微水试验研究进展

万伟锋 李清波 曾峰 蔡金龙

摘要：微水试验是一种快速测定水文地质参数的野外试验方法。与传统的钻孔压水试验和抽水试验相比，微水试验更经济、便捷，而且精度较高，可以满足实际工程中岩土体渗透参数野外测定的需要。回顾了微水试验理论模型60多年的研究历史及其在实际工程中的应用现状，认为微水试验在国内长期以来未能在实际勘察中取得广泛应用，除了数据处理繁琐和受仪器设备精度的制约外，最主要的原因是缺乏相关技术标准，同时对其可靠性和适用性存在不同认识。随着微水试验理论模型与试验设备的不断完善，以及相关试验规程规范的出台，微水试验方法将成为岩土体渗透性勘察中的普遍方法之一。

关键词：微水试验；岩土体；渗透性；研究进展

中图分类号：TV221.2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.023

微水试验（Slug test）是一种简便且相对快速测定水文地质参数的野外试验方法，它起源于国外，其译名各异，如重锤试验、钻孔振荡试验、冲击试验、定容积瞬时抽水或注水试验，或者直接音译为斯拉格试验等。

20世纪50年代，Hvorslev等首次应用微水试验对土体的渗透系数进行现场测定，并开发了相应的数学模型用于求解。经过半个多世纪的发展，微水试验已被广泛应用于岩土勘察中，成为研究岩体渗透性的重要野外试验技术和方法之一，国外有专著论述微水试验的设计、实施和数据解释、分析。与传统试验相比，微水试验不仅更简便、经济，而且精度高，可以满足实际岩土体渗透参数测定的需要，同时试验过程中对地下水环境不会产生二次污染。微水试验的缺陷在于单个钻孔所获取的参数仅仅反映试验孔附近小范围含水层的渗透性能，但是当试验区范围内有较多钻孔时或试验区范围较小时，仍不失为一种较为理想的试验方法。

本文主要总结了微水试验理论和方法研究进展以及实际勘察工作中的应用情况，分析了其存在的问题和今后的发展趋势。

1 微水试验基本原理

微水试验的实质是通过一定激发手段（如瞬时抽水或注水、气压泵、振荡棒等）使井孔内水位发生瞬时变化，通过观测和记录钻孔水位随时间的动态变化数据，并与相应理论数学模型的标准曲线拟合，进而计算试验孔附近的水文地质参数。根据试验过程，可分为降水头微水试验（使水位瞬时上升，然后记录水位下降恢复，见图1（a））和升水头微水试验（使孔内水位瞬时下降，然后等待水位上升恢复，见图1（b））。以往水位变化过程主要靠人T观测，目前井（孔）内压力传感器已较为成熟，可以自动采集、记录和存储水位变化数据，且精度较高。

微水试验的理论基础仍然是达西定律，地下水在渗透性较弱的含水层中运动时，水分子之间的黏滞力远远大于其惯性力，在数学分析时，惯性力可以忽略不计。由图2可以看出，当孔内的水位受到激发产生快速抬升后，就进入了下降恢复阶段，开始阶段的水位恢复速度较快，然后恢复的速度逐渐变缓，并趋于接近初始的静止水位，在该过程中，地下水流的初始动能被水分子之间的摩擦、水与井壁的摩擦消耗掉，没有在初始静止水位附近发生类似弹性的振荡过程，这个过程称为“过阻尼衰减”。但在渗透性较强的含水层中，地下水的运动形式可能是另一种表现形式，在水位发生瞬时变化后，恢复速度很快，在地下水克服了水分子之间的黏滞力快速恢复到静止水位后，还有一部分动能剩余，超过了原初始静止水位并继续运动，从而在静止水位附近发生类似弹性的振荡，这时候水的惯性力不能再被忽略，这一振荡式的衰减过程称为欠阻尼衰减或弱阻尼衰减，见图3。

