摘要：本文首先闡述了微水試驗(yàn)基礎(chǔ)理論，然后探討了微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)的選擇，最后分析了微水試驗(yàn)的井孔設(shè)計(jì)，得出利用微水試驗(yàn)原理開發(fā)滲透系數(shù)快速測定系統(tǒng)，能夠節(jié)省人力和試驗(yàn)費(fèi)用，現(xiàn)場快速取得試驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：微水試驗(yàn)；抽水試驗(yàn)；滲透系數(shù)
中圖分類號：P641文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
1 微水試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)
近60年來，各國學(xué)者提出了超過50余種數(shù)學(xué)模型，基本包括了從承壓到無壓、完整井到非完整井各種情況的模型。最初的模型僅針對過阻尼衰減，其中最常用的模型包括Hvorslev法、Bouwer-Rice法、Cooper法，但這些模型應(yīng)用范圍為過阻尼衰減的情況，不能處理滲透系數(shù)很大時(shí)水位發(fā)生振蕩的情況(欠阻尼衰減)。最近30年，各國學(xué)者相繼提出了考慮欠阻尼衰減的數(shù)學(xué)模型，其中Butler、Springer andGelhar分別修正了Hvorslev模型和Bouwer and Rice模型，使這兩個(gè)模型可以處理欠阻尼衰減的數(shù)據(jù)。
“地層滲透系數(shù)快速測定系統(tǒng)”采用Hvorslev模型、Bouwer-Rice模型、Springer-Gelhar模型和Butler模型，實(shí)現(xiàn)了過阻尼衰減(承壓、無壓)、欠阻尼衰減(承壓、無壓)的數(shù)學(xué)處理。
2 微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)的選擇
微水試驗(yàn)時(shí)間非常短，影響半徑又小，其結(jié)果的準(zhǔn)、確性常常受到質(zhì)疑，有必要對兩者進(jìn)行對比分析。
抽水試驗(yàn)周期長，影響的含水層體積大；微水試驗(yàn)周期短，影響的含水層體積小，對于測定特定含水層有自己的優(yōu)勢，比如體積較大的透鏡體，如果采用抽水試驗(yàn)，流入井孔中的地下水不僅包括透鏡體的水，還包括透鏡體之外含水層的水，得到的滲透系數(shù)是一平均值。而微水試驗(yàn)的影響半徑小，其所測得的滲透系數(shù)為透鏡體自身的滲透性。因此，對于同一地點(diǎn)，微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)的結(jié)果往往并不相同，計(jì)算結(jié)果可能差一個(gè)數(shù)量級，主要是因?yàn)橛绊懓霃讲煌�。如果地層很不均勻，可能需要同時(shí)做抽水和微水試驗(yàn)。
在工程實(shí)踐中大多采用抽水試驗(yàn)技術(shù)，認(rèn)為利用抽水試驗(yàn)計(jì)算的滲透系數(shù)比微水試驗(yàn)更準(zhǔn)確。從區(qū)域范圍來看，這種觀點(diǎn)是正確的，但是抽水試驗(yàn)也有自己的局限性，因?yàn)槌樗囼?yàn)所確定的滲透系數(shù)是較大范圍地層的平均值，往往低估了最高滲透系數(shù)，又高估了最低滲透系數(shù)。微水試驗(yàn)影響半徑小，在同一個(gè)地點(diǎn)多做幾組試驗(yàn)，單個(gè)微水試驗(yàn)對于沉積層中相變的情況并不考慮，所取得的滲透系數(shù)是一種經(jīng)過數(shù)學(xué)平均的均值。抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果都會與實(shí)際有一定誤差，抽水試驗(yàn)由于影響半徑大，滲透系數(shù)代表大范圍地層的平均滲透系數(shù)，而微水試驗(yàn)由于影響半徑小，滲透系數(shù)代表只能代表近井孔處某一個(gè)巖土層的特性，而未能考慮遠(yuǎn)處不同巖相對滲透系數(shù)的影響。
