水文地質(zhì)工程中微水試驗技術(shù)的應(yīng)用

1、水文地質(zhì)工程中微水試驗技術(shù)的應(yīng)用作者：譚穎 李超旭 楊凱畢業(yè)論文2011-11-18 9:53:08摘要: 本文主要介紹了微水試驗技術(shù)的基礎(chǔ)理論和試驗方法,并與傳統(tǒng)試驗方法進(jìn)行比較,擬利用微水試驗技術(shù)開發(fā)“地層滲透系數(shù)快速測定系統(tǒng)”,以期在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞微水試驗抽水試驗滲透系數(shù)1 微水試驗的現(xiàn)場試驗技術(shù)微水試驗可以從現(xiàn)場試驗技術(shù)和數(shù)據(jù)處理模型兩個方面進(jìn)行闡述。現(xiàn)場試驗技術(shù)可以概括為五步:(1)將水壓傳感器放入井孔一定深度; (2)將水位擾動設(shè)備放入井孔,靜待水位穩(wěn)定; (3)使用擾動設(shè)備瞬間改變井孔內(nèi)水位; (4)記錄水位恢復(fù)數(shù)據(jù); (5)最后用圖表的分析方法計算滲透系數(shù)值。試驗方

2、法使孔內(nèi)水位瞬時下降,然后等待水位上升恢復(fù), 故又稱“升水頭試驗( Rising HeadTest) ”。同理,“降水頭試驗( Falling Head Test) ”是在孔內(nèi)放入探頭,并且水位穩(wěn)定后,快速插入一個圓柱體,使水位瞬時上升,然后記錄水位下降恢復(fù)的方法。目前水位變化的數(shù)據(jù)基本上都是使用水壓傳感器進(jìn)行記錄,配合數(shù)據(jù)采集裝置,可以自動、高效的記錄水位變化的全程數(shù)據(jù)。在試驗時,為了捕捉井孔中最大的初始位移,需要在圓柱體插入或從井中提出之前就開始記錄動水位變化(從井口到水位的距離) ,一直記錄到試驗結(jié)束。不管應(yīng)用何種微水試驗理論求取滲透系數(shù),并不是所有數(shù)據(jù)都有用,對分析計算有用的只是水位變

3、化達(dá)到最大值之后到水位達(dá)到穩(wěn)定這一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后,從動水位時間曲線中選擇合適的時間作為計算數(shù)據(jù)的起點(diǎn),相應(yīng)這個起點(diǎn)的時間也設(shè)為0,以后的時間都要減去起點(diǎn)的時間(如圖1所示) 。圖 1從完整數(shù)據(jù)中摘取計算數(shù)據(jù)微水試驗是建立在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上,地下水流動時水分子之間的粘滯力要遠(yuǎn)比其慣性力明顯,慣性力通常在數(shù)學(xué)分析中忽略不計。但通過多年的研究,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場水位變化的數(shù)據(jù)除了圖3所表現(xiàn)出的指數(shù)形式衰減外,還有另一種表現(xiàn)形式。在圖1所示的升水頭試驗中可以看出,當(dāng)水位變化快速達(dá)到最大( h0 )后,開始的恢復(fù)速度快(斜率大) ,隨后恢復(fù)速度變慢,逐漸停止,未發(fā)生原始靜止水位附近的振蕩,水流初

4、始的動能已在水位達(dá)到靜止時被水分子之間的摩擦、水柱與井壁的摩擦和水柱增大的勢能消耗完畢,稱之為“過阻尼衰減”。此種情況多發(fā)生在弱滲透性地層和中等滲透性地層中。但在某些情況下,地下水流動所引起的慣性力是不能忽略的。對于強(qiáng)滲透地層,水位恢復(fù)速度很快,在達(dá)到原始靜止水位時,可能還會有剩余的動能克服粘滯力,從而在靜止水位上下發(fā)生振蕩,如同一個有一定阻尼的彈簧,逐漸穩(wěn)定在平衡狀態(tài),此即“欠阻尼衰減”,此時慣性力不能再忽略。2 微水試驗和抽水試驗的選擇微水試驗時間非常短,影響半徑又小,其結(jié)果的準(zhǔn)確性常常受到質(zhì)疑,有必要對兩者進(jìn)行對比分析。抽水試驗周期長,影響的含水層體積大;微水試驗周期短,影響的含水層體積

5、小,對于測定特定含水層有自己的優(yōu)勢,比如體積較大的透鏡體,如果采用抽水試驗,流入井孔中的地下水不僅包括透鏡體的水,還包括透鏡體之外含水層的水,得到的滲透系數(shù)是一平均值。而微水試驗的影響半徑小, 其所測得的滲透系數(shù)為透鏡體自身的滲透性。因此,對于同一地點(diǎn),微水試驗和抽水試驗的結(jié)果往往并不相同, 計算結(jié)果可能差一個數(shù)量級,主要是因為影響半徑不同。如果地層很不均勻,可能需要同時做抽水和微水試驗。在工程實(shí)踐中大多采用抽水試驗技術(shù), 認(rèn)為利用抽水試驗計算的滲透系數(shù)比微水試驗更準(zhǔn)確。從區(qū)域范圍來看,這種觀點(diǎn)是正確的,但是抽水試驗也有自己的局限性,因為抽水試驗所確定的滲透系數(shù)是較大范圍地層的平均值,往往低估

