关于水文地质微水试验技术应用探讨

徐礼新

摘要：水文地质试验是工程地质勘察的重要组成部分，本文主要介绍微水试验技术的基础理论和试验方法。

关键词：水文地质试验 微水试验技术分析

在各类工程的水文地质勘察中，地基土的渗透特性是勘察工作的重点,也是设计和施工中关键参数的组成部分。目前，常规确定渗透系数的现场试验主要有抽水试验、注水试验、压水试验等，这些方法主要缺点是试验周期长，耗费人力和物力多，受野外作业条件制约大。在有些工程勘测过程中，具有距离远，条件差，勘察难度大等特点，因此需要引进测试方式简单，操作速度快的水文试验方法。

一、理论基础

近60年来,各国学者提出了超过50余种数学模型，基本包括了从承压到无压、完整井到非完整井各种情况的模型。其中比较成熟的模型主要有Hvorslew模型、Bouwer-Rice模型、Springer-Gelhar模型和Butler模型，实现了过阻尼衰减(承压、无压)、欠阻尼衰减(承压、无压)的数学处理。

1、Hvorslev模型—过阻尼微水试验

Hvorslev (1951)发现水位迅速变化后，恢复到静止水位的速度和时间成指数关系，且恢复的时间与地层的渗透系数有关,同时恢复速率也与井孔的设计有关。在此基础上, Hvorslev针对承压完整井和非完整井的过阻尼微水试验提出一种半解析的方法，根据过滤管与含水层的相对位置，用一个形状因子F来修正公式,可分为过滤管紧邻隔水层、过滤管位于含水层中部、完整井3种情况。完整井的情况为

式中：rc为套管半径；rwe为过滤管有效半径(过滤管半径与过滤层厚度之和)；Kr为影响半径内的含水层水平渗透系数；L为静止条件下饱和含水层中过滤管长度;TL为基本时间间隔；R为微水试验的影响半径,可近似假设影响半径等于过滤管有效半径的200倍。基本时间间隔TL是ht/h0=0.37的时间，h0为瞬时提水后水位下降最大值即最大水位降深，ht为水位恢复过程中随时间变化的动水位。Bouwer研究发现，含水层上边界对渗透系数的影响很小。因此认为，当过滤管或过滤层顶部位于井内水位之下一定距离，可将Hvorslev模型应用于无压含水层。

2、Bouwer-Rice模型—过阻尼微水试验

1976年Bouwer和Rice针对过阻尼微水试验,提出了可计算无压完整井和非完整井的Bouwer-Rice模型，属于半解析的分析方法。1989年Bouwer研究发现，这个模型可用于承压含水层，水平渗透系数公式如下：

因为影响半径R不确定，根据完整井和非完整井两种情况提出了影响半径的计算公式，含有3个无量纲参数，可以用与L/rwe有关的经验曲线确定。

3、Springer-Gelhar模型和Butler模型—欠阻尼微水试验

Bouwer-Rice模型和Hvorslev模型一般用来处理中低渗透性地层。Springer-Gelha对Bouwer-Rice模型进行了修正，适用于无压含水层，而Butler对Hvorslev模型进行了修正,适用于承压含水层,且只适用于非完整井。Springer-Gelha模型为

式中：CD为无量纲阻尼参数；g为重力加速度；le为井中水柱的有效长度。由于Springer-Gelhar模型和Butler模型参数众多，一般采用标准曲线对比法来求取参数。标准曲线由Zlotnik和McGuire提供的公式生成,这些标准曲线纵坐标为归一化的ht/ho横坐标为无量纲时间td。将现场数据ht/ho~t绘制在标准曲线图上，通过改变td值使标准曲线和实测曲线逐步配合,解析出任意配合点的真实时间t*和无量纲时间t*d、无量纲阻尼参数CD。

二、微水试验的现场试验技术

1、现场试验技术

微水试验可以从现场试验技术和数据处理模型两个方面进行阐述。现场试验技术可以概括为五步：（1）将水压传感器放入井孔一定深度（2）将水位扰动设备放入井孔，静待水位稳定（3）使用扰动设备瞬间改变井孔内水位（4）记录水位恢复数据（5）最后用图表的分析方法计算渗透系数值。

瞬时改变水位是微水试验的重要前提条件，目前最常用的是利用一个圆柱体，内部充填砂或卵石，然后两端封闭，或直接使用提水管，通过瞬时提出井内部分水的办法来实现。以上方法为最简单的现场试验技术，对于一般弱渗透性和中强渗透性地层都适用。但对于极弱渗透性地层，由于出水速率慢，完成一个微水试验需要较长的时间，因此又出现了栓塞-微水试验和闭合-微水试验，通过改变套管半径的方法，可以有效缩短试验周期，但缺点是水文孔结构复杂。对于强透水地层，由于水位恢复速度快，采用一般提水管或实心圆柱体难以满足水位的瞬时改变，比较好的办法是使用空压微水试验。在空压微水试验中,井口被密封，通过气压的变化可以达到水位的瞬时变化。当地层渗透性比较低时,每秒钟一次的采数间隔能够满足要求，但当渗透系数高时，需要将采数时间间隔改为1次/0.1s，甚至更小，否则有可能观察不到水位的欠阻尼衰减现象。

