新场岩体定压力压水试验数据解译方法的对比

张 明，季瑞利，苏 锐，李杰彪，周志超

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

目前，对高放射性废物进行深地质处置是国际上普遍接受且技术可行的方法，也是国际研究的重点和热点［1-3］。我国在《放射性污染防治法》［4］中，明确规定“高水平放射性固体废物实行集中的深地质处置”。高放废物处置库由天然屏障和人工屏障构成，天然屏障即处置库围岩，是阻止核素进入生物圈的最后一道防线，围岩的水文地质条件很大程度上决定了围岩对核素的隔离作用［5］。

渗透系数是描述围岩水文地质条件的重要参数之一，在裂隙岩体地区，多通过压水试验的方法获得，特别是定压力稳定流压水试验有着广泛的应用。但是在实际操作过程中，稳定流的状态是非常难以达到的，目前，各类手册和规范中的压水试验数据的处理都是将非稳定流过程等效为稳定流过程。国内应用非稳定流方法求解渗透系数的应用较少，张祯武（2004）等分别就定压力非稳定流和定流量非稳定流压水试验推导了适用公式，并且利用标准曲线拟合的方法进行了实例计算［6-7］。 李金轩（2004）等尝试从分解渗流维数的角度对低渗透裂隙岩体压水试验的非稳定流求解进行了探讨［8］。国外常用的非稳定流模型主要有Jacob﹠Lohman模型、Hurst-Clark-Brauer模型和Barker模型等，且针对不同的含水层给出了不同的适用模型，并将这些不同的算法集中到软件中，实现了对非稳定流压水试验的快速处理［9-11］。

以高放废物地质处置北山预选区新场岩体三个深钻孔的定压力压水试验为例，分别从压水阶段数据求解、压力恢复阶段数据求解和特殊试验段参数求解3个方面入手，对稳定流公式法和非稳定流参数拟合法进行了对比，得到了渗透参数的筛选原则。依据此原则，得到了新场岩体BS17～BS19三个深钻孔渗透参数的概率分布图，并对该岩体的渗透性进行初步评价。

1 研究区概况

甘肃北山预选区新场岩体是我国高放废物地质处置库北山预选区中的有利岩体之一，新场岩体主要围岩包括二长花岗岩和花岗闪长岩，并有少量石英闪长岩等［12］，花岗岩体断裂构造不发育，岩体完整性较好，是高放废物处置库较适宜的预选地段之一。新场岩体地下水主要由山地基岩裂隙水、沟谷洼地孔隙-裂隙水和盆地孔隙-裂隙水3种类型组成，地下水主要来源为大气降水入渗补给［5］。

目前，已在新场岩体施工四个深钻孔（BS06、BS17～BS19），按照10 m的试验段长度累计进行了200余段的定压力压水试验。压水试验所用设备为国际原子能机构援助的双栓塞水文地质试验系统，可以进行抽水试验、压水试验和slug试验等，是研究深部岩体渗透性的重要工具。在试验过程中，利用两个可充气的栓塞，将整个钻孔分为3个部分，并在每部分安装一个压力传感器，可以实时观测试验段上部和下部的水压变化情况，从而判断栓塞封隔效果，以便及时作出调整。在BS17～BS19的定压力压水试验过程中，基本遵循两个压力阶段和一个恢复阶段的原则，图1为新场岩体典型压水试验的基本步骤。在试验数据的处理上，分别利用稳定流公式法和非稳定流参数拟合法对渗透系数进行求解。

图1 新场岩体定压力压水试验基本步骤Fig.1 Procedure of Constant Head Injection test performed in Xinchang block

2 压水阶段数据解译

对于定压力稳定流压水试验来说，对于渗透系数较低的试验段，压水过程中的流量基本呈现随着压水时间的延长而稳定下降的趋势，即受渗流边界和试验段内裂隙性质的影响，渗流会逐渐达到稳定状态。对于近似的稳定流压水试验，利用稳定流法和非稳定流法计算得到的渗透系数差异较小，而且利用稳定流公式法可以较为快速地获得试验结果。但是比较多的定压力压水试验的近似稳定状态难以实现，而且流量的变化趋势不一定是趋于稳定，也有可能流量随着压水时间延长而突变，目前普遍使用的稳定流公式基本假设都是将非稳定流假设为稳定流过程，即忽略压水过程中的渗流方式的不同，而实际的压水试验类型是不同的，这时再应用稳定流公式法就明显不合适了。

另外，若要利用稳定流公式对压水试验进行数据处理，需要渗流基本达到稳定状态，虽然在大部分的压水试验中，流量有趋于稳定的趋势，但是无法判断何时达到稳定。笔者在现场试验过程中曾经将压水时间延长到接近2 h（图2），但是流量仍未达到稳定，由于稳定流公式中的流量数据需使用压水末端流量的平均值，这时，利用稳定流公式法得到的渗透系数的误差较大，如果等待流量达到稳定，则耗时较长，成本较高。