2 微水试验国内外研究现状

2.1 微水试验理论研究进展

自微水试验技术应用以来，许多专家学者致力于微水试验理论研究，对其求解模型和方法不断进行改进和修正，截至目前，微水试验的求解模型和方法达50种之多。这些模型中，从多孔均质的承压微水试验理论模型发展到潜水微水试验模型，从不考虑瞬间水位变化的惯性效应指数衰减到考虑惯性效应的欠阻尼衰减，并发展到考慮井壁效应的理论模型，近些年一些学者开始从多孔均质介质逐渐转向裂隙岩体的研究。国内的研究主要在国外已有的研究基础上进行。

2.1.1 国外研究进展

（1）指数衰减型理论模型。Hvorslev提出的微水试验的假设条件是：水层水平方向无限延伸，承压完整井：忽略含水层弹性储蓄效应，并假设有限距离远的地方有一定水头边界，得到了岩土体渗透系数K的经验关系式。该模型较简单，可用直线图解法求解。

1967年，Cooper等提出了CBP模型，适用于在平面上无限展布的均质各向同性多孔介质水平含水层，承压完整井，该模型考虑含水介质的弹性储水效应，根据无量纲化后试验井孔中的水位变化与时间的半对数图，拟合标准曲线来求得渗透系数与贮水系数。

1976年，Bouwer等假设一有限直径圆岛形的非承压含水层，周边为网形定水头边界条件，介质类型为均质各向异性多孔介质，忽略含水介质的弹性储水效应，同时不考虑井孔的薄壁效应。在该假定条件下，根据花管长度与套管半径的比值，拟合该模型条件下的标准曲线，并求得试验条件下的有效影响半径，根据井水位变化与时间半对数图上曲线斜率计算渗透系数。1978年，Dagan提出了与Bouwer模型相似的分析理论模型，区别是Dagan模型假设含水层为水平无限延伸，而不是以某一有效影响半径来计算。

1994年，Hyder等5提出并建立了KGS模型，该模型充分利用了Hvorslev模型、Cooper模型及Bouwer模型的优点，考虑了含水层的储水效应，既可用于承压含水层，也可用来分析潜水含水层的微水试验数据，适用范围更广泛。

（2）欠阻尼衰减理论模型。当在渗透性较强的含水层中进行微水试验时，水位随时间变化的曲线可能产生振荡，呈欠阻尼衰减形式，此时以上所述模型就无法刻画这一过程。通过多年研究，一些学者基于欠阻尼振动理论建立了相关的数学模型，并给出了相应的解析解。

1965年，Cooper等考虑井水位变化时的惯性影响，提出了第一个单井水流振荡理论，假定条件是井中水位的振荡频率与地震波的相同，忽略井管中水流与管壁的摩擦力，并且假设井中水流运动方向为垂直向上或向下。欠阻尼衰减模型中，比较有代表性的是Kamp提出的Van der Kamp模型。其使用正弦近似法分析微水试验数据，第一次系统地研究了微水试验中的水头变化规律，适用于强渗透性的均质各向同性多孔介质及完整承压井，但仅限于解决低阻尼情况。

（3）非线性模型。在微水试验实践中，有学者还发现在某些情况下试验过程中的非线性摩擦造成的水头损失不可忽略，试验的水位一时间对数曲线不是直线而是呈下凹的曲线，此时就要用非线性模型来描述和求解。

1998年，Mcelwee等提出用非线性水位振荡分析模型来获得渗透系数，并于2001年开发了一个基于Navier-Stokes方程，考虑非线性摩擦损失、非达西流动和加速效应、钻孔半径变化的通用分析模型。这个非线性模型包括与水柱半径变化有关的参数、与非线性水头损失有关的参数及用来表示刚开始振荡时水柱初始流速的附加参数，模型方程是一个关于水头的二次偏微分方程。2002年，MCelwee又进一步改进了模型的使用和灵敏度分析方法，对加速度与流速影响进行了修正，使得分析微水试验结果的模型能够模拟从超阻尼到欠阻尼范围内的响应特征，特别是在渗透系数大的区域，模型能够模拟非线性行为。

