付官?gòu)d 王祖國(guó) 韓治國(guó) 劉學(xué)工

自振法抽水試驗(yàn)方法是1985年在洛桑召開的國(guó)際大壩會(huì)議上提出的一種測(cè)定含水層滲透系數(shù)的新方法。在國(guó)家 “八五”科技攻關(guān)期間,由成勘院承擔(dān)的 “八五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目專題之一。“自振法測(cè)定巖土滲透系數(shù)”通過(guò)了鑒定,并進(jìn)行了自振法抽水試驗(yàn)與常規(guī)抽水試驗(yàn)的對(duì)比實(shí)驗(yàn),對(duì)比實(shí)驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)0.923。

1 自振法抽水試驗(yàn)簡(jiǎn)介

自振法抽水試驗(yàn)方法是采用鉆孔水文地質(zhì)綜合測(cè)試儀進(jìn)行,該方法是一種新方法。與常規(guī)抽水方法相比,具有設(shè)備輕,操作簡(jiǎn)單,省工省時(shí),試驗(yàn)周期短,自動(dòng)化程度高,對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)要求低,數(shù)據(jù)可微機(jī)處理且適用于小口徑鉆孔及多層含水結(jié)構(gòu)等幾方面的特點(diǎn)。

當(dāng)常規(guī)抽水試驗(yàn)受某些試驗(yàn)條件、設(shè)備限制時(shí),可以采用自振法試驗(yàn)來(lái)完成。

1.1 基本原理

自振法是基于水在含水層中具有可流性與滲透性,可流性是指水是在系統(tǒng)中可以自由流動(dòng)的連續(xù)體,而系統(tǒng)中介質(zhì)的阻尼性,產(chǎn)生了水的滲透特性,這也是水體發(fā)生振蕩的主要原因。

自振法的原理是將鉆孔內(nèi)的水體及其相鄰含水層一定范圍內(nèi)的水體視為一個(gè)系統(tǒng),通過(guò)向鉆孔施加一個(gè)瞬時(shí)壓力,再突然釋放,鉆孔內(nèi)的水體及其相鄰含水層一定范圍內(nèi)水體因此而失去平衡,水體發(fā)生振蕩,經(jīng)過(guò)幾個(gè)短暫的振蕩過(guò)程再恢復(fù)到初始位置,從而形成一個(gè)自由振蕩。通過(guò)測(cè)量和分析計(jì)算這一過(guò)程,最終即可得到含水層的滲透系數(shù)。

1.2 抽水試驗(yàn)設(shè)備

抽水設(shè)備包括密封器、壓力傳感器及二次儀表、氣泵、過(guò)濾器、止水栓塞等。參見圖1。

1.3 工作步驟

(1)用過(guò)濾器和止水栓塞等對(duì)選定試段進(jìn)行隔離。

(2)將壓力傳感器通過(guò)密封器放入鉆孔中地下水位以下2～3 m。

(3)激發(fā):用氣泵向鉆孔內(nèi)充氣,對(duì)地下水面施加一個(gè)壓力,使地下水位下降,然后突然釋放,使含水層水體產(chǎn)生振蕩。

(4)測(cè)量:為保證資料整理,測(cè)量記錄須從加壓前開始,要記錄從水位下降至水位恢復(fù)到穩(wěn)定為止,以便計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù),該項(xiàng)工作由鉆孔水文地質(zhì)綜合測(cè)試儀自動(dòng)記錄。

圖1 自振法抽水安裝示意圖

1.4 成果整理與計(jì)算

含水層滲透系數(shù)按下式計(jì)算

式中 Kf——含水層滲透系數(shù),m/s；

d——試段長(zhǎng)度,m；

γw——水位變幅段內(nèi)的鉆孔半徑,m；

μ——含水層彈性儲(chǔ)水系數(shù)或給水度,第四系松散土層取值范圍,砂卵礫石在0.35～0.30之間,粗砂在0.25～0.30之間,細(xì)砂在0.15～0.20之間,亞黏土在0.07～0.04之間,泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖在0.03～0.02之間,……；

β——阻尼系數(shù),根據(jù)水體振蕩波形曲線確定。

Ww——水體自振頻率。

其中 Ww=

式中 g——重力加速度,m/s；

H0——地下水高出含水層頂板高度,m。

計(jì)算步驟如下:

(1)根據(jù)工作中的測(cè)量記錄繪制Wt/Wo—t曲線及l(fā)g(Wt/Wo)—t曲線；

(2)計(jì)算lg(Wt/Wo)—t曲線的斜率m；

n為選定時(shí)間范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

(3)計(jì)算振蕩阻尼系數(shù)β；

(4)將各值代入式(1),即可求得含水層滲透系數(shù)Kf。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程簡(jiǎn)介

