基于物理模型試驗的微水試驗可靠性研究

李清波 萬偉鋒 蔡金龍

摘 要：微水試驗是一種簡便且相對快速測定水文地質(zhì)參數(shù)的野外試驗方法，但在國內(nèi)實際勘察中的應(yīng)用偏少，對試驗結(jié)果的可靠性存在一定疑慮是主要原因之一。在總結(jié)已有微水試驗應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，建立了微水試驗?zāi)Ｐ推脚_，開展了不同類型的微水試驗、抽水試驗和注水試驗，通過對比不同試驗方法求參結(jié)果分析了微水試驗的可靠性。試驗和分析結(jié)果顯示，不同激發(fā)方式下的微水試驗結(jié)果一致性較好，在相同水文地質(zhì)條件下，微水試驗結(jié)果和傳統(tǒng)的抽水試驗、注水試驗結(jié)果相比偏小，抽水試驗、注水試驗結(jié)果是微水試驗結(jié)果的1.75倍、1.55倍，不同試驗方法對含水層地下水的擾動強度不同，尺寸效應(yīng)是造成試驗結(jié)果差異的主要原因。

關(guān)鍵詞：微水試驗;抽水試驗;注水試驗;可靠性;物理模型

中圖分類號：TV221.2 ? 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.020

Abstract： The slug test is a simple and rapid field test method for determining hydrogeological parameters. But the application in the actual survey is less in China. One of the main reasons is that there is some doubt about the reliability of the test results. On the basis of summarizing the application effects of the slug test， a slug test model platform was established and different types of slug test， pumping test and water injection test were carried out. The reliability of the slug test was analyzed by comparing the results of different the test methods. The test and analysis results show that the consistency of slug test results under different excitation methods are in good agreement. Under the same hydrogeological conditions， the results of the slug test are smaller than those of traditional pumping tests and water injection tests. The results of the pumping test and water injection test are 1.2 to 1.8 times of that of the slug test. Different test methods for aquifer groundwater disturbance intensity and size effect are the main reasons for the differences in test results.

Key words： slug test; pumping test; water injection test; reliability; physical model platform

微水試驗（Slug test）是一種簡便且相對快速測定水文地質(zhì)參數(shù)的野外試驗方法，它起源于國外，其譯名各異，如重錘試驗、鉆孔振蕩試驗、沖擊試驗、定容積瞬時抽水或注水試驗，或者直接音譯為斯拉格試驗等[1]。20世紀(jì)50年代，Hvorslev等首次應(yīng)用微水試驗對土體的滲透系數(shù)進行現(xiàn)場測定，并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型用于求解[2]。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，微水試驗已被廣泛應(yīng)用于巖土勘察中，成為研究巖體滲透性的重要野外試驗技術(shù)和方法之一[3]，國外有專著論述微水試驗的設(shè)計、實施和數(shù)據(jù)解釋、分析。與傳統(tǒng)試驗相比，微水試驗不僅更簡便、經(jīng)濟而且精度高，可以滿足實際巖土體滲透參數(shù)測定的需要。在國內(nèi)，微水試驗的研究起步相對較晚，但隨著技術(shù)的不斷進步和試驗方法的成熟，微水試驗已經(jīng)逐漸在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)被越來越多的學(xué)者和勘察工作者熟知，并在勘察工作中得到了一些應(yīng)用，但長期以來其在國內(nèi)實際生產(chǎn)中仍未得到廣泛推廣和使用。其原因一方面是缺乏統(tǒng)一的試驗要求及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，試驗設(shè)備不完善，數(shù)據(jù)處理繁瑣;另一關(guān)鍵的原因在于對微水試驗的適用性條件，是否可代替?zhèn)鹘y(tǒng)抽水、注水試驗，以及微水試驗結(jié)果的可靠性問題存在疑慮。