1985年，Kipp假设含水层等厚、均质且各向同性，为研究欠阻尼和超阻尼情况提供了严格的物理理论，扩展了由Bredehoeft等提出的理论模型，绘制了一系列的标准曲线，通过无量纲化后的降深与时间的半对数图来拟合标准曲线以计算渗透参数。

2002年，2enner采用非线性模型分析微水试验数据，该模型包括薄壁效应、井孔内部流体摩擦造成的非线性水头损失、水体因井内半径变化而产生的水头振荡损失及套管内水体的惯性影响。井一含水层耦合系统是由一个微积分方程代表井孔流体的平均机械能及套管内水柱机械波的非线性常微分方程描述，通过差分近似与点迭代数值法的耦合可以对方程组求解。

（4）考虑井壁效应的模型。1972年，Henry等首先提出承压含水层中考虑薄壁效应与井管储水效应的微水试验理论模型，假设薄壁层的厚度极薄和外边界距离无限远，与当时其他模型相比，该模型考虑的情况较为全面。1984年，Faust等提出考虑有限厚度薄壁层的模型，但是不考虑薄壁层的储水效应，同时假设薄壁层的渗透性相较于含水层的渗透性足够小。1985年，Moench等提出有限厚度的环状双层薄壁模型，并且假设定水头边界无限远且忽略薄壁层储水效应，研究表明当忽略薄壁层储水效应时，Faust等提出的考虑有限厚度薄壁层的模型所得到的井中水头变化的解与Henry等所提出的假设薄壁层极薄的模型所得到的解相同。1986年，Sageev提出假设薄壁层的厚度极薄时采用配线法确定岩土体渗透参数，同时还提出了不存在薄壁效应时的近似解。

总之，国外对微水试验的研究开始得较早，研究成果较多，在理论和求解方法方面已较为成熟。

2.1.2 国内研究进展

国内微水试验研究较国外开始得相对较晚，2000年以前的研究成果相对较少。

国内最早研究微水试验的是长春地质学院（现吉林大学）水工系干旱半干旱水文地质研究室，在1979年提出了用瞬时抽水试验测定水文地质参数的方法，假定初始时刻在抽水井（x0，y0）处施加作用强度且作用时段很短（瞬时），然后观测点（x，y）处的水位降深s随时间t的变化，建立地下水方程并得出了求参公式，通过对比常规长时间抽水试验资料，两者获取的水文地质参数较为接近，但仅限于讨论两点法和最大降深法。1982年，宿青山等对1979年提出的瞬时抽水试验测定水文地质参数的方法进行了改进，不再采用两点法和最大降深法，而是采用配线法和直线图解法进行参数求解。1983年，宿青山等[提出了用網柱形固体代替瞬时抽水的试验方法。

1994年，杨建锋等对弱透水层水文地质参数的确定方法进行了探讨，认为微水试验可以用于弱透水层参数确定，并对微水试验获取的水文地质参数的代表性和初始水头的选取等问题进行了讨论，同时指出微水试验要求水位观测精度应较高，否则会造成较大误差。2006年，黄勇等基于弱渗透性含水层的微水试验，提出了计算含水层水文地质参数的解析方法，认为用该方法确定含水层的水文地质参数比用微水试验的配线法和水位恢复法具有更好的适用性。

