低滲透潛水含水層抽水試驗(yàn)裝置及其應(yīng)用研究

王 俊，汪玉松，羅澤嬌，魯長(zhǎng)青

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074）

滲透系數(shù)可定量反映巖石的滲透性能，是控制地下水流動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的重要參數(shù)，也是地下水計(jì)算中一個(gè)不可缺少的指標(biāo)［1—3］。目前，求取低滲透介質(zhì)的滲透系數(shù)主要采用微水試驗(yàn)、提水試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和注水試驗(yàn)。其中，微水試驗(yàn)對(duì)含水層的擾動(dòng)小，只影響抽水井周圍很小的范圍［4—5］，但國(guó)內(nèi)有關(guān)該法的操作程序和標(biāo)準(zhǔn)尚未見(jiàn)報(bào)道；周斌等［6］采用提水試驗(yàn)求取滲透系數(shù)，但發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程流量不易控制，受人為因素影響較大；室內(nèi)試驗(yàn)求取的滲透系數(shù)值往往比實(shí)際值小，有的甚至偏差很大［7］；注水試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)規(guī)范［8］，且應(yīng)用較廣泛，但在低滲透介質(zhì)地區(qū)進(jìn)行注水試驗(yàn)，水位下降速度較慢，試驗(yàn)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種能夠在弱透水層中獲取準(zhǔn)確試驗(yàn)參數(shù)的抽水試驗(yàn)裝置，該裝置采用壓力平衡的原理抽水，流量較小且穩(wěn)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理符合抽水試驗(yàn)理論和方法，為弱透水層求取滲透系數(shù)提供了一種新的途徑。

1 抽水試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)

1.1 抽水試驗(yàn)裝置原理與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置的抽水原理與真空泵一致，均是依據(jù)壓力平衡的原理，但該裝置抽水動(dòng)力源自手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力泵。其基本原理是：抽水試驗(yàn)時(shí)在負(fù)壓作用下，試驗(yàn)孔水進(jìn)入容量瓶，瓶?jī)?nèi)負(fù)壓隨之減小，可通過(guò)及時(shí)調(diào)節(jié)壓力泵來(lái)保證恒定負(fù)壓（負(fù)壓發(fā)生微小變化，可以忽略），這樣抽水流量較小且恒定，弱透水層不會(huì)發(fā)生疏干，可進(jìn)行定流量抽水試驗(yàn)。

設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。該試驗(yàn)裝置主要包括手動(dòng)壓力泵、緩沖瓶、電子天平、容量瓶、導(dǎo)管和出水管。其中，手動(dòng)壓力泵用來(lái)調(diào)節(jié)容量瓶?jī)?nèi)部壓強(qiáng)，使容量瓶?jī)?nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，將地下水抽取到容量瓶中，且手動(dòng)壓力泵上安裝了壓力表；電子天平用來(lái)測(cè)量容量瓶的重量（容量瓶自重和抽出水的重量）；導(dǎo)管起連接作用；緩沖瓶用來(lái)防止容量瓶中的水吸到壓力泵中；出水管一端（有重物）要用紗布包裹，以免堵塞。

圖1 抽水試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of pumping test device

1.2 抽水試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

在野外進(jìn)行的各種水文地質(zhì)試驗(yàn)中，該抽水試驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，采集數(shù)據(jù)精度高，抽水流量可控，能滿足弱透水層的抽水試驗(yàn)要求，且數(shù)據(jù)處理方法符合抽水試驗(yàn)理論，可以采用井流公式來(lái)計(jì)算含水層的滲透系數(shù)。但需要注意的是該抽水試驗(yàn)裝置由于采用負(fù)壓進(jìn)行抽水，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓能支持水柱的高度是10.34m，所以低滲透含水層水位埋深不宜過(guò)大。此外，該裝置抽水流量小，較適合富水性弱的巖層。在負(fù)壓（假設(shè)初始?jí)毫Ρ碜x數(shù)為0.05MPa）作用下，井水進(jìn)入容量瓶后，負(fù)壓會(huì)隨之減小，當(dāng)減小了0.005MPa，手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力泵，使壓力表恢復(fù)為初始設(shè)定值，此過(guò)程對(duì)流量影響較小，可以認(rèn)為定流量抽水。

