水電工程鉆孔振蕩式滲透試驗的發展

徐海洋, 崔中濤

(中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610079)

水電工程鉆孔振蕩式滲透試驗的發展

徐海洋, 崔中濤

(中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610079)

鉆孔振蕩式滲透試驗是一項成本低、簡單、試驗歷時短、無需抽出或注入大量水的現場水文地質試驗。近年來,振蕩式滲透試驗發展成為一項評價含水層滲透參數空間變化特征以及低滲透性巖土體滲透特性的重要水文地質試驗技術方法。介紹其基本概念和原理、技術特點及發展,對比三種激發方式的優缺點,認為注水(抽水)式振蕩試驗更加方便快捷,并在深厚覆蓋層和地下水位埋深較大的隧道工程勘察中進行了應用,取得了較好的效果。

振蕩式滲透試驗;水文地質試驗;滲透系數

目前,國內測定滲透性參數的主要手段為抽水試驗,其它的一些替代方法,諸如簡易注水、水位恢復法、物探法等,由于本身存在著較大缺陷,如精度差、實際應用困難等,均無法取代抽水試驗。而抽水試驗既耗費資金又非常繁瑣,尤其對于埋深較大、滲透性較弱的含水層,做抽水試驗非常困難。在這種情況下,振蕩式滲透試驗方法應運而生。

自1951年Hvorslevr提出微水試驗法原理之后,Cooper等(1967)、Bouwer and Rice(1976)、Kipp(1985)、Zenner(2002)等對微水試驗法作了廣泛、深入的研究,使得該方法已逐步廣泛地應用于巖土體滲透系數的野外測定[1-5]。該方法在試驗數據處理方面,由應用于承壓含水層的完整孔到用于潛水含水層的完整或非完整孔的方法,進一步開發了用于潛水和承壓含水層的數據處理方法;試驗技術上,由只在單一含水層試驗發展到目前可以在多層分層試驗,開發了排除各非試驗層干擾的栓塞等方法,數據采集采用了各種水位傳感器和自動記錄裝置。

1 基本概念和原理

振蕩式滲透試驗是在一個試驗鉆孔中,瞬間抽取/灌入一定體積的水,記錄鉆孔中水位上升/下降的變化規律,從而計算鉆孔周圍巖土體滲透性參數的一種簡易方法,如圖1-(a)、(b)所示。圖1-(c)為振蕩式滲透試驗水位—時間響應曲線[6]。振蕩式滲透試驗有多種激發方式,如瞬間抽水、瞬間注水、振蕩棒瞬間落入鉆孔中或從鉆孔中取出、密閉井孔并充(吸)氣等等。振蕩式滲透試驗不僅能用來確定含水層的導水系數,還可以對貯水系數作數量級上的估計。

振蕩式滲透試驗的原理[7]:將鉆孔內的水體及其相鄰含水層一定范圍內的水體視為一個系統,采取某種激發方式使系統失去平衡,水體開始振蕩。測量和分析這個振蕩過程,就是自振法試驗研究的內容。振蕩過程可用以下振蕩方程來表述:

(1)

該振蕩方程有兩種解:

(2)

(3)

這表明系統振蕩存在著兩種形式:式(2)為指數振蕩,式(3)為周期性的指數振蕩。相應的水位恢復也有兩種方式:式(2)表明水位隨時間的推移而趨向穩定,式(3)表明水位呈周期性振蕩,且隨時間的推移而趨向穩定。通過求解這個振蕩方程建立起阻尼系數β與含水層的滲透系數K和固有頻率ωw的關系,即可計算含水層的滲透系數。

圖1 振蕩式滲透試驗原理及其水位—時間響應曲線Fig.1 Principle of slug test and response curve of water table-time

2 振蕩式滲透試驗技術特點及發展

2.1 振蕩式滲透試驗優點

振蕩式滲透試驗具有以下優點:

(1) 既無需從含水層抽出大量的地下水,也無需向含水層注入大量的水,因而既不必考慮對抽出的地下水進行儲存和處理的問題,也不必擔心注水可能造成含水層污染的問題。在環境水文地質調查中,抽水試驗抽出的大量地下水的儲存和處理是一個非常費時、費力、費錢的問題,在干旱缺水地區開展注水試驗需要對水源特別計劃。而振蕩式滲透試驗很好地解決了這些問題。

(2) 當地下水位埋深較大時,由于水泵揚程的制約,無法進行抽水試驗時可采用振蕩式滲透試驗。

(3) 試驗簡單。僅僅需要記錄水位隨時間的變化。

(4) 試驗歷時相對較短。無論對于高滲透性含水層,還是低滲透性含水層,相對于其他現場水文地質試驗,振蕩式滲透試驗歷時較短。特別是對于低滲透性或極低滲透性巖體,振蕩式滲透試驗具有更顯著的優越性。

