姚慶健++陳亞運

摘 要：Slug試驗是在地下水位靜止的條件下，瞬時使井孔水位產(chǎn)生一定幅度的變化來評價水文地質(zhì)參數(shù)的原位測試方法，由于其設(shè)備便攜，費用低，易操作的特點，被越來越多的人用于測定含水層的滲透系數(shù)K值。本文在分析Slug試驗理論模型的基礎(chǔ)上，采用自動監(jiān)測設(shè)備記錄水位，在利用Aquifer Test軟件計算含水層參數(shù)。結(jié)果表明：利用Slug試驗簡單易行且操作周期短，在利用Aquifer Test軟件很好的處理了采集數(shù)據(jù)能準確高效的計算出含水層的滲透系數(shù)。

關(guān)鍵詞：Slug試驗；滲透系數(shù)；Aquifer Test軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.219

1 引言

Slug試驗是一種測試含水層滲透性的原位測試方法，近年來以其方便、經(jīng)濟、不失準確性的特點在國內(nèi)外快速發(fā)展并應用于工程實踐中，Slug試驗的方法克服了室內(nèi)試驗不準確的缺點，同時相比與抽水試驗，壓水試驗更加高效經(jīng)濟。

Hvorslev在1951年首先將slug試驗運用到實際現(xiàn)場的水文地質(zhì)參數(shù)計算[1]，而后Ferris和Knowles（1954）在此基礎(chǔ)上進行了改進[2]，cooper（1967）等對承壓含水層參數(shù)評估方法進行了進一步修正[3]。這之后Rice（1976）以及Bouwer（1989）等人發(fā)展了考慮井阻和幾何尺寸的承壓、半承壓、潛水層的理論計算方法[4]，Butler（1998）給出該方法的具體實施技術(shù)總結(jié)[5]，Willis （2008）等將其列為水文地質(zhì)試驗的常規(guī)手段及技術(shù)標準[6]。

在我國九十年代前，由于Slug試驗測量工具靈敏度不高、技術(shù)和場地的限制等原因只能進行低滲透率試驗且鮮有應用，更沒有相關(guān)的操作程序和標準。但是隨著科技發(fā)展，儀器精度的提高，Slug試驗不僅解決了適用低滲透率地層的常規(guī)認識，而且對中高滲透性含水層的測試也有了大的進步。張昭棟（1990）在地震領(lǐng)域利用瞬時激起井水位振蕩法，提出了一種測量含水層導水系數(shù)的新方法[7]。蘇銳（2007）將Slug試驗應用到低滲透的裂隙介質(zhì)中，首次考慮溫度和鉆孔儲存效應，進一步完善了Slug試驗理論模型[8]，李星宇（2014）等人將Slug試驗方法應用于巖溶裂隙水的研究中[9]。根據(jù)現(xiàn)今的Slug試驗發(fā)展，本文以郭屯煤礦某現(xiàn)場Slug試驗實例研究其應用優(yōu)缺點。

2 計算原理模型

Slug試驗方法的基本原理是在地下水位靜止的條件下，瞬時使井孔水位產(chǎn)生一定幅度的上升或者下降后記錄水位恢復過程，在將實際得到的曲線與理論曲線對比擬合求取含水層參數(shù)，原理示意圖如圖1所示。

2.1 Hvorslev模型

Hvorslev模型由Hvorslev等學者于20世紀50年代初建立和發(fā)展起來的。其假設(shè)條件是： 試驗井孔為承壓完整井； 均質(zhì)多孔介質(zhì)含水層； 地下水流動為達西穩(wěn)定流； 忽略含水介質(zhì)的彈性儲水效應，即Ss= 0。如下為該模型的解析解，并可以根據(jù)直線圖解法求出相關(guān)參數(shù)。

3 試驗場地概況

試驗場地位于山東郭屯煤礦工廣，井孔為風井試驗注漿孔，該孔掘進施工至井深663.6m，現(xiàn)場注漿孔結(jié)構(gòu)30m以下全取芯至孔深663m，土層孔徑Φ108mm，風氧化帶孔徑Φ94mm；取芯結(jié)束后再擴孔下套管，表土層擴孔孔徑Φ190mm，并下入Φ139.7×6.2mm套管，其中注漿段為花管，風氧化帶注漿孔徑為Φ118mm，裸孔。本次試驗對象為注漿孔底部540～584m的新近系砂層含水層。

該含水層以厚層粘土為主，粘土呈雜色，呈現(xiàn)半固結(jié)狀，常見白色高嶺土層或石膏團塊。砂層以灰白、棕黃色的中、細砂為主，砂質(zhì)不純，多含泥質(zhì)成分， 一般含砂層3～9層，砂層厚度15.6～85.60m，砂層厚度占12.1～50.6%，受古地形影響砂層厚度變化大，連續(xù)性差，多呈透鏡狀。該層段底部一般為厚層粘土、砂質(zhì)粘土層，井田西部砂、砂礫層直接覆蓋在下伏地層之上。