2 抽水試驗(yàn)步驟

采用設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置進(jìn)行抽水試驗(yàn)的步驟如下：

（1）試驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備。除了設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置外，還需準(zhǔn)備水位自記儀（試驗(yàn)采用加拿大Solinst公司生產(chǎn)的Levelogger）、測(cè)線、鋼尺、秒表、筆記本電腦等。

（2）試驗(yàn)儀器的安裝和檢查。按圖1所示進(jìn)行安裝，并檢查試驗(yàn)裝置的密封性，以保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。此外，該試驗(yàn)裝置應(yīng)盡量放置在地勢(shì)比較平坦的地方，以減小試驗(yàn)誤差。

（3）進(jìn)行水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。先用測(cè)線測(cè)量初始地下水位埋深，將水位自記儀連接電腦并開(kāi)啟探頭（水位自記儀的一部分）開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，然后將探頭慢慢投入試驗(yàn)孔井底，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（時(shí)間間隔設(shè)置為30s），監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為探頭到潛水面的距離。水位自記儀的精度為0.1mm，完全滿足水位測(cè)量要求。

（4）進(jìn)行定流量抽水試驗(yàn)。用電子天平測(cè)量空容量瓶的重量，然后將出水管一端投入水中，壓力表迅速調(diào)到某一固定值，當(dāng)有水進(jìn)入容量瓶后開(kāi)始計(jì)時(shí)。

（5）抽水過(guò)程中，通過(guò)控制壓力表，使抽水過(guò)程中壓力恒定，保證定流量抽水，并實(shí)時(shí)關(guān)注水位變化，定時(shí)讀取容量瓶重量，當(dāng)抽水孔出水量和動(dòng)水位與時(shí)間的關(guān)系只在一定范圍波動(dòng)，且沒(méi)有出現(xiàn)持續(xù)上升和下降的趨勢(shì)［9］，即抽水試驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)束第一次水位降深試驗(yàn)。

（6）第一次水位降深試驗(yàn)完成后，待水位恢復(fù)后，做第二次水位降深試驗(yàn)，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟（4）和（5）。

3 實(shí)例應(yīng)用

本文以武漢市葛店某工廠為例，采用本文設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置，并選擇了14個(gè)井孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置的可靠性和適用性。

3.1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

葛店地區(qū)上覆第四系土層為中更新統(tǒng)沖洪積層（Qpal2）和殘坡積層（Qedl4）填土（見(jiàn)圖2），顆粒松散且含有少量碎石，填土層厚度1～5m不等，處于半膠結(jié)狀態(tài)，為弱含水層；下伏第四系黏土層（見(jiàn)圖3），厚度較大，透水性較弱，為弱透水層。該區(qū)域潛水賦存于填土和黏性土層中，其含水層富水性差、含水量小，潛水含水層初始水位埋深較淺，最小埋深為0.31 m，主要接受大氣降水補(bǔ)給，且屬于低滲透性介質(zhì)含水層，常規(guī)抽水試驗(yàn)一抽就干，因此可采用設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置進(jìn)行野外水文地質(zhì)試驗(yàn)。

圖2 葛店區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig.2 Hydrogeological map of Gedian region

圖3 葛店區(qū)域Ⅰ－Ⅰ′地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological section map ofⅠ－Ⅰ′in Gedian region

3.2 試驗(yàn)孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用上述設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置，在研究區(qū)選擇14個(gè)試驗(yàn)孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，由于該地區(qū)含水層滲透性較差，水位恢復(fù)非常慢，所以每一個(gè)試驗(yàn)孔只做了一次水位降深試驗(yàn)。各試驗(yàn)孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。鉆孔的直徑均為110mm，鉆孔打穿了填土層，濾管為鉆孔中水的厚度，初始水位均在填土層中。

表1 各試驗(yàn)孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Pumping test data of each test hole

