自由振蕩法試驗(yàn)在地層滲透性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與探討

崔中濤，徐海洋，郭勁松

(中國電力建設(shè)集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610072)

摘要：自由振蕩法試驗(yàn)就是通過一定激發(fā)手段使得鉆孔內(nèi)水位發(fā)生瞬時(shí)變化，獲得水位-時(shí)間響應(yīng)數(shù)據(jù)來確定含水層的滲透系數(shù)。該方法在地層滲透性評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用，多采用的是氣壓法激發(fā)水頭的方式?？紤]到與氣壓式激發(fā)水頭的方式相比，注水式則只需往孔內(nèi)注入一定量的水就可以實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)的水頭差，且需要設(shè)備少，操作簡單，因此，嘗試將注水式激發(fā)水頭的自由振蕩法試驗(yàn)應(yīng)用于某工程，并進(jìn)行研究對(duì)比。通過注水式振蕩試驗(yàn)、氣壓式振蕩試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)抽水試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)的比較，認(rèn)為注水式振蕩試驗(yàn)最為簡便快捷，但部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的原因，提出改進(jìn)的方法，并論證該試驗(yàn)方法的可行性，以期在今后的工作中對(duì)改進(jìn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到此方法能推廣的目的。

關(guān)鍵詞：滲透系數(shù) ；自由振蕩法試驗(yàn)；注水式；激發(fā)水頭；標(biāo)準(zhǔn)抽水試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV139.14;TU411.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-11；修回日期：2015-01-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)

作者簡介：胡志強(qiáng)(1984 -)，男，山西太原人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害治理及預(yù)測預(yù)報(bào)方面的研究，(電話)18636615201(電子信箱)515935047@qq.com。

通訊作者：肖詩榮(1963 -)，男，湖北監(jiān)利人，副教授，博士，主要從事地質(zhì)工程教學(xué)、科研、生產(chǎn)方面的研究，(電話)13339781863(電子信箱)416315671@qq.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.017

收稿日期：2014-05-19；修回日期：2014-06-15

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2012FFA047)

作者簡介：唐謙(1977-)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)閹r土工程數(shù)值模擬方法與應(yīng)用，(電話)027-67883120(電子信箱)tangqiancug@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.016

1自由振蕩法試驗(yàn)方法及原理

1.1　基本概念和原理

自由振蕩法試驗(yàn)即通過一定激發(fā)手段使得孔內(nèi)水位發(fā)生瞬時(shí)變化，在水頭差的作用下，鉆孔中水位逐漸恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，測量水位隨時(shí)間的變化，獲得水位-時(shí)間響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用響應(yīng)數(shù)據(jù)來確定含水層的滲透系數(shù)，這一過程就叫做自由振蕩法試驗(yàn)[1-6]。

試驗(yàn)裝置主要包括3個(gè)系統(tǒng)：水頭激發(fā)系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見圖1。自由振蕩法試驗(yàn)主要包括3個(gè)過程：①鉆孔水位發(fā)生瞬時(shí)變化；②獲得水位-時(shí)間數(shù)據(jù)；③依據(jù)相關(guān)理論，推導(dǎo)出地層滲透系數(shù)。

圖1　自由振蕩法試驗(yàn)儀器裝置簡圖 Fig.1　Sketch of the instrument for free oscillation test

1.2　地層適用條件

自由振蕩法試驗(yàn)受水頭激發(fā)方式的限制，其影響的半徑相對(duì)常規(guī)的抽、注水試驗(yàn)較小，因此，要求自由振蕩法試驗(yàn)中影響半徑內(nèi)的地層能夠代表整個(gè)地層的基本滲透特性。對(duì)于潛水層要求其為均質(zhì)且各向異性的多孔介質(zhì)，符合定水頭有限直徑圓島形的邊界條件，同時(shí)要求忽略含水介質(zhì)的彈性儲(chǔ)水效應(yīng)。對(duì)于承壓含水層的要求為：含水層等厚，含水層頂板及底板隔水，含水層均質(zhì)，承壓含水層各向同性。

2自由振蕩法試驗(yàn)應(yīng)用簡介

20世紀(jì)90年代初，中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院(現(xiàn)中國電力建設(shè)集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司)進(jìn)行了相關(guān)方面的試驗(yàn)和研究，1994年完成了題為《自振法抽水試驗(yàn)與地下水長觀監(jiān)測系統(tǒng)》的“八五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目，其采用的是氣壓式激發(fā)水頭的自由振蕩法試驗(yàn)[7-8]。該試驗(yàn)先后在錦屏、桐子林等水電站進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)的對(duì)比，取得了令人滿意的成果。此外，岷江十里鋪電站、安徽巢湖電廠、白鶴灘水電站等工程也應(yīng)用了此方法，同樣取得了成功[9]。

