微水試驗在湖西堤裂隙粘土滲透試驗中的應用

徐連鋒 馬東亮楊正春李劍修 陳 亮 雷 文季純波

一、湖西堤地質概況

南四湖地區位于沂蒙山前沖洪積平原與魯西南黃泛沖積平原交接洼地處，出露地層主要為第四系松散土層，淺層沉積物以裂隙粘土為主，主要分為三層：

（1）第四系全新統沖積層（Q4al）：主要為褐、褐黃色軟塑～可塑狀粘土，局部夾輕粉質壤土、砂壤土，多見貝殼碎屑及小螺殼。

（2）第四系全新統湖沼積堆積層（Q4fl）：主要為灰黑、灰色流塑～軟塑狀粘土，夾有較多淡水貝殼及小螺殼，局部夾有淤泥質粘土，有機質含量高，有臭味。

（3）第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl）：主要為棕褐、褐黃色可塑～硬塑狀含姜石粘土、壤土、砂壤土，局部分布有粉細砂。

本區地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水和裂隙潛水。地下水主要分布在沖洪積、洪積第四系松散層中，潛水主要分布在裂隙發育的粘土中，含水層分布連續性、均勻性較差。裂隙粘土一般厚度2～5m，室內試驗滲透系數多為10-6～10-7cm/s，現場試驗滲透系數為10-2～10-3cm/s。該粘土滲透系數大的主要原因為粘土沉積后在失水收縮干裂后形成原生的收縮裂隙，遇水膨脹，裂隙基本閉合，經多年后形成連通性較好的裂隙，而且該層粘土屬全新統近期沉積層，植物根系發育，裂隙與植物腐爛根系形成的孔洞和蟲孔等孔洞逐漸連通，使該類土具有中等～強透水性，富水性較好。

為研究本層滲透特性，結合裂隙粘土滲透穩定行研究課題的試驗工作，引進微水試驗，部分鉆孔并進行抽水試驗，以對比試驗的可靠性。

二、微水試驗

1.微水試驗簡介

微水試驗（或沖擊試驗、slug tests等）在國外20世紀50年代初由Hvorslev等學者首先建立模型，提出了其簡便算法，之后一些學者對承壓含水層參數的求解進行了修正；Bouwer 和 Rice （1976） 、Bouwer（1989）增加了考慮井阻和幾何尺寸等因素的承壓、半承壓、潛水層的理論計算方法。之后Campbell（1990）等對各種方法以及它們的適用范圍進行了歸納和總結。

在國內，殷積濤等（1992）將該方法運用到地震領域中；陳則連（2009）則把微水試驗應用在鐵路水文地質勘察中；黃賢龍將微水試驗運用于高滲透性含水層的測量并取得與抽水試驗相對一致的結果。本文介紹了在南四湖西堤進行的微水試驗和抽水試驗成果，并從二種試驗的結果、投入、效率等方面進行分析對比，綜合評估微水試驗在水文地質勘察中的實用價值。

2.微水試驗原理及試驗設備

微水試驗原理為瞬時使測井內水位發生微小變化（降低或升高），利用專用探頭測量探頭位置的水壓變化，觀測記錄水位的自然恢復過程，根據測井內微小水頭的變化與含水層的滲透性以及測井的半徑、測井濾管等參數關系求得地層的滲透系數。

微水試驗設備主要包括探頭、電纜、傳輸線、電源設備、配備終端數據采集軟件的計算機。測量水壓力的探頭通過電纜連接到電源設備，然后通過數據傳輸線連接到計算機上，這樣測量的數據就可以在計算機數據采集軟件中記錄下來。因此利用微水試驗獲取含水層水頭壓力變化資料時，探頭不僅需要很高的測量精度，對試驗數據還需要較高的采集頻率。

試驗區為潛水含水層，故計算模型主要應用Bouwer和Rice潛水井模型。該模型基本假設：1）不考慮含水層彈性釋水的影響；2）假設試驗過程中含水層厚度不變。根據測井水位變化、恢復時間、試驗鉆孔相關參數與含水層滲透系數關系建立模型，并簡化求解為

式中：Kr——徑向滲透系數；rw——有效濾管半徑；rc——有效鉆孔半徑；b——含水層厚度；H0——測井內相對于探頭的最大水位,H0=H（0）；H（t）——t時刻測井內相對于探頭的水位；Re——微水試驗的影響半徑；t——測試時間。

3.微水試驗過程

微水試驗主要分三部分：（1）瞬時改變測井水位；（2）記錄測井水位瞬時變化后的水位恢復過程，繪制H-t水位恢復曲線，t為開始注水到注水完成的時間；（3）應用相應計算模型求解水文地質參數，采集得到的數據通過公式（1），結合 ln（H（t）/H0）—t曲線擬合斜率及相關試驗參數即可求出土層滲透系數。

