低渗透潜水含水层抽水试验装置及其应用研究

王 俊，汪玉松，罗泽娇，鲁长青

（中国地质大学环境学院，湖北 武汉430074）

渗透系数可定量反映岩石的渗透性能，是控制地下水流动和溶质运移的重要参数，也是地下水计算中一个不可缺少的指标［1—3］。目前，求取低渗透介质的渗透系数主要采用微水试验、提水试验、室内试验和注水试验。其中，微水试验对含水层的扰动小，只影响抽水井周围很小的范围［4—5］，但国内有关该法的操作程序和标准尚未见报道；周斌等［6］采用提水试验求取渗透系数，但发现试验过程流量不易控制，受人为因素影响较大；室内试验求取的渗透系数值往往比实际值小，有的甚至偏差很大［7］；注水试验在国内已经有相关规范［8］，且应用较广泛，但在低渗透介质地区进行注水试验，水位下降速度较慢，试验时间会很长。为此，本文设计了一种能够在弱透水层中获取准确试验参数的抽水试验装置，该装置采用压力平衡的原理抽水，流量较小且稳定，试验数据处理符合抽水试验理论和方法，为弱透水层求取渗透系数提供了一种新的途径。

1 抽水试验装置的设计和特点

1.1 抽水试验装置原理与设计

本文设计的抽水试验装置的抽水原理与真空泵一致，均是依据压力平衡的原理，但该装置抽水动力源自手动调节压力泵。其基本原理是：抽水试验时在负压作用下，试验孔水进入容量瓶，瓶内负压随之减小，可通过及时调节压力泵来保证恒定负压（负压发生微小变化，可以忽略），这样抽水流量较小且恒定，弱透水层不会发生疏干，可进行定流量抽水试验。

设计的抽水试验装置见图1。该试验装置主要包括手动压力泵、缓冲瓶、电子天平、容量瓶、导管和出水管。其中，手动压力泵用来调节容量瓶内部压强，使容量瓶内部产生负压，将地下水抽取到容量瓶中，且手动压力泵上安装了压力表；电子天平用来测量容量瓶的重量（容量瓶自重和抽出水的重量）；导管起连接作用；缓冲瓶用来防止容量瓶中的水吸到压力泵中；出水管一端（有重物）要用纱布包裹，以免堵塞。

图1 抽水试验装置设计图Fig.1 Design of pumping test device

1.2 抽水试验装置的特点

在野外进行的各种水文地质试验中，该抽水试验装置操作简单，经济实用，采集数据精度高，抽水流量可控，能满足弱透水层的抽水试验要求，且数据处理方法符合抽水试验理论，可以采用井流公式来计算含水层的渗透系数。但需要注意的是该抽水试验装置由于采用负压进行抽水，一个标准的大气压能支持水柱的高度是10.34m，所以低渗透含水层水位埋深不宜过大。此外，该装置抽水流量小，较适合富水性弱的岩层。在负压（假设初始压力表读数为0.05MPa）作用下，井水进入容量瓶后，负压会随之减小，当减小了0.005MPa，手动调节压力泵，使压力表恢复为初始设定值，此过程对流量影响较小，可以认为定流量抽水。

2 抽水试验步骤

采用设计的抽水试验装置进行抽水试验的步骤如下：

（1）试验仪器的准备。除了设计的抽水试验装置外，还需准备水位自记仪（试验采用加拿大Solinst公司生产的Levelogger）、测线、钢尺、秒表、笔记本电脑等。

（2）试验仪器的安装和检查。按图1所示进行安装，并检查试验装置的密封性，以保证试验的正常进行。此外，该试验装置应尽量放置在地势比较平坦的地方，以减小试验误差。

（3）进行水位实时监测。先用测线测量初始地下水位埋深，将水位自记仪连接电脑并开启探头（水位自记仪的一部分）开始记录数据，然后将探头慢慢投入试验孔井底，进行在线实时监测（时间间隔设置为30s），监测数据为探头到潜水面的距离。水位自记仪的精度为0.1mm，完全满足水位测量要求。

（4）进行定流量抽水试验。用电子天平测量空容量瓶的重量，然后将出水管一端投入水中，压力表迅速调到某一固定值，当有水进入容量瓶后开始计时。

（5）抽水过程中，通过控制压力表，使抽水过程中压力恒定，保证定流量抽水，并实时关注水位变化，定时读取容量瓶重量，当抽水孔出水量和动水位与时间的关系只在一定范围波动，且没有出现持续上升和下降的趋势［9］，即抽水试验已经达到稳定状态，结束第一次水位降深试验。

（6）第一次水位降深试验完成后，待水位恢复后，做第二次水位降深试验，重复上述试验步骤（4）和（5）。

3 实例应用

本文以武汉市葛店某工厂为例，采用本文设计的抽水试验装置，并选择了14个井孔进行抽水试验，以验证设计的抽水试验装置的可靠性和适用性。

3.1 研究区水文地质概况

葛店地区上覆第四系土层为中更新统冲洪积层（Qpal2）和残坡积层（Qedl4）填土（见图2），颗粒松散且含有少量碎石，填土层厚度1～5m不等，处于半胶结状态，为弱含水层；下伏第四系黏土层（见图3），厚度较大，透水性较弱，为弱透水层。该区域潜水赋存于填土和黏性土层中，其含水层富水性差、含水量小，潜水含水层初始水位埋深较浅，最小埋深为0.31 m，主要接受大气降水补给，且属于低渗透性介质含水层，常规抽水试验一抽就干，因此可采用设计的抽水试验装置进行野外水文地质试验。