4 slug試驗結(jié)果處理與分析

4.1 試驗過程及數(shù)據(jù)采集

實驗前觀測初始水位，確定初始水位位置，并啟動DIVER水位傳感器，設(shè)置觀測時間間隔，然后將帶測繩的DIVER放入一定深度位置的水位中，該點水位變化范圍不能超過25m（根據(jù)試驗探頭所設(shè)）；向孔中緩緩下一定長度鉆桿，進入水中，引起水位升高，其變化在25m之內(nèi)，等水位恢復至初始水位時，將鉆桿緩緩升起至地面，孔中水位開始下降，等水位恢復至初始水位時，結(jié)束試驗過程如圖2所示。

上述試驗重復2～4次來減小偶然誤差，結(jié)束后取出試驗探頭采集相關(guān)數(shù)據(jù)其水位數(shù)據(jù)如下圖3。

4.2 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

本文數(shù)據(jù)處理采用Aquifer Test軟件[10]是由美國Waterloo Hydrogeologic.Inc公司開發(fā)，應用于Slug試驗和抽水試驗數(shù)據(jù)分析，主要解決承壓含水層、潛水含水層、弱透水含水層、基巖裂隙含水層四中情況。如圖4所示為該軟件的Slug試驗工作界面圖。軟件界面簡單易上手操作。軟件擁有三個模塊：輸入、運行、后處理。輸入模塊為Slug Test和Water Level，運行模塊為Analysis，后處理模塊為Rpoter。將實驗數(shù)據(jù)通過輸入模塊輸入軟件，本次選用Hvorslev模型法求解。運行該軟件求解大大節(jié)約了人工運算，和配線時的人工誤差，強大的后處理功能使結(jié)果具有良好的可視化效果。利用上述數(shù)據(jù)導入軟件，整理擬合曲線后如圖5所示滲透系數(shù)為5.08×10-1m/d。

5 結(jié)論

（1）Slug試驗采用的原位試驗，利用水位恢復過程計算含水層參數(shù)值，減少了外界干擾，是結(jié)果更加貼近實際。

（2）本文試驗數(shù)據(jù)采用高精度探頭記錄數(shù)據(jù)，避免了人為記錄的主觀誤差。采用專業(yè)的Aquifer Test軟件處理Slug試驗采集的數(shù)據(jù)，快速準確的求出了含水層參數(shù)，減少了人工配線的工作量，方便快捷。

（3）本次由于Slug試驗的K值主要反映試驗孔附近的水文地質(zhì)參數(shù)影響半徑較小，受局部不均勻性影響較大，比如洗井情況，裂隙發(fā)育情況和部分透鏡體的存在都會影響實驗結(jié)果。建議在研究區(qū)進行多次試驗，找尋具有代表性的試驗場地，作為整個區(qū)域的試驗結(jié)果。

參考文獻：

[1]Hvorslev，M.J Time lag and soil permeability in groundwater observations [J]，Bulletin 1951，No.36， U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station，Vicksburg，MS.

[2]Ferris.J.G. and Knowles，D，B. Slug Test for Estimating Transmissibility [J]. U. S. Geological Survey，1954，Note26：7.

[3]Cooper H H， Bredehoeft J D， Papadoupulos I S. Response of a finite-diameter well to an instantaneous charge of water[J]. Water Resources Research，1967，3（1）：263-269.

[4]Bouwer H， Rice R C. A slug test for determining hydraulic conductivity of unconfined aqufer with completely or partially wells[J].Water Resources Research，1976，12（3）：423-428.

[5]Butler JR J J， Mcelwee C D，Liu W.Improving thequality of parameter estimates obtained from slug tests[J]. Ground Water，1996，34（03）：480-490.

[6]Willis D.Weight，Hydrogeology Field Manual[M].， Mc. GrawHill.2008.

[7]張昭棟，鄭香媛，殷積濤等.一種測求水井含水層導水系數(shù)的新方法[J].華南地震，1990，10（03）：18-24.

[8]蘇銳.低滲透裂隙介質(zhì)滲透特征評價技術(shù)及其應用研究[D].北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究所，2007.

[9]李星宇，南天，王新娟等.基于微水試驗的北京大興隱伏巖溶裂隙滲透系數(shù)的求取方法[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，12（04）：156-160.

[10]龐國興.水文地質(zhì)參數(shù)的可視化軟件Aquifer Test[J].地下水，2012，34（03）：195-196.

作者簡介：姚慶?。?992-），男，六安人，在讀碩士，主要從事水文地質(zhì)研究。