混合水水文地質參數分層計算探究

辛 博

(河北省地礦局第三地質大隊 張家口 075000)

滲透系數是綜合體現含水層性質的重要參數,它能夠反映地下水流動和溶質運移的能力,是評價地下水資源和推算井出水量,確定合理開發利用程度的重要參數之一。從達西公式V=K*I中可以表明滲透系數的物理意義： 水力坡度(I)、滲透速度(V)及滲透系數(K)的關系,它具有速度單位,常用m/d表示。

生產實踐中常用穩定流裘布依公式計算滲透系數,但不少計算結果與《工程地質手冊》中的經驗值不相符。造成K 值不準的原因除施工質量,如抽水孔壁泥漿未徹底清洗；濾水管外填礫不合規格等等外,尚有選用計算公式與抽水試驗引起的地下水運動規律不符所致,主要表現在不少抽水試驗的邊界條件與推導裘布依公式的邊界條件不同。

滲透系數獲取的主要方式是抽水試驗、壓水試驗、注水試驗、滲水試驗、室內滲透測試、modflow、matlab、曲線擬合法等。盡管以上的試驗方法和理論都相對成熟,但在實際工作中仍以鉆孔抽水試驗為主。已往鉆探工作耗時耗資,為取得經濟效益與受地層條件限制難以隔離含水層并分層測試。

本次在針對潛水—承壓混合水開展了抽水試驗進行求參,基于圖解法原理確定了各層含水層的靜止水位,分層計算了各含水層的滲透系數。基于水文孔GY1、GY2、GY3的獨特性,對計算結果的準確性進行了對比分析,與數學判別模型的嘗試為混合水分層計算提供了寶貴的參考依據。

1 現狀分析

混合水為地層中具有多個含水巖組,成井過程中未單獨布置工作手段而綜合利用的水。混合抽水所求取K 值為平均值,即整個鉆孔實驗段平均值,針對不同區域地層所計算K 值及影響半徑R 值與實際出入較大、實際工作中K 值及R 值與實際不相符的情況,技術人員一般會參照《水文工程地質手冊》或《巖土工程地質手冊》的經驗值作為試驗數值,但經驗數值巖土類別取值與實際地層巖性嚴重不相符,K 值相差數十倍之多。地下水類型分為潛水、承壓水,含水介質分為孔隙水、裂隙水、巖溶水等組合方式,各類計算公式近30種(水利水電工程抽水試驗規程SL320-2005)僅有適用條件如承壓水單孔完整井,并未考慮各類含水層主要水文地質類型,也未結合地質結構和地貌條件與水文地質特征,分析不同地貌區域物質堆積特征與構造帶破碎規模和相態動態特征,從而導致經驗K 值偏差數十倍之多。

工作中已往的分層抽水需進行單井結構設計,封堵無效利用段或鉆進過程中多次變徑、分時段成井,對施工工藝與地層要求較高、耗時較長,礫料因重力因素往往在成井1個月內多次沉降,導致封堵層位不準確。而裘布依公式是在理想狀態下建立,未考慮三維流、天然水力坡度(傾斜含水層)、頂底板隔水性、紊流、濾水管位置等因素,從而導致水文參數產生誤差。

2 試驗區概況

本次試驗區域為沽源縣雙井子村附近,共4個試驗孔,分別為GY1、GY2、GY3、GY4。試驗區屬于中朝準地臺(Ⅰ1)、內蒙古地軸(Ⅱ12),其三級構造單元屬沽源陷斷束,構造形跡以斷裂為主,附近的大型斷裂構造主要有沽源—張北區域斷裂,位于試驗區西北。所屬水文地質單元為壩上內陸河系統,地下水的補給來源主要是大氣降水入滲補給,其次是河水入滲補給,由于受地形地貌及水文地質條件等因素的制約,區內地下水徑流條件差導致地下水交替作用滯緩,濃縮作用強烈,地下水的排泄主要靠地表蒸發來完成。主要含水層為： 中粗砂、礫石、氣孔狀玄武巖、礫巖,隔水層為粘土。

