水文地质工程中微水试验技术的应用_地质论文发

水文地质工程中微水试验技术的应用

谭颖1李超旭2杨凯3

摘要: 本文主要介绍了微水试验技术的基础理论和试验方法,并与传统试验方法进行比较,拟利用微水试验技术开发“地层渗透系数快速测定系统”,以期在工程实践中推广应用。

关键词　微水试验　抽水试验　渗透系数

1 　微水试验的现场试验技术

1.1　现场试验技术

微水试验可以从现场试验技术和数据处理模型两个方面进行阐述。现场试验技术可以概括为五步:(1)将水压传感器放入井孔一定深度; (2)将水位扰动设备放入井孔,静待水位稳定; (3)使用扰动设备瞬间改变井孔内水位; (4)记录水位恢复数据; (5)最后用图表的分析方法计算渗透系数值。

试验方法使孔内水位瞬时下降,然后等待水位上升恢复, 故又称“升水头试验( Rising HeadTest) ”。同理,“降水头试验( Falling Head Test) ”是在孔内放入探头,并且水位稳定后,快速插入一个圆柱体,使水位瞬时上升,然后记录水位下降恢复的方法。目前水位变化的数据基本上都是使用水压传感器进行记录,配合数据采集装置,可以自动、高效的记录水位变化的全程数据。

在试验时,为了捕捉井孔中最大的初始位移,需要在圆柱体插入或从井中提出之前就开始记录动水位变化(从井口到水位的距离) ,一直记录到试验结束。不管应用何种微水试验理论求取渗透系数,并不是所有数据都有用,对分析计算有用的只是水位变化达到最大值之后到水位达到稳定这一段时间内的数据。试验结束后,从动水位时间曲线中选择合适的时间作为计算数据的起点,相应这个起点的时间也设为0,以后的时间都要减去起点的时间(如图1所示) 。

1.2　过阻尼衰减和欠阻尼衰减

微水试验是建立在达西定律的基础上,地下水流动时水分子之间的粘滞力要远比其惯性力明显,惯性力通常在数学分析中忽略不计。但通过多年的研究,学者们发现现场水位变化的数据除了图3所表现出的指数形式衰减外,还有另一种表现形式。

在图1所示的升水头试验中可以看出,当水位变化快速达到最大( h0 )后,开始的恢复速度快(斜率大) ,随后恢复速度变慢,逐渐停止,未发生原始静止水位附近的振荡,水流初始的动能已在水位达到静止时被水分子之间的摩擦、水柱与井壁的摩擦和水柱增大的势能消耗完毕,称之为“过阻尼衰减”。此种情况多发生在弱渗透性地层和中等渗透性地层中。

但在某些情况下,地下水流动所引起的惯性力是不能忽略的。对于强渗透地层,水位恢复速度很快,在达到原始静止水位时,可能还会有剩余的动能克服粘滞力,从而在静止水位上下发生振荡,如同一个有一定阻尼的弹簧,逐渐稳定在平衡状态,此即“欠阻尼衰减”,此时惯性力不能再忽略。

2 　微水试验和抽水试验的选择

微水试验时间非常短,影响半径又小,其结果的准确性常常受到质疑,有必要对两者进行对比分析。

抽水试验周期长,影响的含水层体积大;微水试验周期短,影响的含水层体积小,对于测定特定含水层有自己的优势,比如体积较大的透镜体,如果采用抽水试验,流入井孔中的地下水不仅包括透镜体的水,还包括透镜体之外含水层的水,得到的渗透系数是一平均值。而微水试验的影响半径小, 其所测得的渗透系数为透镜体自身的渗透性。因此,对于同一地点,微水试验和抽水试验的结果往往并不相同, 计算结果可能差一个数量级,主要是因为影响半径不同。如果地层很不均匀,可能需要同时做抽水和微水试验。

在工程实践中大多采用抽水试验技术, 认为利用抽水试验计算的渗透系数比微水试验更准确。从区域范围来看,这种观点是正确的,但是抽水试验也有自己的局限性,因为抽水试验所确定的渗透系数是较大范围地层的平均值,往往低估了最高渗透系数,又高估了最低渗透系数。微水试验影响半径小, 在同一个地点多做几组试验,单个微水试验对于沉积层中相变的情况并不考虑,所取得的渗透系数是一种经过数学平均的均值。抽水试验和微水试验的计算结果都会与实际有一定误差,抽水试验由于影响半径大,渗透系数代表大范围地层的平均渗透系数, 而微水试验由于影响半径小,渗透系数代表只能代表近井孔处某一个岩土层的特性,而未能考虑远处不同岩相对渗透系数的影响。

虽然一些学者针对微水试验提出了自己的观点,认为井孔的质量对于微水试验结果的影响较大,且渗透系数不能代表大范围含水层,当没有条件进行抽水试验时宁愿通过经验方法确定渗透系数。虽然微水试验有其固有的缺点,但其优势也很明显,并且根据工程所处阶段和重要性,选用微水试验也不失为一种好方法。

“利用水文试验得到的渗透系数到底代表哪个含水层”这个问题决定于进入井孔中水体来自哪个含水层。如果流入井孔的水全部来自A含水层,那么所得结果即为A含水层的渗透系数。但如果流入井孔的水来自多个含水层,比如来自A和B 含水层(或者虽然进水段位于A含水层,但B 含水层通过越流补给或其他方式间接进入井孔) ,那么所得渗透系数代表的是A 和B 含水层的平均值。抽水试验由于影响半径大、单次降深大,如果含水层厚度较大,进入井孔中的水可能来自单个含水层,但当含水层厚度较小或存在越流补给的情况下,进入井孔的水一般来自多个含水层。而微水试验由于影响半径小、单次降深小、周期短,即使对于含水层较薄的情况,进入井孔的水也来自试验含水层,发生越流补给的可能性很小。因此可见,抽水试验和微水试验的针对性是不同的,即渗透系数所代表的地层范围不同。表1为抽水试验和微水试验的比较。