雖然一些學(xué)者針對微水試驗(yàn)提出了自己的觀點(diǎn)，認(rèn)為井孔的質(zhì)量對于微水試驗(yàn)結(jié)果的影響較大，且滲透系數(shù)不能代表大范圍含水層，當(dāng)沒有條件進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)寧愿通過經(jīng)驗(yàn)方法確定滲透系數(shù)。雖然微水試驗(yàn)有其固有的缺點(diǎn)，但其優(yōu)勢也很明顯，并且根據(jù)工程所處階段和重要性，選用微水試驗(yàn)也不失為一種好方法。
“利用水文試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)到底代表哪個(gè)含水層“這個(gè)問題決定于進(jìn)入井孔中水體來自哪個(gè)含水層。如果流入井孔的水全部來自A含水層，那么所得結(jié)果即為A含水層的滲透系數(shù)。但如果流入井孔的水來自多個(gè)含水層，比如來自A和B含水層(或者雖然進(jìn)水段位于A含水層，但B含水層通過越流補(bǔ)給或其他方式間接進(jìn)入井孔)，那么所得滲透系數(shù)代表的是A和B含水層的平均值。抽水試驗(yàn)由于影響半徑大、單次降深大，如果含水層厚度較大，進(jìn)入井孔中的水可能來自單個(gè)含水層，但當(dāng)含水層厚度較小或存在越流補(bǔ)給的情況下，進(jìn)入井孔的水一般來自多個(gè)含水層。而微水試驗(yàn)由于影響半徑小、單次降深小、周期短，即使對于含水層較薄的情況，進(jìn)入井孔的水也來自試驗(yàn)含水層，發(fā)生越流補(bǔ)給的可能性很小。因此可見，抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)的針對性是不同的，即滲透系數(shù)所代表的地層范圍不同。
因此，在同一個(gè)孔中對同一深度段地層進(jìn)行抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)，如果計(jì)算的滲透系數(shù)不同，不能輕易說某一個(gè)試驗(yàn)是錯(cuò)的，要仔細(xì)分析地層和鉆孔結(jié)構(gòu)，有可能各自的滲透系數(shù)代表的地層范圍是不同的。
如果含水層較厚，地層較為均一，抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)可以得到近似的滲透系數(shù)。當(dāng)承壓含水層中隔水頂?shù)装甯羲阅懿缓脮r(shí)，在抽水試驗(yàn)時(shí)可能會發(fā)生越流補(bǔ)給，造成兩種試驗(yàn)結(jié)果不一致。微水試驗(yàn)由于水頭差小、影響半徑小、試驗(yàn)周期短，即使隔水層性能不好，在試驗(yàn)過程中一般也不發(fā)生越流補(bǔ)給，所得的滲透系數(shù)反映的只是含水層自身的滲透性。
如果不同滲透性的含水層交互分布，使用抽水試驗(yàn)較難測得其中某一層的滲透系數(shù)值，得到的多是各層平均值。而微水試驗(yàn)可以較順利求得某一含水層的滲透系數(shù)。
綜上所述，對于含水層發(fā)育較穩(wěn)定，連續(xù)性較好的情況，特別是滲透性不同的含水層上下相連時(shí)，采用微水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)更為可信，而采用抽水試驗(yàn)由于影響半徑比較大，除了試驗(yàn)含水層，也可能有其他含水層的水進(jìn)入井孔，滲透系數(shù)往往是多個(gè)含水層的平均值。在實(shí)際工程中可依據(jù)試驗(yàn)的目的選擇合適的試驗(yàn)方法。
3 微水試驗(yàn)的井孔設(shè)計(jì)
為了順利進(jìn)行微水試驗(yàn)，需要在現(xiàn)場試驗(yàn)之前根據(jù)現(xiàn)場的條件(設(shè)備條件、地質(zhì)條件等)預(yù)先設(shè)計(jì)井孔，水文試驗(yàn)井孔不同于一般勘探孔，井孔的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對水文試驗(yàn)的結(jié)果影響很大，但常常為技術(shù)人員所忽略。井孔的兩個(gè)方面對于試驗(yàn)的影響最重要，一是井孔結(jié)構(gòu)，二是洗井的效果。