筆者通過物理模型試驗平臺開展抽水試驗、注水試驗與微水試驗，分析微水試驗用于測試含水層滲透系數(shù)的可行性和可靠性，并對其存在的問題進行了探討和研究。

1 微水試驗概述及其在國內(nèi)的應(yīng)用情況

微水試驗的實質(zhì)是通過一定激發(fā)手段（如瞬時抽水或注水、提水、氣壓泵、振蕩棒等）使井孔內(nèi)水位發(fā)生瞬時變化，通過觀測和記錄鉆孔水位隨時間的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，與相應(yīng)理論數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合，進而計算試驗孔附近的水文地質(zhì)參數(shù)。根據(jù)試驗過程，其可分為降水頭微水試驗和升水頭微水試驗。以往水位變化過程主要靠人工觀測，目前井（孔）內(nèi)壓力傳感器已較為成熟，可以自動采集、記錄和存儲水位變化數(shù)據(jù)，且精度較高。

自20世紀(jì)50年代初Hvorslev等率先應(yīng)用微水試驗技術(shù)以來，許多專家學(xué)者致力于微水試驗理論的研究，并對其求解模型和方法不斷進行改進和修正，其理論體系已經(jīng)較為成熟。應(yīng)用方面，在國外微水試驗很早就被作為一種原位試驗方法廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域的巖土體參數(shù)的測試中，并有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在國際上流行的含水層求參軟件Aquifer Test中，有專門的微水試驗求參模塊。國內(nèi)微水試驗研究較國外開始得相對較晚，在實際勘察中應(yīng)用偏少。

在微水試驗與其他試驗的對比分析及微水試驗的可靠性研究方面，不同學(xué)者和應(yīng)用者的研究結(jié)果存在差異。鞠曉明等[4]為研究排污河對地下水污染的影響，將微水試驗應(yīng)用于安徽淮北市某河流附近一場地內(nèi)，共進行了粉細砂、細砂含水層中6組抽水和微水對比試驗，兩種試驗結(jié)果雖然在一個數(shù)量級上，但是抽水試驗結(jié)果是微水試驗結(jié)果的1.5倍。萬偉鋒等[5]在南水北調(diào)中線溫博段補充水文地質(zhì)勘察中，為了獲取較為準(zhǔn)確的滲透系數(shù)值，采用了抽水試驗、注水試驗、微水試驗和室內(nèi)滲透試驗多種對比方法，結(jié)果顯示，微水試驗獲取的參數(shù)值小于注水試驗和抽水試驗的，并認為尺度效應(yīng)（影響范圍）是造成試驗差異的原因。徐連鋒等[6]將微水試驗應(yīng)用到湖西堤裂隙黏土滲透試驗中，并與抽水試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示同孔抽水試驗一般是微水試驗結(jié)果的2.5～9.8倍。不過也有一些學(xué)者通過實際測試認為微水試驗和抽水試驗結(jié)果是一致的。如徐海洋等[7]在泰州長江公路大橋工程巖土滲透性勘察中，對同一鉆孔分別進行微水試驗和抽水試驗，兩種試驗結(jié)果基本一致。趙燕容等[8]結(jié)合泰州長江公路大橋南、北錨碇沉井排水下沉工程，在現(xiàn)場開展了常規(guī)抽水試驗和微水試驗對比研究，結(jié)果表明兩種模型計算結(jié)果一致性較好。

上述研究結(jié)果的結(jié)論雖不完全一致，但都表明微水試驗在實際勘察工作中的應(yīng)用是可行的，為驗證一種試驗的可靠性，采用嚴(yán)格的物理模型對比試驗是常采用的方法。在水文地質(zhì)勘察工作中，測定含水層水文地質(zhì)參數(shù)最為常用、最為普遍被接受的原位試驗是抽水試驗，另一種常見的原位試驗是注水試驗，因此下文中微水試驗對比試驗主要采用這兩種試驗。