                                                 表1抽水试验和微水试验的比较

　因此,在同一个孔中对同一深度段地层进行抽水试验和微水试验,如果计算的渗透系数不同,不能轻易说某一个试验是错的,要仔细分析地层和钻孔结构,有可能各自的渗透系数代表的地层范围是不同的。

如果含水层较厚,地层较为均一,抽水试验和微水试验可以得到近似的渗透系数。当承压含水层中隔水顶底板隔水性能不好时,在抽水试验时可能会发生越流补给,造成两种试验结果不一致。微水试验由于水头差小、影响半径小、试验周期短,即使隔水层性能不好,在试验过程中一般也不发生越流补给,所得的渗透系数反映的只是含水层自身的渗透性。

如果不同渗透性的含水层交互分布,使用抽水试验较难测得其中某一层的渗透系数值,得到的多是各层平均值。而微水试验可以较顺利求得某一含水层的渗透系数。

综上所述,对于含水层发育较稳定,连续性较好的情况,特别是渗透性不同的含水层上下相连时,采用微水试验获取的渗透系数更为可信,而采用抽水试验由于影响半径比较大,除了试验含水层,也可能有其他含水层的水进入井孔,渗透系数往往是多个含水层的平均值。在实际工程中可依据试验的目的选择合适的试验方法。

3 　微水试验的井孔设计

为了顺利进行微水试验,需要在现场试验之前根据现场的条件(设备条件、地质条件等)预先设计井孔,水文试验井孔不同于一般勘探孔,井孔的结构和质量对水文试验的结果影响很大,但常常为技术人员所忽略。井孔的两个方面对于试验的影响最重要,一是井孔结构,二是洗井的效果。

3.1　井孔结构

进行钻探施工时,采用何种方法主要取决于水文地质条件和井孔的目的,比如在地下水污染地区设立的监测孔,因为要提取水样进行化学分析,所以在成孔时尽量不要采用可能影响试验结果的外加物质。但不管采用何种成孔技术,在成孔过程中难免会产生大量的碎屑,包括残余的泥浆、破碎的细颗粒等。这些碎屑会聚集在井壁,对紧邻井壁的地层渗透性产生较大影响。水文试验井孔的结构主要包括4个方面:套管、过滤管、环状过滤层、环状止水层,如图2所示。

(1)套管:在微水试验中,套管半径决定了试验的时间和放入井孔中设备(电缆、提筒)的尺寸。水位恢复的时间与半径成正比,即半径越大,试验周期就越长。针对低渗透地层,栓塞2微水试验和闭合2微水试

验即通过改变栓塞上部竖管的直径达到改变套管直径而缩短试验时间的目的。

(2)过滤管:过滤管有多种,有骨架过滤管(俗称花管) 、包网过滤管、缠丝过滤管、填砾过滤管等,后三种过滤管都是以骨架过滤管为基础制作,应根据含水层岩性构成和井壁稳定情况选用。如果孔隙率小,地下水会在孔处收敛,产生额外的水头损失,使微水试验的结果复杂化。

(3)过滤层:指位于过滤管和井壁之间的材料,功能是防止细颗粒随地下水流入井中,在井壁稳定的含水层中,过滤层的另一个作用是给上面的环状止水层提供支撑。

(4)止水层:指位于套管和井壁之间的低渗透材料,对非试验含水层进行止水,阻止非试验含水层地下水向过滤管段的垂直运动。对于微水试验,必须保证进入井管的水来自试验含水层,否则会出现异常的结果。

3.2　洗井

在成孔过程中会形成大量碎屑,洗井的目的就是清除过滤段地层中的碎屑。对于微水试验而言,这是一项非常重要的工作,但常常又不被重视,以至于试验结果和实际相差甚远。说明在正式微水试验前进行充分洗井的必要性。

微水试验的结果受井壁条件影响很大,即所谓的“皮肤效应”,如图3。在井壁周围可形成比原地层渗透性高或低的区域,因此皮肤效应可分为正皮肤效应(渗透系数减小)与负皮肤效应(渗透系数增大)两种。正皮肤效应对微水试验的影响最大。

国外学者认为,微水试验和抽水试验所计算的渗透系数差异主要源于皮肤效应的影响,并且皮肤效应会造成微水试验结果小于抽水试验。这里需要指出的是,此种说法应该有一个前提条件,即含水层较厚,地层较为均一。因为对同一含水层进行抽水试验和微水试验,从表面看进入水井的水都是同一含水层,但如果含水层较薄,或岩性组成变化较大,此时抽水试验和微水试验的实际试验含水层并不一致,因此渗透系数的差异原因不仅仅是皮肤效应引起的,单纯比较两种试验方法的渗透系数大小是没有意义的。

目前处理微水试验数据的数学模型皆建立在不存在皮肤效应的基础上,即图3 ( b)所示的情况,虽然目前提出了一些考虑皮肤效应的模型,但很少应用,因为现实情况很难通过几个假设来说明,因此最好在洗井阶段就将碎屑尽可能的清除,而不要将皮肤效应留到数据处理阶段。

4 　结束语

利用微水试验技术开发机电一体化“地层渗透系数快速测定系统”可以完成现场数据采集、数据摘选、数据处理、自动计算等全部工作。系统操作简单,没有钻机配合也可人工完成,能大大提高生产效率和计算精度,减轻现场人员的工作强度。微水试验技术和机电一体化设备值得深入研究并在生产中推广应用。