2、过阻尼衰减和欠阻尼衰减

微水试验是建立在达西定律的基础上，地下水流动时水分子之间的粘滞力要远比其惯性力明显，惯性力通常在数学分析中忽略不计。当水位变化快速达到最大值后,开始的恢复速度快,随后恢复速度变慢,逐渐停止，未发生原始静止水位附近的振荡，水流初始的动能已在水位达到静止时被水分子之间的摩擦、水柱与井壁的摩擦和水柱增大的势能消耗完毕,称之为“过阻尼衰减”。此种情况多发生在弱渗透性地层和中等渗透性地层中。但在某些情况下,地下水流动所引起的惯性力是不能忽略的。对于强渗透地层，水位恢复速度很快，在达到原始静止水位时，可能还会有剩余的动能克服粘滞力，从而在静止水位上下发生振荡，如同一个有一定阻尼的弹簧，逐渐稳定在平衡状态，此即“欠阻尼衰减”，此时惯性力不能再忽略。

三、微水试验的井孔设计

为了顺利进行微水试验，需要在现场试验之前根据现场的条件预先设计井孔，水文试验井孔不同于一般勘探孔，井孔的结构和质量对水文试验的结果影响很大，但常常为技术人员所忽略。井孔的两个方面对于试验的影响最重要，一是井孔结构，二是洗井的效果。

1、井孔结构

进行钻探施工时，采用何种方法主要取决于水文地质条件和井孔的目的，比如在地下水污染地区设立的监测孔，因为要提取水样进行化学分析，所以在成孔时尽量不要采用可能影响试验结果的外加物质。但不管采用何种成孔技术，在成孔过程中难免会产生大量的碎屑，包括残余的泥浆、破碎的细颗粒等。这些碎屑会聚集在井壁，对紧邻井壁的地层渗透性产生较大影响。水文试验井孔的结构主要包括4个方面：套管、过滤管、环状过滤层、环状止水层。

（1）套管：在微水试验中,套管半径决定了试验的时间和放入井孔中设备(电缆、提筒)的尺寸。水位恢复的时间与半径成正比，即半径越大，试验周期就越长。针对低渗透地层，栓塞微水试验和闭合微水试验，即通过改变栓塞上部竖管的直径达到改变套管直径而缩短试验时间的目的。

（2）过滤管：过滤管有多种,有骨架过滤管、包网过滤管、缠丝过滤管、填砾过滤管等，后三种过滤管都是以骨架过滤管为基础制作,应根据含水层岩性构成和井壁稳定情况选用。如果孔隙率小，地下水会在孔处收敛，产生额外的水头损失，使微水试验的结果复杂化。

（3）过滤层：指位于过滤管和井壁之间的材料,功能是防止细颗粒随地下水流入井中，在井壁稳定的含水层中，过滤层的另一个作用是给上面的环状止水层提供支撑。

（4）止水层：指位于套管和井壁之间的低渗透材料，对非试验含水层进行止水，阻止非试验含水层地下水向过滤管段的垂直运动。对于微水试验，必须保证进入井管的水来自试验含水层,否则会出现异常的结果。如果不设置止水层,水从井中瞬时提出后，水位下降，套管与井壁之间的水所遇到的阻碍小，会首先向下运动进入井孔，表现为开始阶段水位恢复速度快，出现所谓的“双直线效应”。

2、洗井

在成孔过程中会形成大量碎屑,洗井的目的就是清除过滤段地层中的碎屑。对于微水试验而言，这是一项非常重要的工作，但常常又不被重视,以至于试验结果和实际相差甚远。理论上如果不存在皮肤效应，同降深下的曲线应该是基本重合的，即基本时间间隔是相同的。微水试验和抽水试验所计算的渗透系数差异主要源于皮肤效应的影响，并且皮肤效应会造成微水试验结果小于抽水试验。这里需要指出的是，此种说法应该有一个前提条件，即含水层较厚,地层较为均一。因为对同一含水层进行抽水试验和微水试验，从表面看进入水井的水都是同一含水层，但如果含水层较薄或岩性组成变化较大，此时抽水试验和微水试验的实际试验含水层并不一致，因此渗透系数的差异原因不仅仅是皮肤效应引起的，单纯比较两种试验方法的渗透系数大小是没有意义的。

结束语

利用微水试验技术开发机电一体化“地层渗透系数快速测定系统”可以完成现场数据采集、数据摘选、数据处理、自动计算等全部工作。系统操作简单,没有钻机配合也可人工完成，能大大提高生产效率和计算精度，减轻现场人员的工作强度。