混合抽水试验在深埋含水层地区水文地质勘查中的应用

汪 力，李方会，杨刚忠，林肖荣，陈 敏

(湖北省宜昌地质勘探大队，湖北宜昌 443100)

0 引言

在矿区水文地质勘查中，对存在多个含水层的工作区，为评价勘查区的水文地质条件，凡具备进行分层抽水试验条件的，大都采用分层抽水试验方法，以分别评价各含水层的含、富水特征和水文地质参数。但此方法一般都是在止水深度＜150 m或最深为200 m的情况下才可能实施。然而，当含水层埋深达到四五百米甚至更深时(如宜昌磷矿北部和兴神保磷矿、铅锌矿整装勘查区等)，要进行分层抽水试验，必须要下入不少于四五百米的止水管材，这样会极大增加施工难度;而且受套管丝扣强度所限，常常还会因为管材自重过大，导致在下管过程中出现脱扣、断管问题而达不到止水目的;或者是在套管起拔过程中出现拉断套管现象，从而贻误勘查工作周期，而且往往因此而造成重大的经济损失。基于上述情况，本着既能获得各含水层的水文地质参数，又可免除下入数百米止水套管之虑，采用对埋深浅的含水层分层抽水、埋深大的含水层为混合抽水试验的方法，这样不仅可较经济、合理地查明或基本查明勘查区的水文地质条件，同时也为实施水文地质试验提供了较便利的条件，从而解决深埋含水层获得水文地质参数的难题。

1 相邻含水层贯通后的水力联系状态分析

钻孔(井)揭露两个或两个以上在自然条件下无密切水力联系的含水层时，由于各含水层的静水位(压)往往不一致，为要达到新的水力平衡，静水位(压)较高的含水层必然会向静水位(头)较低的含水层进行补给，并在水位(头)较高含水层排出的水量与静水位(头)较低含水层吸收的水量相等时，孔(井)内的动水位才会静止，即所谓混合静水位。如图1所示，A含水层静水位较B含水层的静水位高，形成的混合静水位处于A、B两含水层的静水位之间，在此情况下，qA×S01=qB×S02，即A含水层构成自然排水，其排出的水量被B含水层吸收，且排出量与吸收量相等。而形成的混合静水位如果更靠近某一含水层的分层静水位，则反映该含水层的渗透性和富水性要较另一含水层为大。如图1中S02＜S01，说明B含水层的单位吸(涌)水量(qB)要大于A含水层的单位吸(涌)水量(qA);当B含水层的渗透性和富水性很大时，A含水层排出的水量完全被B含水层吸收，从而出现混合静水位与B含水层的静水位相同或基本相同的情况，此情况在含水层的富水性差异很大的勘查区屡见不鲜。倘若是揭露了三个或三个以上含水层，钻孔(井)内地下水为了要达到新的水力平衡，各含水层间同样也会出现排水、吸水作用，并最终形成新的混合静水位。

图1 混合静水位与分层静水位关系示意图Fig.1 Schematic diagram of relationship between mixed static level and layered static level

2 混合抽水试验应用条件

所谓混合抽水试验，是指在同一抽水试验孔(井)中对两个或个以上含水层同时进行的抽水试验。但要可靠地分别计算各含水层的水文地质参数(如渗透系数和单位涌水量等)，则必须要有不少于一个含水层的分层抽水试验成果，并较为准确地确定了该含水层的渗透系数等参数才有可能;而且还需要测定各含水层的分层静水位资料。各含水层的分层静水位观测可以通过专门加工的带有橡皮圈或止水胶球的钻杆止水器实测(图2)。若抽水试验孔(井)中只测定混合静水位，则仅据混合水位确定的降低值将难以可靠地确定混合抽水试验各含水层相应的水位降深值，从而不可避免会使计算含水层的水文地质参数的准确性大大降低。

对存在多个含水层的工作区而言，在地质体上部一般会有一个或两个含水层可以进行分层抽水试验，这就为应用混合抽水试验与成果计算提供了可能性。因此，必须对勘查区上部含水层的分层抽水试验工作予以高度重视，并使其试验成果完全满足现行有关规范、规程要求，此乃是提高混合抽水试验成果分析与计算精度的最重要一环。

3 混合抽水试验步骤与方法

如前所述，本文中所指的混合抽水试验是在混合试验层中有1层或2层的水文地质参数为已知，然后通过混合抽水试验成果计算另一含水层的水文地质参数。因此，其试验工作大都是自上而下进行。现为叙述方便起见，以试验钻孔中存在三个含水层，并均为稳定流抽水、无限补给、水动力性质为承压水为例(图3)简述于后:

图3 混合静水位与分层静水位关系示意图Fig.3 Schematic diagram of relationship between mixed static level and layered static level

(1)钻孔钻进至A含水层底板以下一定深度(一般为底板以下1～3 m)后，捞渣、洗孔，并测定静止水位，然后安装抽水设备，对A含水层进行抽水试验。最后根据含水层的边界条件、水力性质等，核算该含水层的渗透系数K等参数。