6、了最高滲透系數(shù),又高估了最低滲透系數(shù)。微水試驗影響半徑小, 在同一個地點(diǎn)多做幾組試驗,單個微水試驗對于沉積層中相變的情況并不考慮,所取得的滲透系數(shù)是一種經(jīng)過數(shù)學(xué)平均的均值。抽水試驗和微水試驗的計算結(jié)果都會與實(shí)際有一定誤差,抽水試驗由于影響半徑大,滲透系數(shù)代表大范圍地層的平均滲透系數(shù), 而微水試驗由于影響半徑小,滲透系數(shù)代表只能代表近井孔處某一個巖土層的特性,而未能考慮遠(yuǎn)處不同巖相對滲透系數(shù)的影響。雖然一些學(xué)者針對微水試驗提出了自己的觀點(diǎn),認(rèn)為井孔的質(zhì)量對于微水試驗結(jié)果的影響較大,且滲透系數(shù)不能代表大范圍含水層,當(dāng)沒有條件進(jìn)行抽水試驗時寧愿通過經(jīng)驗方法確定滲透系數(shù)。雖然微水試驗有其固有的缺點(diǎn),但

7、其優(yōu)勢也很明顯,并且根據(jù)工程所處階段和重要性,選用微水試驗也不失為一種好方法?！袄盟脑囼灥玫降臐B透系數(shù)到底代表哪個含水層”這個問題決定于進(jìn)入井孔中水體來自哪個含水層。如果流入井孔的水全部來自A含水層,那么所得結(jié)果即為A含水層的滲透系數(shù)。但如果流入井孔的水來自多個含水層,比如來自A和B 含水層(或者雖然進(jìn)水段位于A含水層,但B 含水層通過越流補(bǔ)給或其他方式間接進(jìn)入井孔) ,那么所得滲透系數(shù)代表的是A 和B 含水層的平均值。抽水試驗由于影響半徑大、單次降深大,如果含水層厚度較大,進(jìn)入井孔中的水可能來自單個含水層,但當(dāng)含水層厚度較小或存在越流補(bǔ)給的情況下,進(jìn)入井孔的水一般來自多個含水層。而微水試

8、驗由于影響半徑小、單次降深小、周期短,即使對于含水層較薄的情況,進(jìn)入井孔的水也來自試驗含水層,發(fā)生越流補(bǔ)給的可能性很小。因此可見,抽水試驗和微水試驗的針對性是不同的,即滲透系數(shù)所代表的地層范圍不同。表1為抽水試驗和微水試驗的比較。表1抽水試驗和微水試驗的比較因此,在同一個孔中對同一深度段地層進(jìn)行抽水試驗和微水試驗,如果計算的滲透系數(shù)不同,不能輕易說某一個試驗是錯的,要仔細(xì)分析地層和鉆孔結(jié)構(gòu),有可能各自的滲透系數(shù)代表的地層范圍是不同的。如果含水層較厚,地層較為均一,抽水試驗和微水試驗可以得到近似的滲透系數(shù)。當(dāng)承壓含水層中隔水頂?shù)装甯羲阅懿缓脮r,在抽水試驗時可能會發(fā)生越流補(bǔ)給,造成兩種試驗結(jié)果不

9、一致。微水試驗由于水頭差小、影響半徑小、試驗周期短,即使隔水層性能不好,在試驗過程中一般也不發(fā)生越流補(bǔ)給,所得的滲透系數(shù)反映的只是含水層自身的滲透性。如果不同滲透性的含水層交互分布,使用抽水試驗較難測得其中某一層的滲透系數(shù)值,得到的多是各層平均值。而微水試驗可以較順利求得某一含水層的滲透系數(shù)。綜上所述,對于含水層發(fā)育較穩(wěn)定,連續(xù)性較好的情況,特別是滲透性不同的含水層上下相連時,采用微水試驗獲取的滲透系數(shù)更為可信,而采用抽水試驗由于影響半徑比較大,除了試驗含水層,也可能有其他含水層的水進(jìn)入井孔,滲透系數(shù)往往是多個含水層的平均值。在實(shí)際工程中可依據(jù)試驗的目的選擇合適的試驗方法。3 微水試驗的井孔設(shè)