(5) 試驗成本較低。振蕩式滲透試驗需要的設備(壓力測量設備和定體積物體等)和人力(1或2人)較少,因而成本極低。

2.2 激發方式優缺點對比

試驗水頭變化激發方式有注水(抽水)式、氣壓式和振蕩器式三種。

注水式振蕩滲透試驗:運用一定試驗手段(如水泵和水桶等)瞬時將一定量水體注入鉆孔中,以激發振蕩試驗。該激發方式優點:能夠使用較少的試驗儀器快速地激發水頭。缺點:容易產生水花飛濺,不能得到較高質量的試驗數據。抽水式振蕩滲透試驗:在保證水泵在試驗過程中始終處于鉆孔水面以下的前提下,短時間內抽取一定量水體以激發振蕩試驗。該激發方式優點:能夠使用較少的試驗儀器快速地激發水頭,而且能得到較高質量的試驗數據。缺點:當地下水位埋深較大時,無法有效從鉆孔中抽取一定量的水來激發試驗。

氣壓式振蕩滲透試驗:當井內空氣壓力增加,水位將下降直到水壓“上升”,與氣壓“下降”壓力相等時為止。一旦水位穩定后,快速打開釋放閥門,瞬間釋放井內空氣壓力。從而在沒有水花飛濺的情況下,水位恢復至原位。優點:當正確使用本方法時,相對于其它激發方式而言,可以得到最高質量的數據,而且可測量其它激發方式不能測試的極高K值的地層。缺點:需要較多設備激發水頭,而且對設備的密封要求較高。在低滲透性地層中,加壓階段耗時通常為激發測試耗時的兩倍,并需要進行滲漏測試。許多單位都在工程中應用氣壓式振蕩試驗來獲取含水層的水文地質特性,有十里鋪水電站、白鶴灘水電站等,并且取得了良好的效果。

振蕩器式振蕩滲透試驗:快速將一定體積的振蕩器落入鉆孔水面以下或者將其沉入鉆孔水面以下,待井水位恢復后快速拉離水面,從而產生機械沖擊以激發振蕩試驗。該激發方式優點:能夠使用較少的試驗儀器快速地激發水頭。缺點:由于振蕩器體積有限,在滲透系數較大的地層水頭激發高度不夠,不能取得有代表性的試驗數據。

2.3 振蕩式滲透試驗技術發展

2009年5月1日起實施的《鉆孔振蕩式滲透試驗規程》是作為中國水電工程顧問集團公司的企業標準,也是目前國內第一本關于振蕩式滲透試驗的規程。規程對氣壓式振蕩試驗作了詳細的規定。

隨著振蕩式滲透試驗在許多工地的應用,對振蕩式滲透試驗有了更加全面地了解和認識。筆者發現:雖然氣壓式振蕩試驗可以得到最高質量的數據,可測量滲透系數較小的地層,但是需要較多設備激發水頭,對設備的密封要求較高。在低滲透性地層中,加壓階段耗時通常為激發測試耗時的兩倍,而且需要進行滲漏測試。注水(抽水)式振蕩試驗不僅能夠使用較少的試驗儀器快速地激發水頭,而且能得到較高的試驗數據。和氣壓式振蕩試驗相比較,注水(抽水)式振蕩試驗更加方便快捷。

為了更加廣泛地推廣注水(抽水)式振蕩試驗,筆者進行了大量的現場試驗。

3 應用實例

3.1 深厚覆蓋層應用實例

ML電站壩址據前期勘探鉆孔揭示,壩基物質主要由較均一的細顆粒物質組成,厚度超過250 m,最深可達500 m,是國內外水電工程項目中從未遇到過的超深厚覆蓋層建壩項目,覆蓋層層次結構相對穩定,從上至下分為4大層、6小層,見圖2。

圖2 工程區地層分層簡圖Fig.2 Engineering stratigraphic layering diagram

由于第④層埋深較淺,進行了大量的現場原位水文地質試驗,注水(抽水)式振蕩試驗主要集中在③-3和③-2層。注水(抽水)式振蕩滲透試驗與傳統抽水試驗結果對比見表1。

表1 注水(抽水)式振蕩滲透試驗與傳統抽水試驗結果對比

從上表可以看出:注水(抽水)式振蕩試驗與傳統抽水試驗得到的滲透系數基本相當,獲取的水文地質參數滿足工程的需要。

與氣壓式振蕩試驗相比,注水(抽水)式振蕩試驗只需要使用較少的試驗儀器就能快速地激發水頭,而且能取得較高質量的試驗數據。

3.2 基巖應用實例

重慶某隧道工程勘察中需要得到隧道頂板巖體的滲透特性,為隧道的防滲設計提供依據。隧道頂板距地面高程約450～500 m,地下水位埋深約150 m,常規壓水試驗和抽水試驗都不具備實施條件。項目部決定采用振蕩式滲透試驗得出隧道頂板巖體的滲透特性。

