鉆孔注水試驗技術在地質勘察中應用

葛鴻輝 徐秦

摘 要：根據鉆孔注水試驗原理，通過對抽水試驗和室內滲透試驗數據分析，在地質勘察現場水文試驗來說，只要井管結構合理、洗孔徹底，其真實性、準確性均應該比室內試驗要高，值得應用推廣。

關鍵詞：鉆孔注水試驗；實驗分析；滲透系數；

1.鉆孔注水試驗技術

1.1 試驗原理

弱透水巖土層一般透水比較緩慢，歷時比較長，垂向上多呈層狀沉積，而水平向上均勻性則較好。潛水含水層中鉆孔常水頭注水試驗通過向鉆孔內注入穩定流量的清水，經過一定時間后，流量和水位均趨于穩定，測定流量和水位值以計算求取土層滲透系數，其試驗原理類似于潛水含水層的單孔穩定流抽水試驗，抽水試驗是抽取穩定水量形成穩定降深，注水試驗則是注入穩定水量形成穩定水頭，兩者過程相類似。但兩者不同的是，穩定流抽水試驗由于抽水形成降落漏斗，地下水的補給沿漏斗呈曲線狀滲流進入抽水孔，其滲流線離孔越遠，水流越接近于水平，形成的等水頭面為共軸旋轉曲面，在孔內水位變化不大的情況下，水流屬緩變流，滲透速度的垂向分量相對于水平分量來說很小，近似可以忽略。故完整井抽水試驗滲透系數的計算多采用二維流以簡化計算。而注水試驗過程中由于孔內水頭壓力作用，水流向外滲流，在孔外側受含水層原水、土壓力的限制，表現為越向下外滲阻力越大，其反漏斗形成主要表現為水壓力的傳遞變化，而并非實際水流的變化。因此，注水試驗水流外滲應該以水平向外滲為主，求取滲透系數也可以采用完整井抽水常用的二維流方法以簡化計算滲透系數的過程。具體可見圖1。

圖1 鉆孔注水試驗示意圖

注水試驗穩定流計算推導公式的簡化和假定條件：

（1） 含水層均質各向同性，隔水底板為水平；

（2） 天然水力梯度為零；

（3） 試驗時，影響半徑范圍內無滲入和蒸發，各過水斷面的流量不變，且影響半徑的圓周上為定水頭邊界；

（4） 濾水管底部為水平外滲，忽略向下滲透。設注水孔為h 軸（以濾水管底為0，向上為正） ，沿水平方向為r 軸（濾管中心為0，向外為正） ，把等水壓力面近似看成同心的圓柱面，由裘布依公式可得出滲水的方程：

即：

由于圓柱面當ro →R時，水頭壓力由L+h+Sw→L+h，通過兩邊積分得：

經整理得 ： （1）

式中： Q 為注水流量（L·s-1）， k為滲透系數

（ cm·s-1）， r0為濾水管半徑（cm） ， L為濾水管長度（cm）， h0為靜止水位至濾水管頂部長度（cm）， Sw為注水孔內水頭高度（cm） 。

R為注水反漏斗影響半徑（cm） ，可根據庫薩金經驗公式：

（2）

式中H為含水層厚度（cm） ，

由此，經過（1）式和（2）式反復迭代計算可求出滲透系數k值。

1.2試驗方法

（1） 試驗孔位置選擇時需排除距離河道太近、周邊有抽水等可能影響試驗精度的因素。

（2） 注水試驗井管安裝可同抽水試驗，具體可參照《供水水文地質勘察規范》（ GB50027 -2001）相關要求進行。注水孔地面以下1～2m需止水回填，試驗管口宜高出地面1～1.5m左右。

（3） 正式試驗前可以進行預注水，通過不斷調節注水的流量直至水位漸近孔口，以不溢出管口為宜，確定試驗時可采用的穩定注水流量。

（4） 在試驗前應精確測定在預注水時確定的穩定流量和靜止水位，正式試驗操作在記錄時間的同時持續向孔內穩定流注水，水頭開始可按5～10min觀測一次，等基本穩定后改為30min觀測一次。

