定壓非穩流壓水試驗求水文地質參數方法

陳志強 高成城 任水源 歐宇

摘要：針對傳統呂榮試驗的諸多不足和限制，通過建立含水層在定壓壓水條件下的非穩流場數學模型，利用定壓壓水試驗非穩流階段的觀測結果，分別采用直線法、配線法和迭代法推求出了巖體的滲透系數、壓力傳導系數和單位儲水系數等水文地質參數。結果表明：采用不同計算方法求得的巖體滲透系數較為接近，而壓力傳導系數和單位儲水系數對計算方法更為敏感；直線法和配線法易受到觀測精度等因素的影響；迭代法適用性較強，可以有效避免人為數據選取和一些精確度較低的觀測值的影響。

關鍵詞：壓水試驗；非穩流；迭代法；水文地質參數

中圖分類號：TV139 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.031

在水利水電、交通、采礦以及核廢料處理等工程建設中，巖體滲透系數、壓力傳導系數、單位儲水系數等是必不可少的水文地質參數。在目前的工程勘測中，計算簡便的呂榮試驗使用最為廣泛[1]。然而，呂榮試驗所要求的穩定水流條件在實際勘測中往往難以達到[2]，而且用近似穩定流階段的單點試驗數據進行地下水流計算，不可避免地會導致較大的計算誤差[3]。為保證勘測的準確性，需要較高的試驗觀測精度，或通過多次、多段壓水試驗進行參數校正[4]，此外還需要根據巖體中紊流、層流、擴張、劈裂、沖蝕和淤堵等現象采取不同的取值方法[5]，更為重要的是，呂榮試驗僅能求出巖層的飽和滲透系數，不能得到全面的巖體水文地質參數[3]。

實際上，在壓水試驗中，非穩流是一種常見狀態，尤其在試驗初期，巖體中的流場隨時間的變化十分顯著，流場的變化過程是巖體水文地質參數的反映。因此，本文嘗試采用定壓壓水試驗中的非穩流測量數據推求巖體的水文地質參數。

1 模型與計算方法

1.1 定壓三維非穩流壓水試驗數學模型

在壓水試驗中，試段往往不能貫穿整個潛水含水層，理論上應將該試段作為不完整注水井，但不完整井數學模型參數推求需要信息較多，而且大多數情況下難以將整個含水層進行均質化處理以滿足非完整井的求解條件[2]。事實上，當含水層厚度較大時或試段長度相對于含水層厚度較小時，注水試段在整個含（導）水層中可以看作一個點源，非穩流壓水試驗水流場可以概化為三維球形擴散流，該非穩流壓水試驗的水流場方程及定解條件為

在進行求解時，先設定各參數一組初值，然后代入水流場模型進行迭代計算，直至兩次求解得到的參數值的差異小于設定的誤差閾值，即滿足式（13）時，便認為得到的參數是所要求的水文地質參數。由于這種方法難以通過人工計算進行求解，因此采用VB6.0語言開發的程序進行計算。

2 計算實例

2.1 定壓壓水試驗

壓水試驗在貴陽鹿角壩地區進行，該地區屬典型的喀斯特峰叢洼地地貌。以往勘測資料表明，該地區潛水位約為1285m，其中1235m高程以下巖層的透水率在3Lu以下，可以作為隔水層處理，潛水含水層的總厚度約為34.3m。

壓水試驗的各試段參數見表1，各試段高程分布在潛水面至其下19.3m范圍內。各試段長度相對于潛水層總厚度較小，因此各壓水試段可以看作點源。在兩個主裂隙發育方向設置觀測孔進行觀測，觀測孔直徑為91mm，距離注水井2～3m。在試驗過程中，采用BL-YW500液位計自動測量并記錄注水井水位，將流量表和三角堰結合起來測量壓水開始后第2、4、6、8、10、12min的觀測孔流量。