图2 葛店区域水文地质图Fig.2 Hydrogeological map of Gedian region

图3 葛店区域Ⅰ－Ⅰ′地质剖面图Fig.3 Geological section map ofⅠ－Ⅰ′in Gedian region

3.2 试验孔抽水试验数据

利用上述设计的抽水试验装置，在研究区选择14个试验孔进行了抽水试验，由于该地区含水层渗透性较差，水位恢复非常慢，所以每一个试验孔只做了一次水位降深试验。各试验孔抽水试验数据见表1。钻孔的直径均为110mm，钻孔打穿了填土层，滤管为钻孔中水的厚度，初始水位均在填土层中。

表1 各试验孔抽水试验数据Table 1 Pumping test data of each test hole

3.3 抽水试验数据处理方法

从钻孔揭露的含水层结构来看，本次抽水试验为潜水非完整井稳定流抽水，因此可以采用潜水非完整井稳定流公式来计算含水层的渗透系数［9］，即

式中：K为含水层渗透系数（m/d）；Q为抽水流量（m3/d）；H为自然条件下潜水含水层的厚度（m）；h为抽水试验时潜水含水层的厚度（m）；¯h为在自然条件下和抽水试验达到稳定时潜水含水层的厚度平均值（m）；l为过滤器的长度（m）；r为抽水孔过滤器的半径（m）；R为抽水影响半径（m）。

（1）式中的抽水影响半径R可以用库萨金公式进行计算：

式中：S为水位降深值（m）。

由于计算过程中需要迭代运算，可进行VB语言编程，从而快速计算出含水层的渗透系数。

3.4 抽水试验结果与分析

试验孔S107、S128的水位降深－时间曲线见图4和图5。由图4和图5可以看出：抽水过程中水位下降越来越慢，直至试验孔水位恒定，且流量恒定，此时试验已经达到稳定状态，说明采用本文设计的抽水试验装置得到的水位降深－时间曲线符合常规抽水试验特征，并且抽水时流量恒定，所以利用该装置在低渗透性介质中进行抽水试验是可行的。单井抽水试验是抽水试验方式的一种类型，其在低渗透介质中也是适用的。

图4 S107试验孔水位降深－时间曲线图Fig.4 Drawdown－time curve of test hole S107

图5 S128试验孔水位降深－时间曲线图Fig.5 Drawdown－time curve of test hole S128

基于VB编程，采用潜水非完整井稳定流公式，计算得到各试验孔含水层的渗透系数见表2。

表2 各试验孔含水层的渗透系数计算结果Table 2 Calculating result of the permeability coefficient of each test hole

图6 葛店某厂区潜水含水层渗透系数分区Fig.6 Permeability coefficient zoning in a plant area in Gedian

根据表2结果，结合葛店区域地形地貌和水文地质条件，按潜水含水层渗透系数对葛店某厂区进行分区，见图6。其中，潜水含水层渗透系数大于0.1 m/d的区域为渗透性相对较好地区，潜水含水层渗透系数在0.05～0.1m/d范围内的区域为渗透性中等地区，潜水含水层渗透系数小于0.05m/d的区域为渗透性相对较差地区。由图6和表2可知：葛店某厂区低渗透潜水含水层南部区域渗透系数较大，北部区域渗透系数较小；试验孔中最大渗透系数值和最小渗透系数值相差一个数量级；大部分区域渗透性为中等和相对较差。

4 结 论

葛店地区潜水含水层属于低渗透介质，上覆第四纪填土，较薄，下伏黏土，富水性弱，出水量小，利用设计的抽水试验装置进行抽水试验，井流量较稳定，水位自记仪可实时监测水位，且仪器精度较高，获得的试验数据较为理想，并结合潜水非完整井稳定井流公式可求取潜水含水层的渗透系数并对其进行分区。说明设计的抽水试验装置对于低渗透性潜水含水层求参具有一定的适用性。

［1］王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础［M］.北京：地质出版社，1998.

［2］陈崇希，林敏.地下水动力学［M］.武汉：中国地质大学出版社，1999.

［3］万力，蒋小伟，王旭升.含水层一种普遍规律：渗透系数随深度衰减［J］.高校地质学报，2010，12（1）：7－12.

［4］杨利超，王旭升，焦赳赳，等.粘性土层井孔抽水试验的参数识别［J］.工程勘察，2011（6）：32－35.

［5］陈则连，原国红，赵丙君.微水试验技术的应用研究［J］.工程勘察，2009（7）：31－34.

［6］周斌，陈刚.提水试验在含水层渗透系数求取中的应用——以黄岛地下水封石油洞库为例［J］.地下水，2010，32（2）：18－19.

［7］张贻火.钻孔注水试验方法浅析［J］.资源环境与工程，2008，10（S3）：204－206.

［8］SL 345—2007 水利水电工程注水试验规程［S］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［9］GB 50027—2001 供水水文地质勘查规范［S］.北京：中国计划出版社，2001.

［10］王胜平，阎高翔，洪正修.弱含水层两种试验方法［J］.西部探矿工程，2003（6）：28－30.

［11］管小俊.弱含水层水文地质试验研究［J］.科学之友（学术版），2006（7）：33－35.