汪 力，李方會，楊剛忠，林肖榮，陳 敏

(湖北省宜昌地質(zhì)勘探大隊，湖北宜昌 443100)

0 引言

在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中，對存在多個含水層的工作區(qū)，為評價勘查區(qū)的水文地質(zhì)條件，凡具備進行分層抽水試驗條件的，大都采用分層抽水試驗方法，以分別評價各含水層的含、富水特征和水文地質(zhì)參數(shù)。但此方法一般都是在止水深度＜150 m或最深為200 m的情況下才可能實施。然而，當含水層埋深達到四五百米甚至更深時(如宜昌磷礦北部和興神保磷礦、鉛鋅礦整裝勘查區(qū)等)，要進行分層抽水試驗，必須要下入不少于四五百米的止水管材，這樣會極大增加施工難度;而且受套管絲扣強度所限，常常還會因為管材自重過大，導致在下管過程中出現(xiàn)脫扣、斷管問題而達不到止水目的;或者是在套管起拔過程中出現(xiàn)拉斷套管現(xiàn)象，從而貽誤勘查工作周期，而且往往因此而造成重大的經(jīng)濟損失?；谏鲜銮闆r，本著既能獲得各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，又可免除下入數(shù)百米止水套管之慮，采用對埋深淺的含水層分層抽水、埋深大的含水層為混合抽水試驗的方法，這樣不僅可較經(jīng)濟、合理地查明或基本查明勘查區(qū)的水文地質(zhì)條件，同時也為實施水文地質(zhì)試驗提供了較便利的條件，從而解決深埋含水層獲得水文地質(zhì)參數(shù)的難題。

1 相鄰含水層貫通后的水力聯(lián)系狀態(tài)分析

鉆孔(井)揭露兩個或兩個以上在自然條件下無密切水力聯(lián)系的含水層時，由于各含水層的靜水位(壓)往往不一致，為要達到新的水力平衡，靜水位(壓)較高的含水層必然會向靜水位(頭)較低的含水層進行補給，并在水位(頭)較高含水層排出的水量與靜水位(頭)較低含水層吸收的水量相等時，孔(井)內(nèi)的動水位才會靜止，即所謂混合靜水位。如圖1所示，A含水層靜水位較B含水層的靜水位高，形成的混合靜水位處于A、B兩含水層的靜水位之間，在此情況下，qA×S01=qB×S02，即A含水層構(gòu)成自然排水，其排出的水量被B含水層吸收，且排出量與吸收量相等。而形成的混合靜水位如果更靠近某一含水層的分層靜水位，則反映該含水層的滲透性和富水性要較另一含水層為大。如圖1中S02＜S01，說明B含水層的單位吸(涌)水量(qB)要大于A含水層的單位吸(涌)水量(qA);當B含水層的滲透性和富水性很大時，A含水層排出的水量完全被B含水層吸收，從而出現(xiàn)混合靜水位與B含水層的靜水位相同或基本相同的情況，此情況在含水層的富水性差異很大的勘查區(qū)屢見不鮮。倘若是揭露了三個或三個以上含水層，鉆孔(井)內(nèi)地下水為了要達到新的水力平衡，各含水層間同樣也會出現(xiàn)排水、吸水作用，并最終形成新的混合靜水位。

圖1 混合靜水位與分層靜水位關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of relationship between mixed static level and layered static level

2 混合抽水試驗應用條件

所謂混合抽水試驗，是指在同一抽水試驗孔(井)中對兩個或個以上含水層同時進行的抽水試驗。但要可靠地分別計算各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)(如滲透系數(shù)和單位涌水量等)，則必須要有不少于一個含水層的分層抽水試驗成果，并較為準確地確定了該含水層的滲透系數(shù)等參數(shù)才有可能;而且還需要測定各含水層的分層靜水位資料。各含水層的分層靜水位觀測可以通過專門加工的帶有橡皮圈或止水膠球的鉆桿止水器實測(圖2)。若抽水試驗孔(井)中只測定混合靜水位，則僅據(jù)混合水位確定的降低值將難以可靠地確定混合抽水試驗各含水層相應的水位降深值，從而不可避免會使計算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)的準確性大大降低。

對存在多個含水層的工作區(qū)而言，在地質(zhì)體上部一般會有一個或兩個含水層可以進行分層抽水試驗，這就為應用混合抽水試驗與成果計算提供了可能性。因此，必須對勘查區(qū)上部含水層的分層抽水試驗工作予以高度重視，并使其試驗成果完全滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求，此乃是提高混合抽水試驗成果分析與計算精度的最重要一環(huán)。

3 混合抽水試驗步驟與方法

如前所述，本文中所指的混合抽水試驗是在混合試驗層中有1層或2層的水文地質(zhì)參數(shù)為已知，然后通過混合抽水試驗成果計算另一含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。因此，其試驗工作大都是自上而下進行?，F(xiàn)為敘述方便起見，以試驗鉆孔中存在三個含水層，并均為穩(wěn)定流抽水、無限補給、水動力性質(zhì)為承壓水為例(圖3)簡述于后:

圖3 混合靜水位與分層靜水位關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of relationship between mixed static level and layered static level

(1)鉆孔鉆進至A含水層底板以下一定深度(一般為底板以下1～3 m)后，撈渣、洗孔，并測定靜止水位，然后安裝抽水設備，對A含水層進行抽水試驗。最后根據(jù)含水層的邊界條件、水力性質(zhì)等，核算該含水層的滲透系數(shù)K等參數(shù)。