2009年，陈则连等探讨了微水试验和传统试验方法的优缺点，认为微水试验的结果受井壁条件影响很大，即所谓的“皮肤效应”（井壁效应）。2013年，季纯波等根据注水高度对潜水含水层厚度的影响，推导专门应用于潜水井裸井的微水试验数学模型，此模型与传统的Bouwer and Rice模型相比考虑了注水后潜水面水位的升高对渗透系数K的影响。高彬等开展了花管与潜水面相交下的微水试验模型研究，建立了新的潜水井的微水试验计算模型，给出了模型的解析解。赵燕容建立了不同倾角的室内裂隙物理模型，开展了微水试验研究，得到了微水试验中注水式、抽水式、提水式和气压式激发方式在不同条件下的应用特性和规律。在研究过程中，还修正了Kipp模型的标准曲线，并且扩展了相对阻尼系数ξ为0.05和10.00时的两条标准曲线，提高了微水试验确定水平裂隙渗透参数的精度和适用范围。2015年，戴云峰等基于Kipp模型推导了考虑承压含水层倾角的微水试验解析解的修正模型，通过与修正前的Kipp模型分析结果进行对比分析，认为在倾斜承压含水层中忽略或不考虑含水层倾角时，计算出的水文地质参数会产生较大误差。2015年，周志芳等提出了基于单孔分段振荡式微水试验确定岩体渗透系数和裂隙贮水率的计算模式，实现了利用单孔试验确定岩体的渗透系数。

2.2 微水试验在实际勘察工作中的应用现状

在国外，微水试验很早就被作为一种原位试验方法广泛应用于水文地质、环境地质等领域的岩土体参数的测试中，并有相应的标准和规范。在国际上流行的含水层求参软件Aquifer Test中，有专门的微水试验求参模块。

微水试验在国内研究虽然也较早，但是实际勘察中应用偏少，主要应用集中在近些年。

苏锐等提出了用双栓塞微水试验技术解决低渗透裂隙介质深部环境渗透特征评价的方法，建立了考虑温度效应、钻孔储存效应和水位瞬时变化特征的地下水流三维数值模型，并编写了相应的计算机程序。现场试验深度达到了489m，试验成果表明双栓塞微水试验技术适用于低渗透裂隙介质深部环境渗透特征评价。

万伟锋等在南水北调中线温博段补充水文地质勘察中，为了获取较为准确的渗透系数值，采用了抽水试验、注水试验、微水试验和室内渗透试验等，结果对比显示，微水试验获取的参数值小于注水试验和抽水试验的，并认为尺度效应（影响范围）是造成试验差异的原因。

在微水试验成果的可靠性方面，不同学者获取的成果存在差异。鞠晓明等为研究排污河对地下水污染的影响，将微水试验应用于安徽淮北市某河流附近的一个场地内，共进行了粉细砂、细砂含水层中6组抽水和微水对比试验，两种试验结果虽然在一个数量级上，但是抽水试验结果是微水试验结果的1.5倍。徐连锋等将微水试验应用到湖西堤裂隙黏土渗透试验中，并与抽水试验的结果进行对比，结果对比显示同孔抽水试验一般是微水试验结果的2.5倍～9.8倍。不过也有一些学者通过实际测试，认为微水试验和抽水试验结果是一致的，如徐海洋等在泰州长江公路大桥工程岩土渗透性勘察中，在同一钻孔内分别进行微水试验和抽水试验，两种试验结果基本一致。赵燕容等结合泰州长江公路大桥南、北锚碇沉井排水下沉工程，在现场开展了常规抽水试验和微水试验对比研究，结果表明两种模型计算结果一致性较好。

在微水试验方法和设备方面也有很多研究成果。2008年，周志芳等研发了基于单井内水流运动振荡原理的岩土体渗透性参数现场快速测试系统（HSZK-01）。2013年，彭邦兴等37将该系统用于某水电站枢纽工程深厚覆盖层水文地质参数的测试中，取得了较好的应用效果。2009年，原国红等研制了水文地质参数自动监测处理系统，采用微水试验代替传统水文地质试验，并可快速生成水文试验报告。2015年，周志芳等在已有HSZK-01振荡试验测试系统的基础上，把压力传感器更换为可以孔内光学成像、量测裂隙产状和测量水压及水温变化的多功能探頭，并将数据实时传输到井上数据采集系统。此外，陈建生等把冲击试验应用于堤坝渗漏通道探测中，并与运用温度示踪及电导率探测方法得到渗漏通道的位置范围进行对比，检测结果基本一致，取得了较好的效果。