3.3 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

從鉆孔揭露的含水層結(jié)構(gòu)來(lái)看，本次抽水試驗(yàn)為潛水非完整井穩(wěn)定流抽水，因此可以采用潛水非完整井穩(wěn)定流公式來(lái)計(jì)算含水層的滲透系數(shù)［9］，即

式中：K為含水層滲透系數(shù)（m/d）；Q為抽水流量（m3/d）；H為自然條件下潛水含水層的厚度（m）；h為抽水試驗(yàn)時(shí)潛水含水層的厚度（m）；ˉh為在自然條件下和抽水試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)潛水含水層的厚度平均值（m）；l為過(guò)濾器的長(zhǎng)度（m）；r為抽水孔過(guò)濾器的半徑（m）；R為抽水影響半徑（m）。

（1）式中的抽水影響半徑R可以用庫(kù)薩金公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：S為水位降深值（m）。

由于計(jì)算過(guò)程中需要迭代運(yùn)算，可進(jìn)行VB語(yǔ)言編程，從而快速計(jì)算出含水層的滲透系數(shù)。

3.4 抽水試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)孔S107、S128的水位降深－時(shí)間曲線見(jiàn)圖4和圖5。由圖4和圖5可以看出：抽水過(guò)程中水位下降越來(lái)越慢，直至試驗(yàn)孔水位恒定，且流量恒定，此時(shí)試驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明采用本文設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置得到的水位降深－時(shí)間曲線符合常規(guī)抽水試驗(yàn)特征，并且抽水時(shí)流量恒定，所以利用該裝置在低滲透性介質(zhì)中進(jìn)行抽水試驗(yàn)是可行的。單井抽水試驗(yàn)是抽水試驗(yàn)方式的一種類型，其在低滲透介質(zhì)中也是適用的。

圖4 S107試驗(yàn)孔水位降深－時(shí)間曲線圖Fig.4 Drawdown－time curve of test hole S107

圖5 S128試驗(yàn)孔水位降深－時(shí)間曲線圖Fig.5 Drawdown－time curve of test hole S128

基于VB編程，采用潛水非完整井穩(wěn)定流公式，計(jì)算得到各試驗(yàn)孔含水層的滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各試驗(yàn)孔含水層的滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculating result of the permeability coefficient of each test hole

圖6 葛店某廠區(qū)潛水含水層滲透系數(shù)分區(qū)Fig.6 Permeability coefficient zoning in a plant area in Gedian

根據(jù)表2結(jié)果，結(jié)合葛店區(qū)域地形地貌和水文地質(zhì)條件，按潛水含水層滲透系數(shù)對(duì)葛店某廠區(qū)進(jìn)行分區(qū)，見(jiàn)圖6。其中，潛水含水層滲透系數(shù)大于0.1 m/d的區(qū)域?yàn)闈B透性相對(duì)較好地區(qū)，潛水含水層滲透系數(shù)在0.05～0.1m/d范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)闈B透性中等地區(qū)，潛水含水層滲透系數(shù)小于0.05m/d的區(qū)域?yàn)闈B透性相對(duì)較差地區(qū)。由圖6和表2可知：葛店某廠區(qū)低滲透潛水含水層南部區(qū)域滲透系數(shù)較大，北部區(qū)域滲透系數(shù)較小；試驗(yàn)孔中最大滲透系數(shù)值和最小滲透系數(shù)值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)；大部分區(qū)域滲透性為中等和相對(duì)較差。

4 結(jié) 論

葛店地區(qū)潛水含水層屬于低滲透介質(zhì)，上覆第四紀(jì)填土，較薄，下伏黏土，富水性弱，出水量小，利用設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置進(jìn)行抽水試驗(yàn)，井流量較穩(wěn)定，水位自記儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位，且儀器精度較高，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為理想，并結(jié)合潛水非完整井穩(wěn)定井流公式可求取潛水含水層的滲透系數(shù)并對(duì)其進(jìn)行分區(qū)。說(shuō)明設(shè)計(jì)的抽水試驗(yàn)裝置對(duì)于低滲透性潛水含水層求參具有一定的適用性。

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