2 物理模型試驗平臺的建立

微水試驗的物理模型外部由墻體四面合圍，墻體厚度為38～40 cm，內(nèi)部形成4 m×4 m的正方形池子，池子四周及底部均進行防水處理，外圍墻體高度為2.2 m?；诘叵滤畡恿W(xué)的裘布衣圓島理論假設(shè)，以及微水試驗理論的假設(shè)條件，將池內(nèi)孔隙含水層設(shè)置為圓形，圓形含水層模型的直徑為3.8 m，距離水池四周墻壁最近約10 cm，圓形周邊采用鋼筋骨架+鋼絲網(wǎng)+錦綸濾網(wǎng)進行固定。含水介質(zhì)采用顆粒級配均勻水洗中細砂，砂層鋪設(shè)厚度為1.5 m，均勻鋪設(shè)完成后，經(jīng)3次反復(fù)飽水、釋水使其自由密實。

本次模擬的潛水含水層厚度為1.3 m，通過模型側(cè)壁上距離底部1.3 m的溢水孔來實現(xiàn)含水層邊界處水位的穩(wěn)定，物理模型示意見圖1。試驗平臺中心設(shè)置試驗主孔，孔徑為160 mm，在兩個相互垂直方向上不同距離設(shè)置了8個觀測孔，以觀測不同微水試驗的影響范圍和程度。

3 試驗及求解方法

3.1 抽水試驗

（1）試驗過程。在抽水孔中共進行了3個流量、3個落程的抽水試驗，采用自動水位記錄儀記錄水位變化情況，利用水表記錄抽水流量，3個流量Q1～Q3分別為11.36、16.36、20.62 m3/d，對應(yīng)的降深S1～S3分別為0.29、0.45、0.67 m，將連續(xù)10 min水位變化不超過1 cm作為近似穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，3個落程的穩(wěn)定時間為37～53 min（見表1），試驗共進行5.42 h。降深—時間關(guān)系曲線見圖2，抽水試驗Q—Δh2（h為抽水試驗時含水層厚度）關(guān)系見圖3。

3.3 微水試驗

3.3.1 試驗過程

開展不同激發(fā)方式的微水試驗，激發(fā)方式有注水式、沖擊式、提水式、瞬間抽水式4種。

（1）注水式。利用固定容量的漏斗作為注水裝置，分別注入不同體積的水使水頭發(fā)生不同程度的變化，監(jiān)測地下水位的恢復(fù)過程。通過多次注水獲取地下水位變化曲線，進而求取各次試驗的滲透系數(shù)。由于砂層滲透性較好，因此每組注水式微水試驗一般僅需3～5 min（見圖4）。

（2）振蕩棒式（沖擊式）。振蕩棒式微水試驗利用一定體積的重物瞬間墜入孔中地下水以下或者瞬間從地下水位以下提出水面，引起孔內(nèi)水位瞬間抬升或者降落。該類型微水試驗可分為兩個過程：第1個過程是沖擊過程，將重物快速沉入水中造成水位抬升，觀測水位恢復(fù)過程（見圖5）;待水位恢復(fù)到初始水位后，進行第2個過程——提出過程，即把重物快速提出水面引起水位下降，觀測第2個水位恢復(fù)過程，提出過程相當(dāng)于提水式微水試驗。本次共進行了4組振蕩棒式微水試驗。

（3）提水式。提水式微水試驗和注水式相反，是從孔中瞬間提出一定體積的水造成水位變化。提水式微水試驗相當(dāng)于振蕩棒式微水試驗的提出過程（見圖6）。本次共進行6組提水式微水試驗，4組有效。

（4）瞬間抽水式。瞬間抽水式微水試驗利用水泵等抽水設(shè)備，在很短的時間內(nèi)抽出一定體積的水，然后觀測水位變化過程。它與提水式微水試驗類似，所不同的是，前者是利用電力抽水設(shè)備抽水，可以激發(fā)的水位變幅更大，后者是人工提水，但二者都強調(diào)瞬時性。

