計算公式如下：

(1) 非完整井的影響半徑為：

(14)

(2) 完整井的影響半徑為：

(15)

式中：H為天然狀態(tài)下含水層的厚度，m；b為過濾管底部至含水層頂部距離，m；A、B、C均為L/rwe的函數(shù)，無量綱。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 計算結(jié)果初步分析

經(jīng)過對各種試驗計算方法結(jié)果初步統(tǒng)計分析(見圖1)，采用Cooper模型的滲透系數(shù)計算值雖然總體高低值趨勢與其他方法一致，但偏離普遍較大，可見其對天津地區(qū)承壓含水層的特點及現(xiàn)有成井工藝適應(yīng)性較差，且計算過程中需人為調(diào)整適配曲線，對計算結(jié)果有一定影響。因此，本文后續(xù)關(guān)于微水試驗的討論主要針對Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型兩種計算方法進(jìn)行，二者計算值較為接近，分析過程中取二者平均值作為微水試驗方法求解滲透系數(shù)的代表值。

3.2 抽水試驗-微水試驗滲透系數(shù)對比分析

為考察微水試驗、抽水試驗兩種方法求取滲透系數(shù)的差異性，采用“相對偏差”這一指標(biāo)量化評價兩種方法獲得結(jié)果之間的差異，相對偏差即為二者之差比上二者之和的絕對值，計算統(tǒng)計結(jié)果如表2、圖2所示。

表2 滲透系數(shù)計算值對比結(jié)果

圖2 滲透系數(shù)計算值及相對偏差

微水試驗、抽水試驗的滲透系數(shù)計算值對照組3較為異常，相對偏差達(dá)到17.34%，而其他對照組的相對偏差普遍介于0.68%～7.41%之間，總體上差異小于10%。

3.3 室內(nèi)試驗滲透系數(shù)對比分析

本次研究通過收集資料，獲得了各對照組所在場地巖土工程勘察報告中相應(yīng)含水介質(zhì)的室內(nèi)土工試驗滲透系數(shù)成果，為便于分析比較，將室內(nèi)土工試驗獲得的滲透系數(shù)單位統(tǒng)一換算至單位m/d。室內(nèi)土工試驗滲透系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 抽水試驗、微水試驗、土工試驗滲透系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

為初步分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征，同時為后續(xù)充實研究提供統(tǒng)計分析的思路，本次研究以現(xiàn)有數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對所有抽水試驗-室內(nèi)土工試驗對照組滲透系數(shù)倍數(shù)關(guān)系計算95%置信區(qū)間的下限為3.17，上限為67.37，考慮到對照組2、對照組3數(shù)據(jù)明顯異常，剔除異常數(shù)據(jù)樣本后，計算95%置信區(qū)間下限為8.10，上限為23.33，如表4所示。

表4 抽水試驗-室內(nèi)試驗滲透系數(shù)倍數(shù)關(guān)系統(tǒng)計分析結(jié)果

對所有微水試驗-室內(nèi)土工試驗對照組滲透系數(shù)倍數(shù)關(guān)系計算95%置信區(qū)間下限為3.19，上限為60.68，剔除異常數(shù)據(jù)樣本后，計算95%置信區(qū)間下限為7.60，上限為23.73，如表5所示。

表5 微水試驗-室內(nèi)試驗滲透系數(shù)倍數(shù)關(guān)系統(tǒng)計分析結(jié)果

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

通過本次研究工作，得出以下主要結(jié)論：

(1) 通過本次對比試驗研究和驗證，對微水試驗獲得的觀測數(shù)據(jù)采用Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型計算滲透系數(shù)，對天津地區(qū)含水層特性及現(xiàn)有成井工藝適用性較好，具有推廣應(yīng)用的可行性；而采用Cooper模型計算獲得滲透系數(shù)明顯高于抽水試驗，這也與前人相關(guān)研究結(jié)論較為一致。

(2) 由于試驗方法本身的影響范圍較小，實際應(yīng)用時需注意地層分布的均勻性和穩(wěn)定性，在地層分布差異較大的場地應(yīng)用時，應(yīng)分別在具有代表性的區(qū)域布設(shè)試驗點，以保證場地水文地質(zhì)參數(shù)獲得的科學(xué)性和合理性以及代表性。

(3) 采用Hvorslev模型和Bouwer&Rice模型計算得出的滲透系數(shù)與抽水試驗方法計算得出的滲透系數(shù)較為接近，微水試驗兩種模型計算的平均值與抽水試驗計算值的相對偏差介于0.68%～7.51%之間，小于10%。

(4) 通過現(xiàn)場試驗與室內(nèi)土工試驗獲得的滲透系數(shù)進(jìn)行對比分析，抽水試驗、微水試驗的滲透系數(shù)計算值一般為室內(nèi)土工試驗結(jié)果的約8倍～24倍，產(chǎn)生此種差異的原因從地層沉積特性、各種方法特點、實施過程等方面分析，主要由于：① 地層本身非均質(zhì)性；② 現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗過程人為因素影響(包括取樣位置、運輸條件、放置時間、試樣選取等)；③ 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗之間“尺度效應(yīng)”的影響(主導(dǎo)作用)，導(dǎo)致結(jié)果存在較為明顯差異，但二者之間的倍數(shù)關(guān)系總體規(guī)律可作為生產(chǎn)實踐參考。

4.2 建 議

(1) 由于區(qū)域微水試驗實踐經(jīng)驗較少，單獨使用一種方法可能導(dǎo)致求參偏離，實際應(yīng)用中可選擇Hvorslev模型和Bouwer&Rice模型計算滲透系數(shù)共同作為參考。

(2) 由于研究周期內(nèi)承擔(dān)的抽水試驗工程有限，截至本次研究工作完成時只進(jìn)行了10組對照試驗，如有條件建議在更多工程中重復(fù)上述試驗內(nèi)容，以求所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律更具有代表性和統(tǒng)計意義。