3.1 井孔結(jié)構(gòu)
進(jìn)行鉆探施工時(shí)，采用何種方法主要取決于水文地質(zhì)條件和井孔的目的，比如在地下水污染地區(qū)設(shè)立的監(jiān)測孔，因?yàn)橐崛∷畼舆M(jìn)行化學(xué)分析，所以在成孔時(shí)盡量不要采用可能影響試驗(yàn)結(jié)果的外加物質(zhì)。但不管采用何種成孔技術(shù)，在成孔過程中難免會產(chǎn)生大量的碎屑，包括殘余的泥漿、破碎的細(xì)顆粒等。這些碎屑會聚集在井壁，對緊鄰井壁的地層滲透性產(chǎn)生較大影響。水文試驗(yàn)井孔的結(jié)構(gòu)主要包括4個(gè)方面：套管、過濾管、環(huán)狀過濾層、環(huán)狀止水層，如圖1所示。
圖1 井孔結(jié)構(gòu)示意
(1)套管：在微水試驗(yàn)中，套管半徑?jīng)Q定了試驗(yàn)的時(shí)間和放入井孔中設(shè)備(電纜、提筒)的尺寸。水位恢復(fù)的時(shí)間與半徑成正比，即半徑越大，試驗(yàn)周期就越長。針對低滲透地層，栓塞-微水試驗(yàn)和閉合-微水試驗(yàn)即通過改變栓塞上部豎管的直徑達(dá)到改變套管直徑而縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的。
(2)過濾管：過濾管有多種，有骨架過濾管(俗稱花管)、包網(wǎng)過濾管、纏絲過濾管、填礫過濾管等，后三種過濾管都是以骨架過濾管為基礎(chǔ)制作，應(yīng)根據(jù)含水層巖性構(gòu)成和井壁穩(wěn)定情況選用。如果孔隙率小，地下水會在孔處收斂，產(chǎn)生額外的水頭損失，使微水試驗(yàn)的結(jié)果復(fù)雜化。
(3)過濾層：指位于過濾管和井壁之間的材料，功能是防止細(xì)顆粒隨地下水流入井中，在井壁穩(wěn)定的含水層中，過濾層的另一個(gè)作用是給上面的環(huán)狀止水層提供支撐。
(4)止水層：指位于套管和井壁之間的低滲透材料，對非試驗(yàn)含水層進(jìn)行止水，阻止非試驗(yàn)含水層地下水向過濾管段的垂直運(yùn)動(dòng)。對于微水試驗(yàn)，必須保證進(jìn)入井管的水來自試驗(yàn)含水層，否則會出現(xiàn)異常的結(jié)果。
3.2 洗井
在成孔過程中會形成大量碎屑，洗井的目的就是清除過濾段地層中的碎屑。對于微水試驗(yàn)而言，這是一項(xiàng)非常重要的工作，但常常又不被重視，以至于試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。洗井仍不充分或不均勻，在不同降深條件下使試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不同的TL值。微水試驗(yàn)的結(jié)果受井壁條件影響很大，即所謂的“皮膚效應(yīng)”。在井壁周圍可形成比原地層滲透性高或低的區(qū)域，因此皮膚效應(yīng)可分為正皮膚效應(yīng)(滲透系數(shù)減小)與負(fù)皮膚效應(yīng)(滲透系數(shù)增大)兩種。正皮膚效應(yīng)對微水試驗(yàn)的影響最大。
國外學(xué)者認(rèn)為，微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)所計(jì)算的滲透系數(shù)差異主要源于皮膚效應(yīng)的影響，并且皮膚效應(yīng)會造成微水試驗(yàn)結(jié)果小于抽水試驗(yàn)。這里需要指出的是，此種說法應(yīng)該有一個(gè)前提條件，即含水層較厚，地層較為均一。因?yàn)閷ν缓畬舆M(jìn)行抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)，從表面看進(jìn)入水井的水都是同一含水層，但如果含水層較薄，或巖性組成變化較大，此時(shí)抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)的實(shí)際試驗(yàn)含水層并不一致，因此滲透系數(shù)的差異原因不僅僅是皮膚效應(yīng)引起的，單純比較兩種試驗(yàn)方法的滲透系數(shù)大小是沒有意義的。
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