由于鉆孔太深,套管止水效果不佳,分別在孔深為560.1 m、571.7 m和584.8 m處做了3組試驗。每組試驗測得的全孔平均滲透系數,根據層狀巖層的等效滲透系數公式[8](4),可計算得出560.1～571.7 m和571.7～584.8 m兩段滲透系數。

(4)

式中:Kp為平行于層面的滲透系數;Ki為分層的滲透系數;Mi為分層厚度。

鉆孔560.1～571.7 m巖心如圖3所示。

圖3 鉆孔560.1～571.7 m巖心Fig.3 Drilling core at 560.1～571.7 m

鉆孔571.7～584.8 m巖心如圖4所示。

圖4 鉆孔571.7～584.8 m巖心Fig.4 Drilling core at 571.7～584.8 m

試段都是在潛水含水層中,采用Bouwer and Rice模型進行計算。得到滲透系數分別為7.53×10-5cm/s,8.15×10-5cm/s,8.08×10-5cm/s。

根據式(4)計算得出560.1～571.7 m段滲透系數為3.77×10-4cm/s,571.7～584.8 m段滲透系數為5.9×10-5cm/s。

通過試驗結果和現場試驗條件分析,560.1～571.7 m段滲透系數偏大主要是因為在試段中部有一擠壓破碎帶。571.7～584.8 m段巖心比較完整,滲透系數較小。

4 結語

振蕩式滲透試驗是計算鉆孔周圍巖土體滲透性參數的一種簡易方法,具有試驗簡單,試驗成本較低,試驗歷時相對較短,無需從含水層抽出(注入)大量的地下水,不受地下水位埋深和水泵揚程制約等優點。根據不同激發方式振蕩試驗的特點,注水(抽水)式振蕩試驗更方便快捷,將在工程中應用越來越廣泛。結合工程實例,在深厚覆蓋層和地下水位埋深較大的隧道工程勘察中應用了注水式振蕩試驗,試驗結果真實、準確、可信,滿足了工程設計的需要。

[1] Hvorslev,M.J..Time Lag and Soil Permeability in Ground-Water Observations[R].Mississippi:Waterways Exper.Sta.Corps of Engrs,U.S.Army,Vicksburg,1951:1-50.

[2] Herman Bouwer and R.C.Rice.A slug test for determining hydraulic conductivity of unconfined aquifers with completely or partially penetrating wells[J].Wtaer Resources Research,1976,12(3):423-428.

[3] Cooper,H. H.,Jr.,J. D.Bredehoeft,and I.S.Papadopulos. Response of a finite diameter well to an instantaneous charge of water[J].Wtaer Resources Research,1967,3:263-269.

[4] Kenneth L.Kipp,Jr.Type curve analysis of inertial effects in the response of a well to a Slug Test[J].Water Resources Research,1985,21(9):1397-1408.

[5] Matthias A.Zenner.Analysis of slug tests in bypassed wells[J].Hydrology,2002,263:72-91.

[6] 蘇銳,王駒,郭永海,等.振蕩式滲透試驗技術與理論研究綜述[J].巖石力學與工程學報,2007,26(S2):3882-3890.

[7] 中華人民共和國行業編寫組.水電水利工程鉆孔抽水試驗規程:DL/T5213—2005[S].北京:中國電力出版社,2005.

[8] 薛禹群.地下水動力學[M].北京:地質出版社,1997.

(責任編輯：于繼紅)

Development of Slug Test in Borehole for Hydropower Project

XU Haiyang, CUI Zhongtao

(PowerchinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu,Sichuan610072)

Slug test in borehole is a site hydrogeological test that is low cost,simple,short duration,and without extracting or injecting large amounts of water.Recently,slug test is considered as an important technique to evaluate the spatial variations of aquifer seepage parameters and seepage characteristics of rock mass with low. The paper introduces the basic concept and principle of slug test,technical features and development,and compares the advantages and disadvantages of the three excitation modes that water injection(pumping)slug test more convenient.The method has been applied in thick overburden and groundwater depth larger tunnel engineering exploration,and has achieved good results.

slug test; hydrogeological test; permeability coefficient

2016-04-29;改回日期:2016-05-11

徐海洋(1981-),男,工程師,博士,地下水科學與工程專業,從事工程地質方面的研究工作。E-mail:xhy0720@163.com

P641.73

A

1671-1211(2016)03-0302-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.013

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160511.1629.024.html 數字出版日期:2016-05-11 16:29