GY1孔地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙承壓水、基巖裂隙孔洞水(氣孔狀玄武巖),該井同時揭穿五個含水巖組。其中,0～30 m 以細砂粗砂為主,巖組中含泥量較少、透水性較好,為第一含水巖組,屬潛水層；30～50 m 為粘土夾細沙互層,河流沖洪積相,為第二含水巖組,屬潛水層；120～154m 為礫石夾細砂,礫石磨圓度較好為第三含水巖組,屬承壓水層；154～160m 為氣孔狀玄武巖,氣孔結構松散,孔洞內水流痕跡明顯,為第四含水巖組,屬承壓水層；243～277.65m 為黃褐色角礫巖,伴隨少許泥質膠結為風化殼基巖裂隙水,為第五含水巖組,屬承壓水層。各含水巖組有微弱水力聯系,利用天然有效隔水層對124m 以淺進行止水,僅利用三、四、五含水巖組。

GY2位于GY1井南側500 m 處,垂直地下水主流向,地層與GY1基本一致,成井后發現各個含水巖組有水力聯系,不具承壓性,水位與附近民井水位相近,分析原因是止水過程中下料過快導致未有效止水,地下水為多層混合水。

GY3位于GY1東側500 m 處,經物探用電阻率垂向電測深方法與鉆探驗證發現一不明性質斷層,無基巖脈狀水賦存。0～150m 基本與GY1地層相同；150～200m 為紅色至淺綠色粘土層為火山灰堆積物,現為有效隔水層；200～275 m 為致密玄武巖體,終孔深度275 m；0～130 m 粘土球封孔止水,含水層有效利用段僅為130～150m 砂礫石層。

為對GY1、GY2、GY3孔出水量與基礎水文參數計算,而進行單次最大降深抽水試驗,抽水前觀測GY1、GY2、GY3試驗孔靜水位分別為9.11m、3.22 m、8.74m(圖1)。

