微水试验在湖西堤裂隙粘土渗透试验中的应用

徐连锋 马东亮杨正春李剑修 陈 亮 雷 文季纯波

一、湖西堤地质概况

南四湖地区位于沂蒙山前冲洪积平原与鲁西南黄泛冲积平原交接洼地处，出露地层主要为第四系松散土层，浅层沉积物以裂隙粘土为主，主要分为三层：

（1）第四系全新统冲积层（Q4al）：主要为褐、褐黄色软塑～可塑状粘土，局部夹轻粉质壤土、砂壤土，多见贝壳碎屑及小螺壳。

（2）第四系全新统湖沼积堆积层（Q4fl）：主要为灰黑、灰色流塑～软塑状粘土，夹有较多淡水贝壳及小螺壳，局部夹有淤泥质粘土，有机质含量高，有臭味。

（3）第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）：主要为棕褐、褐黄色可塑～硬塑状含姜石粘土、壤土、砂壤土，局部分布有粉细砂。

本区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水和裂隙潜水。地下水主要分布在冲洪积、洪积第四系松散层中，潜水主要分布在裂隙发育的粘土中，含水层分布连续性、均匀性较差。裂隙粘土一般厚度2～5m，室内试验渗透系数多为10-6～10-7cm/s，现场试验渗透系数为10-2～10-3cm/s。该粘土渗透系数大的主要原因为粘土沉积后在失水收缩干裂后形成原生的收缩裂隙，遇水膨胀，裂隙基本闭合，经多年后形成连通性较好的裂隙，而且该层粘土属全新统近期沉积层，植物根系发育，裂隙与植物腐烂根系形成的孔洞和虫孔等孔洞逐渐连通，使该类土具有中等～强透水性，富水性较好。

为研究本层渗透特性，结合裂隙粘土渗透稳定行研究课题的试验工作，引进微水试验，部分钻孔并进行抽水试验，以对比试验的可靠性。

二、微水试验

1.微水试验简介

微水试验（或冲击试验、slug tests等）在国外20世纪50年代初由Hvorslev等学者首先建立模型，提出了其简便算法，之后一些学者对承压含水层参数的求解进行了修正；Bouwer 和 Rice （1976） 、Bouwer（1989）增加了考虑井阻和几何尺寸等因素的承压、半承压、潜水层的理论计算方法。之后Campbell（1990）等对各种方法以及它们的适用范围进行了归纳和总结。

在国内，殷积涛等（1992）将该方法运用到地震领域中；陈则连（2009）则把微水试验应用在铁路水文地质勘察中；黄贤龙将微水试验运用于高渗透性含水层的测量并取得与抽水试验相对一致的结果。本文介绍了在南四湖西堤进行的微水试验和抽水试验成果，并从二种试验的结果、投入、效率等方面进行分析对比，综合评估微水试验在水文地质勘察中的实用价值。

2.微水试验原理及试验设备

微水试验原理为瞬时使测井内水位发生微小变化（降低或升高），利用专用探头测量探头位置的水压变化，观测记录水位的自然恢复过程，根据测井内微小水头的变化与含水层的渗透性以及测井的半径、测井滤管等参数关系求得地层的渗透系数。

微水试验设备主要包括探头、电缆、传输线、电源设备、配备终端数据采集软件的计算机。测量水压力的探头通过电缆连接到电源设备，然后通过数据传输线连接到计算机上，这样测量的数据就可以在计算机数据采集软件中记录下来。因此利用微水试验获取含水层水头压力变化资料时，探头不仅需要很高的测量精度，对试验数据还需要较高的采集频率。

试验区为潜水含水层，故计算模型主要应用Bouwer和Rice潜水井模型。该模型基本假设：1）不考虑含水层弹性释水的影响；2）假设试验过程中含水层厚度不变。根据测井水位变化、恢复时间、试验钻孔相关参数与含水层渗透系数关系建立模型，并简化求解为

式中：Kr——径向渗透系数；rw——有效滤管半径；rc——有效钻孔半径；b——含水层厚度；H0——测井内相对于探头的最大水位,H0=H（0）；H（t）——t时刻测井内相对于探头的水位；Re——微水试验的影响半径；t——测试时间。

3.微水试验过程

微水试验主要分三部分：（1）瞬时改变测井水位；（2）记录测井水位瞬时变化后的水位恢复过程，绘制H-t水位恢复曲线，t为开始注水到注水完成的时间；（3）应用相应计算模型求解水文地质参数，采集得到的数据通过公式（1），结合 ln（H（t）/H0）—t曲线拟合斜率及相关试验参数即可求出土层渗透系数。