表1 各孔微水試驗滲透系數計算成果表

表2 鉆孔抽水試驗和微水試驗結果對比表

表3 與前期滲透試驗資料的對比

4.微水試驗成果

試驗點選在山東省魚臺縣西姚和李戶兩村附近，共4孔；1、2號孔依次在西姚村堤頂截滲墻迎水側及背水側堤腳；3號孔、4號孔位于在李戶背水側堤腳。

試驗數據整理過程以3號鉆孔微水沖擊試驗為例說明。3號鉆孔位于李戶段堤防背水側堤腳外1m；鉆孔穩定水位埋深0.64m，孔深5.3m。

圖1為3號孔第一組微水試驗水位恢復曲線圖，探頭位置注水前水位為0.664m，注水后最大水位為0.839m，對應時刻為第35s，水位恢復時間約為340s。圖2為以水位恢復過程第35s作為初試時間繪制的ln（H（t）/H0）—t曲線，此曲線擬合直線的斜率約為-0.0184，即為公式（1）的最后一項，其它相關參數代入公式（1）計算得滲透系數為2.72m/d（或3.15×10-3cm/s）。

各孔相關試驗參數及微水試驗計算結果如表1。

從計算的結果來看，滲透系數在3.15×10-3～6.40×10-4cm/s。

5.抽水試驗成果

本次微水試驗同時對西姚的1號，2號和李戶的4號進行了單孔抽水試驗，由于含水層較薄，均取一個降深，采用裘布依公式計算。計算結果匯總見表2。

抽水試驗計算的滲透系數為4.00～8.70×10-3cm/s。

三、結論

1.試驗成果對比

與本次抽水試驗的結果對比（詳見表2），微水試驗滲透系數一般在1.0×10-3cm/s左右，結果偏小一些，同孔抽水試驗一般是微水試驗成果的2.5～9.8倍。

與前期勘察資料對比（詳見表3），微水試驗大致接近注水試驗的計算成果。

原因可能是：微水試驗的水位差小、時間短，試驗影響半徑比較小，測試成果僅限于鉆孔范圍土層；而對于裂隙粘土，裂隙、孔洞的分布不是均勻的，抽水試驗降深大、影響范圍大，且隨時間增加，含孔洞、裂隙的部位因受沖刷，流量會增加，甚至含越流補給，故滲透系數偏大；而注水試驗與微水試驗條件較接近，但水頭小、時間短。因此，微水試驗計算的結果比抽水試驗小，與注水試驗成果較接近。

表4 微水試驗和抽水試驗投入對比

2.試驗效率分析

抽水試驗與微水試驗均需要在鉆孔中進行，鉆孔、洗孔的程序和耗費的時間和材料是一樣的。抽水試驗一般需要三個降深，單孔抽水穩定延續時間不應少于4小時，完成一組（三個降深）抽水試驗大約需要1天半至2天的時間；多孔抽水穩定延續時間不應少于8小時試驗，并且以最遠觀測孔的動水位波動情況確定，完成一組（三個降深）抽水試驗大約需要3天半至5天的時間。投入的人員數量和設備差異很大。微水試驗和抽水試驗的投入人員、設備、時間對比如表4。

可以看出，微水試驗的投入時間要遠遠少于抽水試驗，并且在設備上攜帶方便，安裝簡單，投入人員少，成本低，從經濟成本上來說比抽水試驗要節省的多。

3.兩種試驗特點分析

目前國內滲透系數主要通過抽（注）水試驗手段獲得，它的優點是國內已有操作規范，理論、工藝要求非常成熟，適用于大多數地層測試滲透系數。但是抽水試驗過程比較繁瑣、穩定過程緩慢，并且耗費資金較多，對成孔質量、孔徑要求也較高。

微水試驗只要求鉆孔孔徑大于探頭（探頭直徑26mm）即可。目前小口徑鉆進已經廣泛應用于實際工程，而抽水試驗在小口徑鉆孔中難以進行，而微水試驗正好彌補了該方面的缺欠，由于計算機技術的應用和精密儀器的快速發展以及巖土體滲透性參數現場快速測試系統的軟、硬件條件均已發展成熟，為微水試驗測滲透系數提供了前提條件，可以快速完成現場數據采集、數據摘選、數據處理等工作，可以提高生產效率和計算精度，減輕現場人員工作強度。

微水試驗不僅能用來確定含水層的滲透系數，還可以確定含水層的導水系數、對貯水系數做數量級上的估計。而且由于試驗時間短，所需設備、操作人員少，且易執行，所以具有經濟簡便的優點，在國外以及我國臺灣地區已經被廣泛應用于巖土體滲透性參數確定