（5） 穩定標準：在穩定時間段內，注水流量波動不超過正常流量的5%，動水位波動值不超過2～3cm。

（6） 注水穩定延續時間一般不少于6～8h。

（7） 試驗結束后宜進行恢復水位觀測，并再次測定靜止水位。

1.3 資料整理

（1） 通過試驗，最終可取得穩定流注水流量Q（L·s-1 ）和穩定水頭高度Sw ，結合試驗時間繪制出Q、Sw - T曲線圖，并繪制出注水孔安裝結構圖（包括成孔工藝和技術措施等） 。

（2） 最終可確定出計算所需參數：穩定流注水流量Q（L·s-1） 、穩定水頭高度Sw（cm） 、r0為濾水管半徑（cm） ， L為過濾管長度（cm） ， h0為靜止水位至濾水管頂部長度（cm） 。滲透系數的計算可通過上述（1） 、（2）式確定。

（3） 編寫鉆孔注水試驗報告，內容包括：試驗目的、要求、方法，巖土層滲透系數計算過程，試驗質量評述。

2.技術應用

某市政隧道沿線深度3.2～14.0 m，以弱透水巖土層（粉質粘土）為主，施工時降水、排水均要求提供滲透系數，地質勘察過程中針對該層粉土布置了1組抽水試驗和3組注水試驗。

注水試驗濾管采用Φ108mm圓孔式包網過濾管，底部設同徑長度2m左右沉淀管，上部采用同徑隔水管，管口高出地表1.5m左右，在管外側地表下2m左右采用粘土球回填止水。成孔后經反復洗孔、沖孔至水清砂凈，效果良好，注水試驗結果見表1。

勘察過程中對于滲透系數進行的抽水試驗和室內滲透試驗，其結果見表2、表3，由不同試驗結果所得滲透系數對比可知，在弱透水巖土層中采用常水頭鉆孔注水試驗結果與穩定流抽水試驗所確定的滲透系數較為接近，較室內試驗所確定的滲透系數值略大。

從以上列表可以看到，對地質勘察過程中現場水文試驗來說，只要井管結構合理、洗孔徹底，其真實性、準確性均應該比室內試驗要高，是值得應用推廣的。

3.結束語

1）、由于本方法未考慮注水管外水、土壓力與管內靜止水壓力的差異，因此，計算只能限于潛水含水層淺部滲透系數計算的應用，過濾管埋設越深管內外壓力差越大，對計算結果的影響也越大。根據經驗本方法在地下水位以下、深度10 m以內的弱透水巖土層中應用較為合適，試驗可采用完整井，也可采用于非完整井。

2）、弱透水巖土層透水性受其顆粒級配、密實程度、均勻程度等控制，故相同層位土層亦存在各向異性，特別是受流水作用自然沉積形成，天然狀態呈層狀，一般薄層理發育，由本試驗計算公式可知，計算時將試驗層概化為均質體，這與地質實際情況存有一定差異，計算結果僅可作為一種參考依據。

3）、弱透水巖土層地區鉆孔注水試驗方法較抽水試驗更為簡便，試驗不需要在孔內設抽水設備，觀測、操作簡單，穩定水頭容易取得，其結果與抽水試驗較為接近，效果較好。試驗時應注意采用合理的井管結構、洗孔效果及孔口外側地表的止水回填，以保證試驗效果。

4）、野外鉆孔注水試驗由于受地層、環境、注水設備等影響，注水開始階段水位有一定波動，但隨著注水時間的持續會趨于穩定，故注水時需持續有足夠的穩定注水時間，以確保注水試驗精度。

參考文獻

[1]陳南祥. 水文地質學[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2008.

[2]GB50027 - 2001. 供水水文地質勘察規范[S].北京： 中國計劃出版社， 2001

[3]水利部《水利水電工程注水試驗規程》（SL345-2007）

[4]有色金屬工業協會《注水試驗規程》（YS5214-20000）