表1 各孔微水试验渗透系数计算成果表

表2 钻孔抽水试验和微水试验结果对比表

表3 与前期渗透试验资料的对比

4.微水试验成果

试验点选在山东省鱼台县西姚和李户两村附近，共4孔；1、2号孔依次在西姚村堤顶截渗墙迎水侧及背水侧堤脚；3号孔、4号孔位于在李户背水侧堤脚。

试验数据整理过程以3号钻孔微水冲击试验为例说明。3号钻孔位于李户段堤防背水侧堤脚外1m；钻孔稳定水位埋深0.64m，孔深5.3m。

图1为3号孔第一组微水试验水位恢复曲线图，探头位置注水前水位为0.664m，注水后最大水位为0.839m，对应时刻为第35s，水位恢复时间约为340s。图2为以水位恢复过程第35s作为初试时间绘制的ln（H（t）/H0）—t曲线，此曲线拟合直线的斜率约为-0.0184，即为公式（1）的最后一项，其它相关参数代入公式（1）计算得渗透系数为2.72m/d（或3.15×10-3cm/s）。

各孔相关试验参数及微水试验计算结果如表1。

从计算的结果来看，渗透系数在3.15×10-3～6.40×10-4cm/s。

5.抽水试验成果

本次微水试验同时对西姚的1号，2号和李户的4号进行了单孔抽水试验，由于含水层较薄，均取一个降深，采用裘布依公式计算。计算结果汇总见表2。

抽水试验计算的渗透系数为4.00～8.70×10-3cm/s。

三、结论

1.试验成果对比

与本次抽水试验的结果对比（详见表2），微水试验渗透系数一般在1.0×10-3cm/s左右，结果偏小一些，同孔抽水试验一般是微水试验成果的2.5～9.8倍。

与前期勘察资料对比（详见表3），微水试验大致接近注水试验的计算成果。

原因可能是：微水试验的水位差小、时间短，试验影响半径比较小，测试成果仅限于钻孔范围土层；而对于裂隙粘土，裂隙、孔洞的分布不是均匀的，抽水试验降深大、影响范围大，且随时间增加，含孔洞、裂隙的部位因受冲刷，流量会增加，甚至含越流补给，故渗透系数偏大；而注水试验与微水试验条件较接近，但水头小、时间短。因此，微水试验计算的结果比抽水试验小，与注水试验成果较接近。

表4 微水试验和抽水试验投入对比

2.试验效率分析

抽水试验与微水试验均需要在钻孔中进行，钻孔、洗孔的程序和耗费的时间和材料是一样的。抽水试验一般需要三个降深，单孔抽水稳定延续时间不应少于4小时，完成一组（三个降深）抽水试验大约需要1天半至2天的时间；多孔抽水稳定延续时间不应少于8小时试验，并且以最远观测孔的动水位波动情况确定，完成一组（三个降深）抽水试验大约需要3天半至5天的时间。投入的人员数量和设备差异很大。微水试验和抽水试验的投入人员、设备、时间对比如表4。

可以看出，微水试验的投入时间要远远少于抽水试验，并且在设备上携带方便，安装简单，投入人员少，成本低，从经济成本上来说比抽水试验要节省的多。

3.两种试验特点分析

目前国内渗透系数主要通过抽（注）水试验手段获得，它的优点是国内已有操作规范，理论、工艺要求非常成熟，适用于大多数地层测试渗透系数。但是抽水试验过程比较繁琐、稳定过程缓慢，并且耗费资金较多，对成孔质量、孔径要求也较高。

微水试验只要求钻孔孔径大于探头（探头直径26mm）即可。目前小口径钻进已经广泛应用于实际工程，而抽水试验在小口径钻孔中难以进行，而微水试验正好弥补了该方面的缺欠，由于计算机技术的应用和精密仪器的快速发展以及岩土体渗透性参数现场快速测试系统的软、硬件条件均已发展成熟，为微水试验测渗透系数提供了前提条件，可以快速完成现场数据采集、数据摘选、数据处理等工作，可以提高生产效率和计算精度，减轻现场人员工作强度。

微水试验不仅能用来确定含水层的渗透系数，还可以确定含水层的导水系数、对贮水系数做数量级上的估计。而且由于试验时间短，所需设备、操作人员少，且易执行，所以具有经济简便的优点，在国外以及我国台湾地区已经被广泛应用于岩土体渗透性参数确定