廣義的自由振蕩法試驗(yàn)激發(fā)水頭的方式還有注水式、抽水式等，其原理與氣壓式一樣。相比氣壓式激發(fā)水頭的方式，注水式則只需往孔內(nèi)注入一定量的水就可以實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)的水頭差，且需要設(shè)備少，操作簡單，作者認(rèn)為注水式更為簡便快捷。為什么如此簡捷的試驗(yàn)方法不能在生產(chǎn)試驗(yàn)中進(jìn)行研究呢？因此，在本工程中嘗試用注水式自由振蕩法試驗(yàn)進(jìn)行研究對(duì)比。

3自由振蕩法試驗(yàn)在某水電站的應(yīng)用

3.1　某水電站壩址區(qū)適宜條件分析

該水電站壩址共布置勘探孔32個(gè)鉆孔，據(jù)鉆孔揭示，壩址覆蓋層層次結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。河床覆蓋層從上至下分為4大層，6小層。第④層主要為砂卵礫石層，厚10.77～22.90 m；③-3亞層主要由含礫中粗砂、中細(xì)砂組成，厚度一般38.16～56 m；③-2亞層為粉質(zhì)黏土層、砂質(zhì)粉土層，厚11.10～22.87 m；③-1亞層主要由含礫中粗、中細(xì)砂組成，厚159.25～176.64 m；第②層為灰色含(塊)碎(卵)礫石砂層，厚31.50～80.70 m；第①層為塊碎石土及含砂的塊碎礫石土組成，該層厚85.90～149.02 m。地層具體分布見圖2。

圖2　地層簡圖 Fig.2　Profile of strata

據(jù)勘探揭示，該壩基物質(zhì)主要由較均一的細(xì)顆粒物質(zhì)組成，且厚度較大，達(dá)到250 m，壩基地質(zhì)條件很適合自由振蕩法試驗(yàn)的條件，因此在水文地質(zhì)試驗(yàn)工作中引進(jìn)了自由振蕩法試驗(yàn)，在鉆孔ZKm203中實(shí)施注水式自由振蕩法試驗(yàn)，并且同時(shí)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究。

3.2　模型選擇與試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

3.2.1Bouwer and Rice模型[10]

根據(jù)Bouwer 和Rice的研究，該模型較為簡單，適用于非承壓含水層；均質(zhì)各向異性多孔介質(zhì)；定水頭有限直徑圓島形邊界條件；忽略含水介質(zhì)的彈性儲(chǔ)水效應(yīng)。因此該模型可計(jì)算③-3亞層灰色含礫中粗砂的滲透系數(shù)。

計(jì)算巖土體的滲透性參數(shù)公式為：

(1)

(2)

式中：rc為孔水位升降段套管半徑 ；Re為影響半徑；rw為過濾器半徑；Lk為試驗(yàn)段長度；y0為水位升高最大值；t為選擇曲線任意時(shí)間；yt為選擇曲線任意t時(shí)水位。H為鉆孔初始水位距孔底高度；D為鉆孔初始水位距隔水頂板高度；A和B為無量綱參數(shù)，且均為Lk和rw的函數(shù)。

3.2.2Kipp(1985)模型[11]

根據(jù)Kipp的研究，該模型適用于含水層等厚；含水層頂、底板隔水；含水層均質(zhì)、各向同性承壓含水層。因此該模型可應(yīng)用于③-1亞層計(jì)算滲透系數(shù)。

由下式計(jì)算滲透系數(shù)：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

3.3　計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

根據(jù)選擇的模型，計(jì)算出地層的滲透系數(shù)，具體見表1。注水式振蕩試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)抽水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表2。

表1　ZKm203注水式振蕩試驗(yàn)計(jì)算成果 Table 1　Calculation result of oscillation test with water injection method for borehole ZKm203