(2)換徑鉆進達到B含水層底板以下適當深度(一般進行入隔水底板層厚的1/3至1/4即可)，下入鉆桿止水器至換徑深度處，從鉆桿內(nèi)測定B含水層的靜水位;然后起拔鉆桿止水器，測定A、B含水層的混合靜水位;最后安裝抽水設備，對A、B兩含水層進行混合抽水試驗。

(3)根據(jù)混合抽水試驗的水位降低(S混1)和A含水層的分層靜水位，算出此時A含水層的實際相應水位降低值(SA);然后按A含水層的滲透系數(shù)(KA)和含水層厚度M1，以及其邊界條件、水力性質(zhì)等，采用相應的涌水量計算公式算出混合抽水試驗S混1時A含水層的涌水量QA，則B含水層在A+B含水層混合抽水時的實際涌出量即為Q混1－QA。

(4)根據(jù)B含水層的分層靜水位，計算混合抽水試驗在降深S混1時，B含水層相應的水位降低SB(在圖3中，SB=S混1－S02);然后按B含水層的邊界條件、水力性質(zhì)、含水層厚度M2、影響半徑RB(單孔抽水時，按經(jīng)驗公式計算;若有觀測孔則按觀測孔與主孔間距及主孔和觀測孔水位降低計算RB值)和抽水孔半徑(r)等，采用相應的公式計算B含水層的滲透系數(shù)KB和單位涌水量qB等參數(shù)值。

以圖3所示，并假定各含水層均為無限補給邊界的混合抽水試驗和完整井為例，則B含水層的滲透系數(shù)和單位涌水量計算式［1］即為:

式中:KB為B含水層的滲透系數(shù)(m/d);Q混1為A和B含水層混合抽水試驗第一落程的涌水量(L/s);S混1為混合抽水試驗第一次水位降低值(m);QA為根據(jù)A含水層分層抽水試驗確定的滲透系數(shù)(KA)，計算其水位降低至S混1深度時相應的涌水量(L/s);S02為A、B含水層混合靜水位與B含水層靜水位的差值(m);RB為B含水層在S混1－S02水位降低時的影響半徑(m);R為抽水試驗鉆孔在B含水層孔段的半徑(m)。

(5)在A、B含水層的滲透系數(shù)分別已計算確定的情況下，若再進行A+B+C三含水層混合抽水試驗，則同理亦分別根據(jù)實測的分層靜水位計算出在混合抽水試驗水位降低S混2時，A、B、C三個含水層各自相應的水位降低值(SA、SB、SC);再按A、B兩含水層的滲透系數(shù)分別計算第二次混合抽水試驗水位降深S混2時相應的涌水量QA2和QB2，然后根據(jù)A+B+C含水層混合抽水試驗的涌水量Q混2，即求得此時C含水層相應的涌水量 QC=Q混2－QA2－ QB2，最后根據(jù) SC、QC、M3等參數(shù)和邊界條件，計算C含水層的滲透系數(shù)KC和單位涌水量qC等水文地質(zhì)參數(shù)。

4 計算實例及對比

以宜昌磷礦某礦區(qū)兩個鉆孔的抽水試驗成果為例，將混合抽水試驗與分層抽水試驗計算結(jié)果進行對比分析(表1、表2)。

從兩表中對比實例的計算結(jié)果可看出:依據(jù)混合抽水試驗資料，按本文所述方法推算Z1d31含水層的滲透系數(shù)K值與其分層抽水試驗確定的K值比較，相差率僅1.775%(表1);而在沒有對計算目的層(實例中為Z1d31)進行分層抽水試驗，按照各層確定(計算)的K值，采用含水層厚度加權(quán)平均法計算的綜合K值與混合抽水試驗確定的全試段 K值相較，其差率為6.17%(表2)，即準確性系數(shù)亦達到0.93以上。后者差率稍大系因沒有對計算目的層進行分層靜水位觀測缺少資料所致，倘有此資料，其計算的精度會相應提高。

表1 混合抽水反算與分層實測抽水計算的滲透系數(shù)(K值)結(jié)果對比表Table 1 Results comparison of permeability coefficient of inverse calculation of mixed pumping water and K value of layer pumping

表2 混合抽水與分層厚度加權(quán)平均計算的滲透系數(shù)(K值)結(jié)果對比表Table 2 Results comparison of permeability coefficient of mixed pumping water and K value of weighted average calculation

5 結(jié)語

混合抽水試驗時，水位降低的深度均應大于所有被揭露含水層的分層靜水位深度，且要盡抽水設備的能力做最大降深，這樣在抽水試驗過程中測定的涌水量(Q混)均包括了所有含水層的涌出水量，只是因為各含水層的水壓(位)和含、富水性不同而涌出的水量不同而已。因此，只要使水位降低值盡可能加大，并通過詳細分析與計算，也可獲得如同分層抽水試驗的結(jié)果，雖其精度可能稍遜于分層抽水試驗成果，或者說是沒有分層抽水資料直觀，但可免除分層下入止水套管的繁雜工序，從而大大節(jié)省工時和資金。對含水層埋深達數(shù)百米、用套管分層止水難度很大、甚至難以達到止水效果的勘探(查)區(qū)，不失為一種獲得多層含水層基本水文地質(zhì)參數(shù)的有效途徑。

［1］ 地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊.水文地質(zhì)手冊

［M］.北京:地質(zhì)出版社，1985:490.