低滲透潛水含水層抽水試驗裝置及其應用研究

王 俊，汪玉松，羅澤嬌，魯長青

（中國地質(zhì)大學環(huán)境學院，湖北 武漢430074）

滲透系數(shù)可定量反映巖石的滲透性能，是控制地下水流動和溶質(zhì)運移的重要參數(shù)，也是地下水計算中一個不可缺少的指標［1—3］。目前，求取低滲透介質(zhì)的滲透系數(shù)主要采用微水試驗、提水試驗、室內(nèi)試驗和注水試驗。其中，微水試驗對含水層的擾動小，只影響抽水井周圍很小的范圍［4—5］，但國內(nèi)有關該法的操作程序和標準尚未見報道；周斌等［6］采用提水試驗求取滲透系數(shù)，但發(fā)現(xiàn)試驗過程流量不易控制，受人為因素影響較大；室內(nèi)試驗求取的滲透系數(shù)值往往比實際值小，有的甚至偏差很大［7］；注水試驗在國內(nèi)已經(jīng)有相關規(guī)范［8］，且應用較廣泛，但在低滲透介質(zhì)地區(qū)進行注水試驗，水位下降速度較慢，試驗時間會很長。為此，本文設計了一種能夠在弱透水層中獲取準確試驗參數(shù)的抽水試驗裝置，該裝置采用壓力平衡的原理抽水，流量較小且穩(wěn)定，試驗數(shù)據(jù)處理符合抽水試驗理論和方法，為弱透水層求取滲透系數(shù)提供了一種新的途徑。

1 抽水試驗裝置的設計和特點

1.1 抽水試驗裝置原理與設計

本文設計的抽水試驗裝置的抽水原理與真空泵一致，均是依據(jù)壓力平衡的原理，但該裝置抽水動力源自手動調(diào)節(jié)壓力泵。其基本原理是：抽水試驗時在負壓作用下，試驗孔水進入容量瓶，瓶內(nèi)負壓隨之減小，可通過及時調(diào)節(jié)壓力泵來保證恒定負壓（負壓發(fā)生微小變化，可以忽略），這樣抽水流量較小且恒定，弱透水層不會發(fā)生疏干，可進行定流量抽水試驗。

設計的抽水試驗裝置見圖1。該試驗裝置主要包括手動壓力泵、緩沖瓶、電子天平、容量瓶、導管和出水管。其中，手動壓力泵用來調(diào)節(jié)容量瓶內(nèi)部壓強，使容量瓶內(nèi)部產(chǎn)生負壓，將地下水抽取到容量瓶中，且手動壓力泵上安裝了壓力表；電子天平用來測量容量瓶的重量（容量瓶自重和抽出水的重量）；導管起連接作用；緩沖瓶用來防止容量瓶中的水吸到壓力泵中；出水管一端（有重物）要用紗布包裹，以免堵塞。

圖1 抽水試驗裝置設計圖Fig.1 Design of pumping test device

1.2 抽水試驗裝置的特點

在野外進行的各種水文地質(zhì)試驗中，該抽水試驗裝置操作簡單，經(jīng)濟實用，采集數(shù)據(jù)精度高，抽水流量可控，能滿足弱透水層的抽水試驗要求，且數(shù)據(jù)處理方法符合抽水試驗理論，可以采用井流公式來計算含水層的滲透系數(shù)。但需要注意的是該抽水試驗裝置由于采用負壓進行抽水，一個標準的大氣壓能支持水柱的高度是10.34m，所以低滲透含水層水位埋深不宜過大。此外，該裝置抽水流量小，較適合富水性弱的巖層。在負壓（假設初始壓力表讀數(shù)為0.05MPa）作用下，井水進入容量瓶后，負壓會隨之減小，當減小了0.005MPa，手動調(diào)節(jié)壓力泵，使壓力表恢復為初始設定值，此過程對流量影響較小，可以認為定流量抽水。

2 抽水試驗步驟

采用設計的抽水試驗裝置進行抽水試驗的步驟如下：

（1）試驗儀器的準備。除了設計的抽水試驗裝置外，還需準備水位自記儀（試驗采用加拿大Solinst公司生產(chǎn)的Levelogger）、測線、鋼尺、秒表、筆記本電腦等。

（2）試驗儀器的安裝和檢查。按圖1所示進行安裝，并檢查試驗裝置的密封性，以保證試驗的正常進行。此外，該試驗裝置應盡量放置在地勢比較平坦的地方，以減小試驗誤差。

（3）進行水位實時監(jiān)測。先用測線測量初始地下水位埋深，將水位自記儀連接電腦并開啟探頭（水位自記儀的一部分）開始記錄數(shù)據(jù)，然后將探頭慢慢投入試驗孔井底，進行在線實時監(jiān)測（時間間隔設置為30s），監(jiān)測數(shù)據(jù)為探頭到潛水面的距離。水位自記儀的精度為0.1mm，完全滿足水位測量要求。

（4）進行定流量抽水試驗。用電子天平測量空容量瓶的重量，然后將出水管一端投入水中，壓力表迅速調(diào)到某一固定值，當有水進入容量瓶后開始計時。

（5）抽水過程中，通過控制壓力表，使抽水過程中壓力恒定，保證定流量抽水，并實時關注水位變化，定時讀取容量瓶重量，當抽水孔出水量和動水位與時間的關系只在一定范圍波動，且沒有出現(xiàn)持續(xù)上升和下降的趨勢［9］，即抽水試驗已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，結束第一次水位降深試驗。

