基于Slug試驗測定含水層滲透系數

姚慶健++陳亞運

摘 要：Slug試驗是在地下水位靜止的條件下，瞬時使井孔水位產生一定幅度的變化來評價水文地質參數的原位測試方法，由于其設備便攜，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K值。本文在分析Slug試驗理論模型的基礎上，采用自動監測設備記錄水位，在利用Aquifer Test軟件計算含水層參數。結果表明：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據能準確高效的計算出含水層的滲透系數。

關鍵詞：Slug試驗；滲透系數；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、經濟、不失準確性的特點在國內外快速發展并應用于工程實踐中，Slug試驗的方法克服了室內試驗不準確的缺點，同時相比與抽水試驗，壓水試驗更加高效經濟。

Hvorslev在1951年首先將slug試驗運用到實際現場的水文地質參數計算[1]，而后Ferris和Knowles（1954）在此基礎上進行了改進[2]，cooper（1967）等對承壓含水層參數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總結[5]，Willis （2008）等將其列為水文地質試驗的常規手段及技術標準[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，更沒有相關的操作程序和標準。但是隨著科技發展，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的新方法[7]。蘇銳（2007）將Slug試驗應用到低滲透的裂隙介質中，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]。根據現今的Slug試驗發展，本文以郭屯煤礦某現場Slug試驗實例研究其應用優缺點。

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，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年代初建立和發展起來的。其假設條件是： 試驗井孔為承壓完整井； 均質多孔介質含水層； 地下水流動為達西穩定流； 忽略含水介質的彈性儲水效應，即Ss= 0。如下為該模型的解析解，并可以根據直線圖解法求出相關參數。

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，現場注漿孔結構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，呈現半固結狀，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，砂質不純，多含泥質成分， 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，連續性差，多呈透鏡狀。該層段底部一般為厚層粘土、砂質粘土層，井田西部砂、砂礫層直接覆蓋在下伏地層之上。

4 slug試驗結果處理與分析

4.1 試驗過程及數據采集

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（根據試驗探頭所設）；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，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，結束后取出試驗探頭采集相關數據其水位數據如下圖3。

4.2 試驗數據處理及分析

本文數據處理采用Aquifer Test軟件[10]是由美國Waterloo Hydrogeologic.Inc公司開發，應用于Slug試驗和抽水試驗數據分析，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。將實驗數據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果具有良好的可視化效果。利用上述數據導入軟件，整理擬合曲線后如圖5所示滲透系數為5.08×10-1m/d。

5 結論

（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值，減少了外界干擾，是結果更加貼近實際。

（2）本文試驗數據采用高精度探頭記錄數據，避免了人為記錄的主觀誤差。采用專業的Aquifer Test軟件處理Slug試驗采集的數據，快速準確的求出了含水層參數，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參數影響半徑較小，受局部不均勻性影響較大，比如洗井情況，裂隙發育情況和部分透鏡體的存在都會影響實驗結果。建議在研究區進行多次試驗，找尋具有代表性的試驗場地，作為整個區域的試驗結果。

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的新方法[J].華南地震，1990，10（03）：18-24.

[8]蘇銳.低滲透裂隙介質滲透特征評價技術及其應用研究[D].北京：核工業北京地質研究所，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的求取方法[J].南水北調與水利科技，2014，12（04）：156-160.

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

作者簡介：姚慶健（1992-），男，六安人，在讀碩士，主要從事水文地質研究。