2.2 結果與分析

依據各試段壓水試驗觀測結果得到的P-lgt關系（見圖1），線性擬合結果表明，各試段得到的尸一lgt線性復相關系數R2均在0.9以上，即具有顯著線性相關關系。根據各線性擬合函數及測量得到的含水層厚度，采用式（8）可推求巖體水文地質參數。

在采用配線法進行參數推求時，首先在各試段壓水試驗的觀測結果中分別選取一組Q1、Q2值，采用式（9）計算相應的β值，然后在β-lga線中查出相應的壓力傳導系數a，得到各試段的β和a值，見表2。根據表2及其他觀測結果，采用式（10）和式（11）可以求出巖體的滲透系數和單位儲水系數等水文地質參數。

迭代法求得的各試段流量觀測值與計算值見圖2，可以看出，當迭代計算結束時，觀測孔處的流量計算結果與實測結果十分接近，除個別值外，計算結果的相對誤差均在3%以下，而均方根誤差均在0.8L/min以下，顯示出較好的計算精度，此時模型采用的計算參數即為各試段水文地質參數。

采用直線法、配線法和迭代法推求的各試段水文地質參數值見表3。可以看出，不同計算方法得到的水文地質參數的值并不相同，通過比較可以發現，各方法計算得到的巖體滲透系數較為接近，壓力傳導系數和單位儲水系數的計算結果則存在顯著差別。說明這3種方法計算巖體滲透系數均較為可行，但壓力傳導系數和單位儲水系數對計算方法更為敏感，因此在計算方法的選取上要更為慎重。

采用直線法和配線法時需要同時用到注水井處的地下水水位和觀測井處的流量觀測值。由于壓水試驗的持續時間僅12min，注水井處的地下水水位往往在觀測初期發生顯著變化，其上升幅度達到2.5～3.5m，在其后的觀測過程中不再發生顯著變化，例如在2-12min變化幅度僅5～10cm，因此若非采用十分精確的觀測手段，則難以準確得到地下水水位變動過程，從而導致計算結果出現較大誤差。由于在配線法中僅采用一組流量觀測結果進行試算，因此觀測數據的選取對計算結果有顯著影響。

相對而言，盡管迭代法的計算過程較為繁瑣，但是通過編程求解也能較為方便地得到各水文地質參數的計算值，而且由于迭代計算的假設條件少，理論基礎更為嚴格，因此其適用性更強。更為重要的是，迭代法是綜合所有試驗觀測數據得到的最優參數計算結果，避免了人為選取數據導致的誤差，而且這種方法并不依賴特定的觀測結果，在試算過程中可以僅采用精確度更高的觀測結果（如流量）與計算結果進行比較，避免了一些觀測精度不太高的觀測值對計算結果的干擾。

3 結語

直線法、配線法、迭代法求得的巖體滲透系數較為接近，壓力傳導系數和單位儲水系數對計算方法更為敏感；迭代法相較而言適用性較強，可以有效避免人為數據選取和一些精確度較低的觀測值的影響。

參考文獻：

[1]張承志.鉆孔壓水呂榮試驗及應用[J].西北水電，1994（2）：21-24.

[2]張禎武，李興成，徐光祥.利用定壓力非穩定流壓水試驗求水文地質參數[J].巖石力學與工程學報，2004，23（15）：2543-2546.

[3]張禎武，陳官權，徐光祥.利用呂榮試驗資料計算水文地質參數的新法壓水試驗方法[J].工程勘察.2003（4）：19-22.

[4]戴亮，楊霞.呂榮式壓水試驗方法在勘測中的應用[J].東北水利水電，1992，10（9）：35-38.

[5]葉世雄，王紅喜，鐘靈.中美規范中呂榮值的異同及幾點建議[J].江西煤炭科技，2007（4）：96-97.

[6]中華人民共和國水利部.水利水電工程鉆孔壓水試驗規程：SL 31-2003[S].北京：中國水利水電出版社，2003；25-26.