根據(jù)壩基細(xì)顆粒物質(zhì)實(shí)施的抽、注水試驗(yàn)，以及壩基覆蓋層大量的室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)得出：③-3和③-1層的含礫砂層滲透系數(shù)約為2.7×10-3～2×10-4cm/s，其結(jié)果符合砂層滲透系數(shù)的一般規(guī)律；③-2層的粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)約為4.1×10-6cm/s，其結(jié)果符合黏土滲透系數(shù)的一般規(guī)律。注水式激發(fā)水頭的自由振蕩法試驗(yàn)得到：③-3和③-1層的含礫砂層滲透系數(shù)約為1.09×10-2～4.73×10-3cm/s，③-2層的粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)約為7.1×10-7cm/s。因此，作者認(rèn)為，注水式振蕩試驗(yàn)得出的結(jié)果③-3和③-1層偏大，基本差0.5 ～1個(gè)數(shù)量級(jí)， ③-2層基本相當(dāng)。

表2　標(biāo)準(zhǔn)抽水試驗(yàn)與注水式振蕩試驗(yàn)成果對(duì)比 Table 2　Comparison of the result between standard water pumping test and water injection oscillation test

4試驗(yàn)方法探討

從注水式自由振蕩法試驗(yàn)在本鉆孔中實(shí)施的情況及數(shù)據(jù)的對(duì)比上看，其在③-2層的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的抽水和室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)基本吻合，而在③-3和③-1層中的數(shù)據(jù)明顯偏大。那么為什么注水式振蕩試驗(yàn)?zāi)茉冖?2層都取得了成功，而在③-3和③-1層中出現(xiàn)偏差。

4.1　結(jié)果偏差的原因分析

4.1.1激發(fā)水頭差不夠

自由振蕩法試驗(yàn)水頭變化激發(fā)程度是試驗(yàn)的關(guān)鍵。本工程采用的是注水式(水桶注水)振蕩試驗(yàn)，在注入水量有限、地層滲透性較強(qiáng)的情況下，孔內(nèi)水頭激發(fā)程度可能就不夠，沒能形成足夠的水頭差，試驗(yàn)所得的時(shí)間-水頭曲線不具代表性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)偏差。

4.1.2試驗(yàn)段封閉程度不夠

本工程的注水式振蕩試驗(yàn)是在實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)抽、注水試驗(yàn)的孔內(nèi)進(jìn)行。因試驗(yàn)的深度較大，標(biāo)準(zhǔn)的抽、注水試驗(yàn)需要下花管，套管勢必就要進(jìn)行多次的起拔，在數(shù)次起拔套管之后，孔壁與套管結(jié)合就會(huì)不緊密，以致形成一個(gè)固定的排泄通道。而注水式振蕩試驗(yàn)注入的水量較小，從排泄通道流出試驗(yàn)段外的流量相對(duì)較大，這樣就相當(dāng)于增加了試驗(yàn)段的長度，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏大。而③-2為粉質(zhì)黏土層，土體與套管結(jié)合較好，不存在封閉不好的問題，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較真實(shí)，也同樣說明試驗(yàn)段封閉程度不夠造成了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差。

4.2　改進(jìn)的試驗(yàn)方法效果初步分析

上一節(jié)分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的2個(gè)原因，一個(gè)是水頭激發(fā)程度不夠，如果在試驗(yàn)中利用功率較大的水泵，往孔內(nèi)注入足夠的水量，形成一個(gè)比較理想的水頭差，就能采集到理想的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

另外，針對(duì)套管連續(xù)起拔形成的固定排泄通道問題，如果不和標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)在同一個(gè)孔內(nèi)實(shí)施，就不涉及到拔管的問題，也就不存在排泄通道。試驗(yàn)過程中可采用清水鉆進(jìn)足夠的試驗(yàn)段深度后，在裸孔中實(shí)施注水式振蕩試驗(yàn)，再跟管至孔底，實(shí)施下一循環(huán)的工作，這樣就可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段的封閉。

綜上所述，如果影響試驗(yàn)結(jié)果的2個(gè)問題在試驗(yàn)過程中均得到改進(jìn)，注水式振蕩試驗(yàn)在理論上應(yīng)該是一個(gè)能夠可行的試驗(yàn)方法。

4.3　試驗(yàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

自由振蕩法試驗(yàn)最重要的是水頭激發(fā)環(huán)節(jié)。其中水頭激發(fā)方式有注水、氣壓等，下面重點(diǎn)就氣壓式、注水式和標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

肉牛糞污處理技術(shù)模式應(yīng)根據(jù)肉牛場的養(yǎng)殖規(guī)模、投資能力、自有種植土地、機(jī)械化程度等情況靈活選擇，技術(shù)路線應(yīng)圍繞“源頭減量、清潔生產(chǎn)、資源化綜合利用、防止二次污染”的原則。