本次共在潛水含水層中開展8組瞬間抽水式微水試驗。不同強度瞬間抽水的水位變化曲線如圖7所示。

3.3.2 求解方法

微水試驗計算參數(shù)的理論模型很多，常用的有Kipp模型、CBP模型、Hvorslev模型和Bouwer-Rice模型等，其中潛水含水層微水試驗通常采用Bouwer-Rice模型進行計算，其適用條件為：非承壓含水層，均質(zhì)各向異性多孔介質(zhì)，定水頭有限直徑圓島形邊界條件，忽略含水介質(zhì)的彈性儲水效應(yīng)，幾何模型如圖8所示。

由表4可以看出，不同激發(fā)方式的微水試驗計算結(jié)果較為接近，注水式、提水式和瞬間抽水式的K值范圍為9.13～9.37 m/d，沖擊式略大，為10.24 m/d。主要原因是沖擊式微水試驗在重物快速墜入孔內(nèi)地下水位以下時，對水體產(chǎn)生了較大的沖擊和波動，造成數(shù)據(jù)有一定浮動，進而對計算結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。總體上看，不同類型、不同激發(fā)高度微水試驗的計算結(jié)果較為接近，相互之間的偏差較小，表明試驗的重復(fù)性較好，試驗本身較為可靠。

4 結(jié)果對比分析

為了分析不同類型試驗之間的差異，將不同試驗計算結(jié)果列表進行對比（見表5）。由表5可以看出，K值大小有如下關(guān)系，抽水試驗>注水試驗>微水試驗，對應(yīng)的試驗平均值分別為16.71、14.75、9.54 m/d。抽水試驗和注水試驗計算結(jié)果分別是微水試驗的1.55倍和1.75倍。

不同試驗方法對含水層的擾動強度和影響范圍是不同的，一般來講，抽水試驗歷時長，對試驗井附近的含水層地下水?dāng)_動較大，影響范圍也較大，因此工程勘察中一般采用抽水試驗的結(jié)果作為含水層水文地質(zhì)參數(shù)的建議值，而注水試驗影響相對較小，微水試驗更是突出了“微”，因此含水層地下水?dāng)_動強度的差異和尺寸效應(yīng)造成了不同試驗結(jié)果的差異。文獻[5]指出南水北調(diào)中線溫博段補充水文地質(zhì)勘察過程中在現(xiàn)場開展了抽水、注水和微水三種原位試驗對比，得到的結(jié)果和本次物理模型試驗結(jié)果是一致的，即微水試驗的結(jié)果偏小。但作為一種便攜的、快捷的含水層參數(shù)原位測試方法，在不具備開展抽水試驗、注水條件時，仍是一種很好的選擇。根據(jù)本次物理模型試驗結(jié)果，并結(jié)合前人的對比試驗研究結(jié)論，在實際工程勘察過程中，可根據(jù)水文地質(zhì)特性和擾動強度的不同，將微水試驗結(jié)果擴大1.5～5.0倍，作為試驗含水層水文地質(zhì)參數(shù)的建議值。

5 結(jié) 論

通過開展抽水試驗、注水試驗和微水試驗三種不同類型的物理模型試驗，得出如下結(jié)論。

（1）利用抽水試驗、注水試驗獲取的含水層滲透系數(shù)均大于微水試驗的，計算結(jié)果分別是微水試驗結(jié)果的1.75倍和1.55倍。

（2）對含水層擾動的強度不同和尺寸效應(yīng)是造成試驗差異的原因。

（3）不同激發(fā)方式微水試驗的結(jié)果較為相近，同一激發(fā)方式下不同水頭激發(fā)高度的微水試驗結(jié)果也較為接近，微水試驗的重復(fù)性較好，總體上是一種可靠的測試水文地質(zhì)參數(shù)的方法。

（4）微水試驗作為一種便捷的含水層水文地質(zhì)參數(shù)原位測試方法，由于其對含水層擾動的強度相對較小，試驗影響范圍有限，和抽水試驗相比尺寸效應(yīng)明顯，因此在今后勘察工作中可將其參數(shù)計算結(jié)果適當(dāng)擴大1.5～5.0倍，作為參數(shù)選取的建議值。

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【責(zé)任編輯 張華巖】