(2)换径钻进达到B含水层底板以下适当深度(一般进行入隔水底板层厚的1/3至1/4即可)，下入钻杆止水器至换径深度处，从钻杆内测定B含水层的静水位;然后起拔钻杆止水器，测定A、B含水层的混合静水位;最后安装抽水设备，对A、B两含水层进行混合抽水试验。

(3)根据混合抽水试验的水位降低(S混1)和A含水层的分层静水位，算出此时A含水层的实际相应水位降低值(SA);然后按A含水层的渗透系数(KA)和含水层厚度M1，以及其边界条件、水力性质等，采用相应的涌水量计算公式算出混合抽水试验S混1时A含水层的涌水量QA，则B含水层在A+B含水层混合抽水时的实际涌出量即为Q混1－QA。

(4)根据B含水层的分层静水位，计算混合抽水试验在降深S混1时，B含水层相应的水位降低SB(在图3中，SB=S混1－S02);然后按B含水层的边界条件、水力性质、含水层厚度M2、影响半径RB(单孔抽水时，按经验公式计算;若有观测孔则按观测孔与主孔间距及主孔和观测孔水位降低计算RB值)和抽水孔半径(r)等，采用相应的公式计算B含水层的渗透系数KB和单位涌水量qB等参数值。

以图3所示，并假定各含水层均为无限补给边界的混合抽水试验和完整井为例，则B含水层的渗透系数和单位涌水量计算式［1］即为:

式中:KB为B含水层的渗透系数(m/d);Q混1为A和B含水层混合抽水试验第一落程的涌水量(L/s);S混1为混合抽水试验第一次水位降低值(m);QA为根据A含水层分层抽水试验确定的渗透系数(KA)，计算其水位降低至S混1深度时相应的涌水量(L/s);S02为A、B含水层混合静水位与B含水层静水位的差值(m);RB为B含水层在S混1－S02水位降低时的影响半径(m);R为抽水试验钻孔在B含水层孔段的半径(m)。

(5)在A、B含水层的渗透系数分别已计算确定的情况下，若再进行A+B+C三含水层混合抽水试验，则同理亦分别根据实测的分层静水位计算出在混合抽水试验水位降低S混2时，A、B、C三个含水层各自相应的水位降低值(SA、SB、SC);再按A、B两含水层的渗透系数分别计算第二次混合抽水试验水位降深S混2时相应的涌水量QA2和QB2，然后根据A+B+C含水层混合抽水试验的涌水量Q混2，即求得此时C含水层相应的涌水量 QC=Q混2－QA2－ QB2，最后根据 SC、QC、M3等参数和边界条件，计算C含水层的渗透系数KC和单位涌水量qC等水文地质参数。

4 计算实例及对比

以宜昌磷矿某矿区两个钻孔的抽水试验成果为例，将混合抽水试验与分层抽水试验计算结果进行对比分析(表1、表2)。

从两表中对比实例的计算结果可看出:依据混合抽水试验资料，按本文所述方法推算Z1d31含水层的渗透系数K值与其分层抽水试验确定的K值比较，相差率仅1.775%(表1);而在没有对计算目的层(实例中为Z1d31)进行分层抽水试验，按照各层确定(计算)的K值，采用含水层厚度加权平均法计算的综合K值与混合抽水试验确定的全试段 K值相较，其差率为6.17%(表2)，即准确性系数亦达到0.93以上。后者差率稍大系因没有对计算目的层进行分层静水位观测缺少资料所致，倘有此资料，其计算的精度会相应提高。

表1 混合抽水反算与分层实测抽水计算的渗透系数(K值)结果对比表Table 1 Results comparison of permeability coefficient of inverse calculation of mixed pumping water and K value of layer pumping

表2 混合抽水与分层厚度加权平均计算的渗透系数(K值)结果对比表Table 2 Results comparison of permeability coefficient of mixed pumping water and K value of weighted average calculation

5 结语

混合抽水试验时，水位降低的深度均应大于所有被揭露含水层的分层静水位深度，且要尽抽水设备的能力做最大降深，这样在抽水试验过程中测定的涌水量(Q混)均包括了所有含水层的涌出水量，只是因为各含水层的水压(位)和含、富水性不同而涌出的水量不同而已。因此，只要使水位降低值尽可能加大，并通过详细分析与计算，也可获得如同分层抽水试验的结果，虽其精度可能稍逊于分层抽水试验成果，或者说是没有分层抽水资料直观，但可免除分层下入止水套管的繁杂工序，从而大大节省工时和资金。对含水层埋深达数百米、用套管分层止水难度很大、甚至难以达到止水效果的勘探(查)区，不失为一种获得多层含水层基本水文地质参数的有效途径。

［1］ 地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队.水文地质手册

［M］.北京:地质出版社，1985:490.