表3　注水式振蕩試驗(yàn)、氣壓式振蕩試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)抽 水試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比 Table 3　Advantages and shortcomings of water injection oscillation test, pressure oscillation test and standard water pumping test

通過以上的各種方式對(duì)比，各種方式都有優(yōu)缺點(diǎn)。但不難發(fā)現(xiàn)，自由振蕩法試驗(yàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)，注水式振蕩試驗(yàn)又要優(yōu)于氣壓式振蕩試驗(yàn)。首先，氣壓式耗時(shí)1.5 ～2.5 h，注水式耗時(shí)2 ～15 min，在提高效率上，氣壓式振蕩試驗(yàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)，而注水式振蕩試驗(yàn)在效率上要比氣壓式振蕩試驗(yàn)高出數(shù)十倍，由于注水是振蕩試驗(yàn)試驗(yàn)過程非常短，因此在孔內(nèi)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)試驗(yàn)；其次，氣壓式需要在孔內(nèi)形成1個(gè)封閉的體系，而注水式則是1個(gè)開放的體系，試驗(yàn)條件注水式更容易實(shí)現(xiàn)；再則，氣壓式需要1臺(tái)專門的封閉加壓裝置，而注水式只需要1臺(tái)水泵，在投入上要少。因此，注水式振蕩試驗(yàn)要優(yōu)于其他試驗(yàn)方法。

5結(jié)論

從現(xiàn)場試驗(yàn)來看，注水式振蕩法試驗(yàn)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

(1) 投入少。試驗(yàn)需要的設(shè)備少、操作人員少，在人力資源及物質(zhì)投入上要優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)方法。

(2) 快捷。完成一個(gè)試驗(yàn)段的時(shí)間約2 ～10 min，而氣壓式需要1.5 ～2.5 h，常規(guī)抽、注水試驗(yàn)則耗時(shí)大于24 h，在快捷程度上優(yōu)勢明顯。

(3) 易于實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)由于受到設(shè)備的制約(水泵的揚(yáng)程問題、抽水量等問題)，在深厚覆蓋層的試驗(yàn)無法實(shí)施，氣壓式振蕩試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的封閉程度高，實(shí)現(xiàn)較困難，而注水式振蕩試驗(yàn)無設(shè)備上的限制。

(4) 數(shù)據(jù)采集可靠。試驗(yàn)在數(shù)據(jù)的采集上與氣壓式完全相同，依靠儀器，標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)靠人工采集數(shù)據(jù)，可靠度要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的抽水試驗(yàn)。

綜上所述，注水式振蕩試驗(yàn)優(yōu)勢明顯，在提高效率上，氣壓式振蕩試驗(yàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的抽注水試驗(yàn)，而注水式振蕩試驗(yàn)在效率上要比氣壓式振蕩試驗(yàn)高出數(shù)十倍，由于注水式振蕩試驗(yàn)過程非常短，因此在孔內(nèi)連續(xù)試驗(yàn)的條件也可實(shí)現(xiàn)。針對(duì)注水式方法研究試驗(yàn)中出現(xiàn)的的偏差，分析了出現(xiàn)偏差的原因，同時(shí)在理論上也分析了改進(jìn)后的試驗(yàn)方法的可行性，但該方法還需在實(shí)際的生產(chǎn)過程中進(jìn)行驗(yàn)證，方可投入到生產(chǎn)中去。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Discussion on the Application of Free Oscillation Testin Stratum Permeability Evaluation

CUI Zhong-tao, XU Hai-yang, GUO Jin-song

(Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu610072, China)

Abstract:Free oscillation test is a hydro-geological test which adopts excitation method to make an instantaneous change in borehole water level. Through the test process the water level-time response data will be measured and thus to determine the permeability coefficient of the aquifer stratum. This test has been applied in many engineering projects for stratum permeability evaluation and has an efficient result. Air pressure is usually adopted to excite the water head, while water injection is convenient to excite water head only by injecting a certain amount of water. It

needs less equipment and operates easily. In this research we conducted a free oscillation test with water injection method to evaluate the stratum permeability coefficient and compared the advantages and shortcomings of various test methods (gas pressure and standard water pumping and injection). We found that free oscillation test with water injection method is the most convenient, however, some part of the test data revealed deviations rather than the results derived from the standard water pumping test. We analyzed the causes of the deviation and put forward improvements to demonstrate the feasibility of this test method with the expectation to verify the improved method and achieve popularization of this test method in hydropower station projects.

Key words: permeability coefficient; free oscillation test; water injection；excitation of water head; standard water pumping test

2015,32(04):86-91

2015,32(04):81-85