常州微水試驗在確定含水層滲透系數應用對比

秦宗浩

(常州市建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 常州 213000)

水文地質參數是研究地下水運動問題的重要參數[1]。目前，國內測定含水層滲透系數的主要方法為抽水試驗，該試驗常常耗費大量的人力物力，且用時較長[2]，而且對于滲透性較弱、儲水性較差的地層，抽水試驗往往不適用[3]。而微水試驗作為另一種獲取水文地質參數的野外試驗方法，具有操作簡便、試驗周期短及對含水層擾動較低等優點[4-6]。該試驗方法的基本原理是通過瞬時改變井中的水位，使之快速上升或者下降一定高度，觀測水位隨時間的變化關系，進而計算滲透系數等水文地質參數[7]。國外微水試驗的研究開展得較早，研究成果較多，常用的有Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型、Cooper模型和Kipp模型等[8]，國內對于微水試驗的研究主要在國外的研究基礎上進行且在工程實踐中應用較少[9]。因此，本文以常州市某場地承壓含水層的抽水試驗和微水試驗資料為基礎，分別計算土層滲透系數，對兩種方法的試驗結果進行對比分析，為微水試驗在常州地區的推廣應用提供工程實踐。

1 工程概況及試驗方案

1.1 工程概況

本次研究結合常州地區2個工程項目，以本地區研究較多的第Ⅰ承壓層為研究的目標層位。

試驗場地A位于常州市鐘樓區某地塊內，擬建辦公樓1座及地下車庫，根據工程勘察結果結合井位處成井情況，承壓水賦存于④1,⑤1,⑤2,⑤3,⑤4層中，上下相鄰土層為相對隔水層，根據區域水文地質資料，主要由長江、運河水補給。該層頂板平均黃海高程-1.97 m，底板平均黃海高程-28.87 m，層厚約為26.9 m。試驗場地B位于常州市天寧區某地塊內，擬建商業大樓及地下車庫，根據工程勘察結果結合井位處成井情況，承壓水賦存于⑤1,⑤2層中，上下相鄰土層為相對隔水層，該層頂板平均黃海高程-2.00 m，底板平均黃海高程-12.00 m，層厚約為10.0 m(見表1)。

表1 試驗場地土層分布情況表

1.2 實驗方案

本次在場地A內布設6口試驗井(CS1,CS2,CS3,WS1,WS2,WS3)，均為承壓含水層完整井，其中CS1,CS2,CS3作為一組進行抽水試驗，CS1為抽水井，CS2和CS3為觀測井，在WS1,WS2和WS3三口井中進行微水試驗，抽水試驗在完成微水試驗且在水位完全恢復后進行。在場地B內布設6口試驗井(CS4,CS5,CS6,WS4,WS5,WS6)，為承壓含水層完整井，其中CS4,CS5,CS6作為一組進行抽水試驗，CS5為抽水井，CS5,CS6為觀測井，在WS4,WS5,WS6三口井中進行微水試驗，抽水試驗在完成微水試驗且在水位完全恢復后進行。井深結構參數見表2。

表2 井深結構參數表

2 數據分析

2.1 抽水試驗結果

根據抽水試驗實測水位確定其為承壓含水層，按觀測井降深、時間作log(s)-log(t)曲線圖。經分析比對，觀測井前期抽水試驗曲線與泰斯標準曲線基本吻合，見圖1。

表3 抽水試驗結果表

2.2 微水實驗結果

(1)

(2)

(3)

(4)

表4 微水試驗結果表

2.3 兩種試驗結果對比與分析

使用“相對偏差”來評價試驗場地微水試驗和抽水試驗兩種原位測試方法測試滲透系數的差異，相對偏差是使用兩種方法測得的結果之差比上兩者之和的絕對值，計算結果如表5所示。

表5 滲透系數計算值對比結果

從表5中可以看出，微水試驗和抽水試驗兩種試驗方法的相對偏差分布在0.18%～9.74%范圍內，整體上兩者差異性均小于10%，可以看出采用微水試驗在一定程度上能較好的代替抽水試驗對試驗場地的土層進行滲透系數的測定。

但在研究區第Ⅰ承壓含水層中進行的微水試驗測得的滲透系數數值均小于場地抽水試驗數據，造成這一差異的原因主要有兩點：第一點是兩者有著不同的影響范圍，抽水試驗影響范圍更大，反映的是場地較大范圍土層的平均滲透系數，而微水試驗并不像抽水試驗需要連續抽取大量地下水，其影響半徑一般認為在10 m左右[11]，只能反映鉆孔周圍一個較小范圍的土層滲透系數，這決定了在同一個場地內部，由于土層的非均質性，微水試驗測得的結果存在著一定差異。其次鉆孔存在著皮膚效應[12]，即成井過程中，對井四周土層的擾動破壞了鉆孔周圍含水層的性質，從而引起的地質參數發生變化。為此，鞠曉明提出了定量化皮膚效應的公式[13]：

(5)

其中，Q為抽水井抽水流量，m3/s；ΔV為水量變化,m3；Δt為抽水時間，t；ΔH為水頭變化值，m。計算得出兩次抽水試驗的Cw分別為403.53 cm2和459.71 cm2，將Cw和鉆孔的橫截面積176.63 cm2進行對比，判斷皮膚系數為負值，說明鉆孔周圍土層的滲透性在成井過程中受到干擾，土中的細顆粒被帶出了土層，增大了鉆孔周邊土層的孔隙度和滲透率。

3 結論及建議

1)相比于抽水試驗，微水試驗操作簡便、經濟快速、結果可靠，是一種地層滲透性的有效原位測試方法，對常州地區含水層特性及現有成井工藝適用性相對較好，具有推廣應用的可行性。2)在研究區第Ⅰ承壓含水層中，微水試驗測試結果普遍略微低于抽水試驗結果，這主要是因為抽水試驗成井過程中的皮膚效應，較低的皮膚系數表明了鉆孔周邊土層的滲透性較原始地層增大。3)微水試驗影響半徑較小，測得的滲透系數結果難以代表整個地區的滲透系數，應注意地層分布的均勻性和穩定性對結果的影響，在同一場地進行微水試驗時，應結合實際地層情況選取有代表性的區域布設試驗點，同時微水試驗可為場地滲透系數不均一性提供一定依據。