图2 压水时间延长后流量的变化趋势Fig.2 Flow rate trend when injection time extended

目前，国内应用非稳定流方法对压水试验数据进行分析求取渗透系数的应用较少，国外多利用相关软件进行非稳定流的参数计算。目前国外利用较为广泛的非稳定流水文地质试验处理工具主要是AQTESOLV、Aquifer Test和Flow Dim等软件，笔者选用应用较为方便的AQTESOLV软件作为数据处理的工具。针对稳定流公式方法存在的两个问题：渗流模式单一和流量数据代表性较差的问题，利用AQTESOLV软件均得到了较好的解决。

AQTESOLV软件中提供了承压模式、越流模式和裂隙模式3种不同类型的数据处理模型，并在每种模型中提供了多种不同的算法（表1列出了常用模型和算法）。在数据处理过程中，可首先根据流量及其导数的变化形态判断渗流形态，再根据渗流形态选择不同的模型进行计算。一般对于近似线性流多用单裂隙含水层的模型计算；近似辐射流多用承压含水层的模型计算；对于明显存在越流的试验段，则利用越流含水层模型进行渗透参数的计算。由于可针对不同的渗流形态选择不同的模型进行参数计算［11］，相对来说，利用非稳定流算法计算得到的渗透系数较为真实。

表1 AQTESOLV中常用渗流模型和算法Table1 Flow model and solutions used in AQTESLOV

利用压水阶段数据进行拟合获得渗透系数的过程中，AQTESOLV软件主要利用流量及其随时间的导数数据进行曲线拟合（图3），为了判断基本的渗流形态，需要综合利用压力和整个压水阶段的流量数据，较稳定流公式法中仅用压水末端流量数据可信度更高。

图3 压水阶段参数拟合图Fig.3 Curve matching of injection period

综上所述，在定压力压水试验的压水阶段，非稳定流较稳定流公式法利用数据多，可针对不同的渗流类型选择不同的渗流模型，相对来说，非稳定流参数拟合的方法获得的渗透系数更为可靠。

3 压力恢复阶段的数据解译

在压水试验现场实施过程中，由于试验段较为完整，受流量测量仪器量程的限制，可能测不到流量的变化趋势，只能根据压入试验段水的体积推导流量值。当整个压水过程中压入水的体积无法准确测得时，只能根据流量计的最小量程推导压水过程的极限流量。若压水过程历时30 min，但是流量计的体积示数基本没有变化，在流量推算过程中，只能假定在此过程中压入试验段的水量最大为0.1 L，即最大平均流量为0.0033 L·min-1。但是在利用稳定流公式计算渗透系数的过程中，利用最大平均流量必然会导致渗透系数偏大。利用AQTESOLV软件进行参数拟合计算渗透系数时，由于流量保持不变，必然导致流量的变化曲线为直线，流量的导数为0，而该软件是利用流量及其导数进行参数拟合的，很容易造成参数多解。如图4所示，同一个试验段，由于其压水阶段压入试验段的体积无法准确测得，同一组数据可得到两组不同的渗透系数值，单纯的利用压水阶段的数据进行参数拟合，渗透系数的可信度就大大降低了。

图4 无流量数据压水阶段参数拟合的多解现象Fig.4 Indeterminacy of conductivity when flow rate below measurement limit of injection period

在非稳定流参数拟合中，可以选择压水试验结束后试验段压力恢复的数据进行参数拟合。同压水阶段参数拟合一样，压力恢复阶段的参数拟合也分为承压含水层、裂隙含水层和越流含水层3种基本模型，不同的模型适用的流场形态也与压水阶段一致。压力恢复阶段的参数拟合基于压水阶段的流量和压力数据。相对于压水阶段参数拟合来讲，压力恢复阶段有以下几个明显的优点：①对数据的利用率更高。压力恢复阶段的参数拟合是基于压水阶段的，主要拟合对象为压力及其导数；②避免了多解现象的产生。在完整岩体的试验段，通过延长压力恢复时间的方法，可以观测到比较完整的压力恢复数据，因此压力恢复数据存在一定的曲线形态，而且其导数也不可能为0，有效地避免了多解的产生；如图5所示，由于恢复数据导数的使用，有效避免了多解的产生，渗透系数的可信度也大大提高。

图5 压力恢复阶段参数拟合Fig.5 Curve matching of recovery period

4 特殊试验段的处理

在压水试验的现场实施过程中，最为重要的一点就是保证栓塞的封隔性，即确保试验段与试验段上部或下部岩体不存在直接的水力联系。但是在现场实施过程中，由于试验段裂隙较为发育，导致试验段内裂隙与试验段上部或下部连通而造成封隔失效。如图6A所示，当栓塞有效封隔时，试验段上部水位应为近似水平，当封隔失效后，试验段上部水位会随着压水试验的进行上升。当封隔失效时，需要移动上下栓塞封隔点的位置或者延长试验段的长度，导致人力和时间成本较高。当调整双栓塞位置后可能依然存在无法有效封隔的现象，这时，只能按照近似有效封隔继续试验。这样在进行数据处理时如果继续按照承压含水层模型利用稳定流公式进行参数计算必然不合理，会造成渗透系数的较大误差。