圖1 試驗區高程數字模型

3 抽水試驗參數計算

3.1 單孔抽水試驗

分別對GY1、GY2、GY3進行單次大降深抽水試驗,概略求得含水層如下參數。

(1)GY1井為完整井承壓水類型,濾水管長度等于有效含水層長度,計算公式為：

其中,k—滲透系數(m/d)；

Q—抽水井涌水量(m3/d)；

m—含水層厚度(m)；

S—抽水井水位下降值(m)；

R—影響半徑(m)；

r—抽水井半徑(m)。

計算結果為K=1.1(m/d)III+IV+V 含水巖組,參照水文工程地質手冊中各巖層經驗值,數值嚴重偏小。

(2)GY2井為完整井承壓水類型,濾水管長度等于有效含水層長度,計算公式同①,計算結果K=1.5(m/d)I+II+III+IV+V 含水巖組。

(3)GY3井為完整井承壓水類型,濾水管長度等于有效含水層長度,計算公式同①,計算結果K=1.4(m/d)III含水巖組。

3.2 多孔抽水試驗

利用水文孔GY1、GY2進行觀測孔抽水試驗,較為準確的求得水文地質參數和含水層不同方向滲透性及邊界條件。

(1)GY2抽水,GY1作為觀測孔概化為無越流承壓完整井,采用穩定流半對數圖解法計算,計算公式為：

其中,R—影響半徑(m)；

S—抽水孔降深(m)；

S1—觀測孔降深(m)；

r—利用段鉆孔半徑(m)；

r1—觀測孔至抽水孔中心距離(m)。

計算結果為K=1.35(m/d)I+II+III+IV+V含水巖組。

(2)GY3抽水,GY1、GY2分別作為觀測孔概化為無越流承壓完整井,采用穩定流半對數圖解法計算影響半徑,計算后K值取值1.2(m/d)III含水巖組。

4 分層計算探究

4.1 補排均衡水位分層法

當多個含水層被揭穿后,高水位含水層泄水,低水位含水層吸水,其靜止水位等于I含水巖組+II含水巖組+III含水巖組+IV 含水巖組……

當水流量達到穩定時,高水位含水層的泄水量與低水位含水層的吸水量相等,及進行混合抽水試驗時,鉆孔總涌水量等于各含水層涌水量之和。

依據鉆孔天然地層屬性,在有兩個含水層的情況下,只需要對上一層進行單獨抽水試驗,再對兩個含水層進行混合抽水試驗即可根據圖解法求出下一含水層水位(圖2)。

將GY1概化為III+IV(V 泥質膠結可忽略),GY3概化為III,III+IV 靜水位=9.11m,III靜水位12m,靜水位差值為混合水注入補給流量。根據抽水試驗流量與降深數據分別繪制Q-s曲線于同一底圖,與標準曲線平移配比,此交點為IV 靜止水位。已知下部靜水位高于上部靜水位,因此在此混合達到平衡時IV 排泄地下水III吸收地下水,Q-s曲線交點處造平行線與分別靜水位與混合水位平行,即當混合抽水時平均靜水位III+IV(9.11m)下降至III(12 m)時,Q 為IV 靜水位-III靜水位體積,即圖解流量,利用裘布依公式反算K值等于1.2 m/d,與經驗值相差不大(圖3)。

圖2 水位分層示意圖

圖3 圖解法示意圖

4.2 數學判別函數法

K值不適用范圍： 基巖脈狀水、巖溶區地下水。

滲透系數K是綜合反映巖土體滲透能力的一個指標,主要受孔隙度、裂隙度、自重、粘滯性所影響,影響因素眾多。根據分析羅列出各種影響到K值變化的關鍵因素,根據各個因素影響程度的大小確定權數,再按K值對各關鍵因素的有效反應程度對各關鍵因素進行評分,最后算出K值的總加權分數。

數學判別函數法只是一個初步構想,需多次試驗與矯正,數據賦值量化仍需一段過程,在此不做賦值打分與試驗數據做比較。

5 滲透系數驗證

5.1 經驗值驗證

運用補排均衡水位分層法計算得IV 含水層K值滲透系數為1.2m/d符合經驗值,但氣孔狀玄武巖經驗值取值范圍差異較大,不具代表性。

5.2 水位恢復法計算K 值

在區域附近找尋相關IV 綜合水文地層柱狀圖,運用水位恢復法來計算K值。在瞬時由定流量Q1變化為Q2,在觀測孔中會有不同的水位變化,根據水位變化求取不同試驗段K值。

其中,t—停抽前抽水的總時間；

tβ—從停止開始到測定觀測孔水位恢復時間；

r1—觀測孔至抽水孔距離；

S1—觀測孔中之水位降低值(從抽水開始算起)；

求得K值1.5m/d。

5.3 擬合曲線法

利用多孔抽水試驗中觀測孔降深歷時數據,采用利用非穩定理論,應用泰斯公式的簡化式,即雅柯布方程,計算導水系數和壓力傳導系數值,計算方程如下。

S=Q/4πT·lg(2.25at/r2)

μ* =T/a

其中,S—觀測井水位降深(m)；

Q—抽水井穩定出水量(m3/d)；

T—導水系數(m2/d)；

a—壓力傳導系數(m2/d)；

t—抽水延續時間(d)；

r—觀測孔距開采井的距離(m)；

μ*—熱儲層彈性釋水系數,無量綱。

相關系數0.997,決定系數0.995曲線擬合完好,由雅柯布公式求得導水系數T,除以相對應含水層厚度,K為值1.3m/d(圖4)。

圖4 擬合曲線示意圖

6 結論與討論

本次利用沽源已有抽水試驗數據,綜合分析驗證提出混合水各層位靜水位埋深原理；提出數學判別函數模型設想,經驗證對比具有一定可行性。在針對現狀條件下混合水與復雜水文地質條件下難以求取準確參數的條件下,提供了技術支持與理論依據,排除了受鉆探工藝、洗井工藝、抽水試驗設計、人為因素、計算誤差的影響因素且無局限性,為解決無分層止水求分層參數的重要水文地質問題提供了重要的指導與參考依據。

此外,K值影響因素眾多,此次只羅列重要幾項內外影響因素且量化評分影響權重未明確說明,需做專項分析研究。表格數據權重需認真核實方可有效利用,更需結合野外試驗與室內試驗多次對比從而才能獲得準確數值。