（6）第一次水位降深試驗完成后，待水位恢復后，做第二次水位降深試驗，重復上述試驗步驟（4）和（5）。

3 實例應用

本文以武漢市葛店某工廠為例，采用本文設計的抽水試驗裝置，并選擇了14個井孔進行抽水試驗，以驗證設計的抽水試驗裝置的可靠性和適用性。

3.1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

葛店地區(qū)上覆第四系土層為中更新統(tǒng)沖洪積層（Qpal2）和殘坡積層（Qedl4）填土（見圖2），顆粒松散且含有少量碎石，填土層厚度1～5m不等，處于半膠結狀態(tài)，為弱含水層；下伏第四系黏土層（見圖3），厚度較大，透水性較弱，為弱透水層。該區(qū)域潛水賦存于填土和黏性土層中，其含水層富水性差、含水量小，潛水含水層初始水位埋深較淺，最小埋深為0.31 m，主要接受大氣降水補給，且屬于低滲透性介質(zhì)含水層，常規(guī)抽水試驗一抽就干，因此可采用設計的抽水試驗裝置進行野外水文地質(zhì)試驗。

圖2 葛店區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig.2 Hydrogeological map of Gedian region

圖3 葛店區(qū)域Ⅰ－Ⅰ′地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological section map ofⅠ－Ⅰ′in Gedian region

3.2 試驗孔抽水試驗數(shù)據(jù)

利用上述設計的抽水試驗裝置，在研究區(qū)選擇14個試驗孔進行了抽水試驗，由于該地區(qū)含水層滲透性較差，水位恢復非常慢，所以每一個試驗孔只做了一次水位降深試驗。各試驗孔抽水試驗數(shù)據(jù)見表1。鉆孔的直徑均為110mm，鉆孔打穿了填土層，濾管為鉆孔中水的厚度，初始水位均在填土層中。

表1 各試驗孔抽水試驗數(shù)據(jù)Table 1 Pumping test data of each test hole

3.3 抽水試驗數(shù)據(jù)處理方法

從鉆孔揭露的含水層結構來看，本次抽水試驗為潛水非完整井穩(wěn)定流抽水，因此可以采用潛水非完整井穩(wěn)定流公式來計算含水層的滲透系數(shù)［9］，即

式中：K為含水層滲透系數(shù)（m/d）；Q為抽水流量（m3/d）；H為自然條件下潛水含水層的厚度（m）；h為抽水試驗時潛水含水層的厚度（m）；ˉh為在自然條件下和抽水試驗達到穩(wěn)定時潛水含水層的厚度平均值（m）；l為過濾器的長度（m）；r為抽水孔過濾器的半徑（m）；R為抽水影響半徑（m）。

（1）式中的抽水影響半徑R可以用庫薩金公式進行計算：

式中：S為水位降深值（m）。

由于計算過程中需要迭代運算，可進行VB語言編程，從而快速計算出含水層的滲透系數(shù)。

3.4 抽水試驗結果與分析

試驗孔S107、S128的水位降深－時間曲線見圖4和圖5。由圖4和圖5可以看出：抽水過程中水位下降越來越慢，直至試驗孔水位恒定，且流量恒定，此時試驗已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，說明采用本文設計的抽水試驗裝置得到的水位降深－時間曲線符合常規(guī)抽水試驗特征，并且抽水時流量恒定，所以利用該裝置在低滲透性介質(zhì)中進行抽水試驗是可行的。單井抽水試驗是抽水試驗方式的一種類型，其在低滲透介質(zhì)中也是適用的。

圖4 S107試驗孔水位降深－時間曲線圖Fig.4 Drawdown－time curve of test hole S107

圖5 S128試驗孔水位降深－時間曲線圖Fig.5 Drawdown－time curve of test hole S128

基于VB編程，采用潛水非完整井穩(wěn)定流公式，計算得到各試驗孔含水層的滲透系數(shù)見表2。

表2 各試驗孔含水層的滲透系數(shù)計算結果Table 2 Calculating result of the permeability coefficient of each test hole

圖6 葛店某廠區(qū)潛水含水層滲透系數(shù)分區(qū)Fig.6 Permeability coefficient zoning in a plant area in Gedian

根據(jù)表2結果，結合葛店區(qū)域地形地貌和水文地質(zhì)條件，按潛水含水層滲透系數(shù)對葛店某廠區(qū)進行分區(qū)，見圖6。其中，潛水含水層滲透系數(shù)大于0.1 m/d的區(qū)域為滲透性相對較好地區(qū)，潛水含水層滲透系數(shù)在0.05～0.1m/d范圍內(nèi)的區(qū)域為滲透性中等地區(qū)，潛水含水層滲透系數(shù)小于0.05m/d的區(qū)域為滲透性相對較差地區(qū)。由圖6和表2可知：葛店某廠區(qū)低滲透潛水含水層南部區(qū)域滲透系數(shù)較大，北部區(qū)域滲透系數(shù)較小；試驗孔中最大滲透系數(shù)值和最小滲透系數(shù)值相差一個數(shù)量級；大部分區(qū)域滲透性為中等和相對較差。

4 結 論

葛店地區(qū)潛水含水層屬于低滲透介質(zhì)，上覆第四紀填土，較薄，下伏黏土，富水性弱，出水量小，利用設計的抽水試驗裝置進行抽水試驗，井流量較穩(wěn)定，水位自記儀可實時監(jiān)測水位，且儀器精度較高，獲得的試驗數(shù)據(jù)較為理想，并結合潛水非完整井穩(wěn)定井流公式可求取潛水含水層的滲透系數(shù)并對其進行分區(qū)。說明設計的抽水試驗裝置對于低滲透性潛水含水層求參具有一定的適用性。

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