10、計為了順利進(jìn)行微水試驗,需要在現(xiàn)場試驗之前根據(jù)現(xiàn)場的條件(設(shè)備條件、地質(zhì)條件等)預(yù)先設(shè)計井孔,水文試驗井孔不同于一般勘探孔,井孔的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對水文試驗的結(jié)果影響很大,但常常為技術(shù)人員所忽略。井孔的兩個方面對于試驗的影響最重要,一是井孔結(jié)構(gòu),二是洗井的效果。進(jìn)行鉆探施工時,采用何種方法主要取決于水文地質(zhì)條件和井孔的目的,比如在地下水污染地區(qū)設(shè)立的監(jiān)測孔,因為要提取水樣進(jìn)行化學(xué)分析,所以在成孔時盡量不要采用可能影響試驗結(jié)果的外加物質(zhì)。但不管采用何種成孔技術(shù),在成孔過程中難免會產(chǎn)生大量的碎屑,包括殘余的泥漿、破碎的細(xì)顆粒等。這些碎屑會聚集在井壁,對緊鄰井壁的地層滲透性產(chǎn)生較大影響。水文試驗井孔的結(jié)構(gòu)

11、主要包括4個方面:套管、過濾管、環(huán)狀過濾層、環(huán)狀止水層,如圖2所示。圖 2 井孔結(jié)構(gòu)示意圖(1)套管:在微水試驗中,套管半徑?jīng)Q定了試驗的時間和放入井孔中設(shè)備(電纜、提筒)的尺寸。水位恢復(fù)的時間與半徑成正比,即半徑越大,試驗周期就越長。針對低滲透地層,栓塞2微水試驗和閉合2微水試驗即通過改變栓塞上部豎管的直徑達(dá)到改變套管直徑而縮短試驗時間的目的。(2)過濾管:過濾管有多種,有骨架過濾管(俗稱花管) 、包網(wǎng)過濾管、纏絲過濾管、填礫過濾管等,后三種過濾管都是以骨架過濾管為基礎(chǔ)制作,應(yīng)根據(jù)含水層巖性構(gòu)成和井壁穩(wěn)定情況選用。如果孔隙率小,地下水會在孔處收斂,產(chǎn)生額外的水頭損失,使微水試驗的結(jié)果復(fù)雜化。(

12、3)過濾層:指位于過濾管和井壁之間的材料,功能是防止細(xì)顆粒隨地下水流入井中,在井壁穩(wěn)定的含水層中,過濾層的另一個作用是給上面的環(huán)狀止水層提供支撐。(4)止水層:指位于套管和井壁之間的低滲透材料,對非試驗含水層進(jìn)行止水,阻止非試驗含水層地下水向過濾管段的垂直運(yùn)動。對于微水試驗,必須保證進(jìn)入井管的水來自試驗含水層,否則會出現(xiàn)異常的結(jié)果。在成孔過程中會形成大量碎屑,洗井的目的就是清除過濾段地層中的碎屑。對于微水試驗而言,這是一項非常重要的工作,但常常又不被重視,以至于試驗結(jié)果和實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。說明在正式微水試驗前進(jìn)行充分洗井的必要性。微水試驗的結(jié)果受井壁條件影響很大,即所謂的“皮膚效應(yīng)”,如圖3。在井

13、壁周圍可形成比原地層滲透性高或低的區(qū)域,因此皮膚效應(yīng)可分為正皮膚效應(yīng)(滲透系數(shù)減小)與負(fù)皮膚效應(yīng)(滲透系數(shù)增大)兩種。正皮膚效應(yīng)對微水試驗的影響最大。（A）存在皮膚效應(yīng)的井孔（B）理想井孔圖3 皮膚效應(yīng)國外學(xué)者認(rèn)為,微水試驗和抽水試驗所計算的滲透系數(shù)差異主要源于皮膚效應(yīng)的影響,并且皮膚效應(yīng)會造成微水試驗結(jié)果小于抽水試驗。這里需要指出的是,此種說法應(yīng)該有一個前提條件,即含水層較厚,地層較為均一。因為對同一含水層進(jìn)行抽水試驗和微水試驗,從表面看進(jìn)入水井的水都是同一含水層,但如果含水層較薄,或巖性組成變化較大,此時抽水試驗和微水試驗的實(shí)際試驗含水層并不一致,因此滲透系數(shù)的差異原因不僅僅是皮膚效應(yīng)引起的,單純比較兩種試驗方法的滲透系數(shù)大小是沒有意義的。目前處理微水試驗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型皆建立在不存在皮膚效應(yīng)的基礎(chǔ)上,即圖3 ( b)所示的情況,雖然目前提出了一些考慮皮膚效應(yīng)的模型,但很少應(yīng)用,因為現(xiàn)實(shí)情況很難通過幾個假設(shè)來說明,因此最好在洗井階段就將碎屑盡可能的清除,而不要將皮膚效應(yīng)留到數(shù)據(jù)處理階段。4 結(jié)束語利用微水試驗技術(shù)開發(fā)機(jī)電一體化“地層滲透系數(shù)快速