AQTESOLV软件提供了针对存在越流的试验段的数据处理方法，并分别针对试验段上部存在弱透水层（即试验段与试验段上部存在水力联系）和试验段上下部均存在弱透水层的现象提供了不同的算法。图6B为试验段与上部含水层存在水力联系时的流场模型，这种情况下主要利用Hantush算法进行参数拟合（图6C）；当试验段与试验段上下部均存在水力联系时，主要应用Moech算法。针对不同的越流情况，分别使用这两种方法，可以较为准确地刻画含水层，求得更为准确的结果。

图6 越流情况下的渗流模型及参数拟合Fig.6 Flow model and curve matching of leaky confined tests

图7 稳定流公式法与压水阶段参数拟合法计算结果对比Fig.7 Conductivity comparison between steady formula and curve matching of injection period

5 渗透系数筛选

根据稳定流公式法、压水阶段参数拟合法和压力恢复阶段参数拟合法，对同一试验段可以求得3组渗透系数。对于定压力压水试验的末端流量趋于稳定的试验段，各种方法求得渗透系数不会有太大的差异，但是对于前面提到的存在越流的和试验过程中无法测得流量的试验段，各种方法求得的渗透系数之间可能会有较大的差异。图7为稳定流公式法和压水阶段参数拟合法计算结果的对比图（KF为稳定流公式法得到的渗透系数，KD为压水阶段参数拟合得到的渗透系数）。由图7可见，两种方法得到的渗透系数基本一致，两者相差在10倍之间，渗透系数低于10-10m·s-1时，两种方法得到的值偏差较小，且明显分布较为分散，但是在10-10～10-11m·s-1区间内，渗透系数明显分布集中，这是因为当试验段渗透性较低时，由于流量计量程限制（精度为0.1 L·min-1）无法准确测得压水过程中流量的变化趋势，只能获得压水过程中压入试验段的水的体积，而且存在压入试验段的水的体积不足0.1 L的情况，即低渗透性的试验段可以观测到的流量较为接近，无论是利用稳定流算法还是利用压水阶段的数据进行参数拟合，都需要利用流量数据，这必然会导致渗透系数的集中分布。

通过压水阶段和压力恢复阶段的参数拟合结果可以看出（图8，KR为压力恢复阶段参数拟合结果），两者的差值仍然在10倍左右，但是由于在压力恢复阶段中，起参数拟合作用主要是试验段压力恢复数据，压水过程中的流量数据起辅助作用，这样无论压水阶段试验段的流量值如何接近，在压力恢复阶段，其压力恢复曲线形态和压力恢复速度都会存在一定的差异，这样，在低渗透性的试验段，其渗透系数集中分布的现象也会得到大大的缓解。

图8 压水阶段与压力恢复阶段参数拟合结果对比Fig.8 Conductivity comparison between curve matching of injection period and recovery period

6 结 论

稳定流公式法适用的渗流类型较为单一，压水阶段参数拟合法则适用的渗流类型较多，且由于压水阶段参数拟合利用的数据量较大，其结果也更为可信；压力恢复阶段和压水阶段参数拟合相比，压力恢复阶段参数拟合所用的数据量更大，而且利用压力恢复阶段参数拟合可以明显地缓解由于流量计量程限制带来的渗透系数的集中分布现象。另外，在压水阶段，需要外界（潜水泵）提供压水压力，现场的各种设备和电力设施必然会对压力传感器存在影响，而在压力恢复阶段，所有的外界设备可停止工作，压力传感器受到的干扰较小，其精度也更高。

在渗透系数的筛选过程中，首先选用压力恢复阶段参数拟合的结果作为试验段的渗透系数，而稳定流公式法可作为现场渗透系数快速求取和判断的方法。依据此原则，笔者得到了新场岩体BS17～BS19三个钻孔渗透系数的概率分布（图9），可以看出，三个钻孔的渗透系数均低于10-6m·s-1，除了个别试验段裂隙较为发育导致渗透系数较高外，超过85%的试验段渗透系数不高于10-8m·s-1，证明该岩体属于低渗透性岩体，有利于有效阻滞或减缓放射性核素的迁移和扩散。

图9 BS17～BS19钻孔渗透性概率分布图Fig.9 Conductivity probability distribution of borehole BS17～BS19

在试验过程中，当试验段岩体较为完整时，无论是使用稳定流公式法或压水阶段参数拟合法，均存在渗透系数集中分布的现象，如果使用更高精度的流量计，亦可有效缓解此现象。

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