山西省引黃工程總干線三級(jí)泵站位于偏關(guān)縣巖頭寺東北約800 m,緊鄰平(魯)—偏(關(guān))公路。泵站設(shè)有主廠房、副廠房、進(jìn)水池、擴(kuò)大前池及出水壓力洞等建筑物。泵站揚(yáng)程80 m,流量80 m3/s。

泵站廠區(qū)位于偏關(guān)河右岸階地,地面高程約1 222 m。

2.2 鉆探及抽水方法

鉆孔開孔孔徑為20.32 cm,終孔孔徑為130～110 mm。砂卵礫石層采用管鉆,下入20.32 cm套管護(hù)壁,下入深度1.70 m?；鶐r段則采用合金、金剛石鉆頭清水循環(huán)鉆進(jìn)。

勘察區(qū)范圍內(nèi)揭露的地層由老至新簡(jiǎn)述如下。

寒武系鳳山組(∈3f):上部為薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r,灰色,條帶為銹黃色,薄板狀,強(qiáng)—弱風(fēng)化。下部為中厚夾厚層泥質(zhì)條帶灰?guī)r,灰色,巖芯完整,呈長(zhǎng)、短柱狀。其厚度大于20.20 m。

第四系上更新統(tǒng)(Q3al+pl)沖洪積砂卵礫石:砂以粉細(xì)砂為主,含少量粘粒成分,淺棕黃色；含量20%～30%。卵礫石成分為灰?guī)r,粒徑一般為3～10 cm,最大大于20 cm。底部卵礫石上見蜂窩狀小溶孔及銹色浸染。此層厚4.60～7.40 m。

第四系全新統(tǒng) (Q41al+pl)沖洪積砂卵礫石:砂以粉細(xì)砂為主,含少量粘粒成分,淺棕黃色；含量20%～30%。卵礫石成分為灰?guī)r,灰色,無(wú)分選,磨圓度一般,含量70%～80%。粒徑一般為5～10 cm,最大大于30 cm。此層厚3.30～7.90 m。

第四系全新統(tǒng)人工回填(Q4r)砂卵礫石:砂以粉細(xì)砂為主,含少量粘粒成分,,淺棕黃色,含量20%～30%。卵礫石成分主要為灰?guī)r,灰色,含少量砂巖及白云巖。無(wú)分選,稍具磨圓度,粒徑一般為5～10 cm.最大大于20 cm,含量70～80%。此層較密實(shí),有碾壓現(xiàn)象,厚1.40～5.00 m。

自鉆孔揭露的地層分析,總干線三級(jí)泵站砂卵礫石層上部為Q4沖洪積砂卵礫石層,厚度3.3～7.9 m,下部為Q3砂卵礫石層,厚度5.1～9.0 m。下伏為寒武系鳳山組(∈3f)泥質(zhì)條帶灰?guī)r地層。

自振法抽水試驗(yàn)可應(yīng)用的前提有4種,其中與砂礫石相關(guān)的有兩種,即:①在某些深度覆蓋層地區(qū),由于鉆探的需要,孔內(nèi)下入的套管深度較大,無(wú)法安裝過(guò)濾器。②含水層出水量較大,水泵出力不足,地下水的降深不能滿足常規(guī)抽水試驗(yàn)的要求。

本次抽水試驗(yàn)符合上面提及的兩種條件。

測(cè)試段選擇在第四系全新統(tǒng)砂卵礫石含水層中進(jìn)行,基巖段用水泥砂漿進(jìn)行回填。抽水前量測(cè)含水層穩(wěn)定水位以備計(jì)算之用。

自振法抽水試驗(yàn)工作時(shí)地下水位高程為1 207.96 m,含水層厚13.20 m,抽水段孔深為1.20～14.40 m。自振法抽水按曲線計(jì)算出的滲透系數(shù)Kf值為50 m/d,即5.788×10-2cm/s,為中等—強(qiáng)透水性。

自振法抽水成果見表1、圖2、表2。

表1 引黃入晉工程總干線鉆孔自振法抽水綜合表

圖2 引黃入晉工程總干線鉆孔自振法抽水綜合圖

表2 計(jì)算參數(shù)表及計(jì)算公式

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)傳統(tǒng)的抽水方法要求要有一定的孔徑,設(shè)備,工序較繁,即需主抽水孔,又需數(shù)個(gè)觀測(cè)孔,人力物力投入大,試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。

(2)自振法抽水是一種新方法。與常規(guī)抽水方法相比,具有投入小,時(shí)間短,設(shè)備輕、自動(dòng)化程度高,數(shù)據(jù)可微機(jī)處理且適用于小口徑鉆孔及多層含水結(jié)構(gòu)等幾方面的特點(diǎn)。

(3)自振法抽水只能計(jì)算滲透系數(shù)。

1 DL/T5231—2005,水電水利工程抽水試驗(yàn)規(guī)程 [S].