微水试验在国内的一些规程和手册中，已被列为水文地质试验的一种，如《水电水利工程钻孔抽水试验规程》（DL/T5213-2005，称自由振荡法试验）、《水力发电工程地质手册》、《水文地质手册》（称冲击试验）、《基坑降水手册》（称冲击试验）。微水试验也出现在一些专业教科书中，如《给水与排水计算手册》、《地下水水文学原理》等。在规程方面，目前尚无专门针对微水试验的国家标准或者行业规范出台，仅有由成都勘测设计研究院和河海大学编制的《钻孔振荡式渗透试验规程》，该规程作为中国水电工程顾问集团公司企业标准在其内部进行了发布，该规程主要基于气压式钻孔振荡试验仪及其应用情况编制。

3 微水试验研究中存在的问题

近年来，微水试验已经逐渐在水利行业领域内被越来越多的学者和勘察工作者熟知，并在很多勘察工作中进行了应用。但要使微水试验在实际勘察过程中普及和推广仍有较长的路要走。微水试验在国内长期以来未能在实际生产勘察中广泛应用，存在以下原因。

（1）仪器设备精度的制约。微水试验在渗透性较强的含水层中完成一组试验只需数十秒的时间，因此传统水位计以及人工电测深法等根本无法满足实时测量并记录水位变化数据的要求，这也是影响以往国内较少开展微水试验研究的客观原因。近年来，随着计算机技术和自动监测技术的快速发展，用于数据采集的压力传感技术和信号处理技术已较为成熟，完全可以满足微水试验采样频率、数据精度以及采集自动化的要求，市面上该类产品也较多。因此，目前这一困难已不再是阻碍微水试验应用的问题。

（2）缺乏统一的试验要求及技术标准，试验设备不完善，数据处理繁琐等。微水试验过程较为简单，即通过一定激发手段使井孔内水位发生瞬时微量变化，根据测量到的水位随时间变化数据推导岩土体渗透性参数，激发手段有瞬时抽注水、气压泵、振荡棒等。但在试验方法上一直缺乏统一的试验标准或者要求：微水试验设备（激发、监测装置）的使用也五花八门；数据处理方面，由于需要选择合适的理论模型的标准曲线进行配线求解，因此其过程相对繁琐。这些都是制约微水试验在实际工作中应用的因素。近些年，已不断有微水试验的相关设备和求解软件被开发出来，如铁道第三勘察设计院集团有限公司研制的水文地质参数自动监测处理系统、国际上流行的含水层测试软件Aquifer test等。河海大学的专家学者针对试验设备和数据处理问题，研发了基于钻孔气压式微水试验的岩土体渗透性参数现场快速测试系统（HSZK-OI），编制了基于Kipp模型的自动求参程序（软件），还和中国水电工程顾问集团公司成都勘测设计研究院共同编制了《钻孔振荡式渗透试验规程》，作为成都勘测设计研究院的企业标准在其内部进行了发布和使用。这些研究工作极大丰富了国内在微水试验领域的成果，为微水试验的推广应用奠定了一定的基础。

（3）试验的可靠性和适用性问题。微水试验在实际工作中应用较少，积累的试验成果不多，最重要的原因在于大家对微水试验成果的可靠性存在一定的疑虑，在实际工作中对微水试验的适用范围尚不十分明确。对不同的地层条件、水文地质边界条件应该采用什么理论模型求解、微水试验更适用于什么地层条件、其可靠程度如何、可否替代抽水试验等，都是勘测技术人员关注的问题。理论上，只要试验操作精度和试验仪器的灵敏度足够，微水试验可以适用于任何地层的水文地质参数测试，但已有的应用成果得出的结论并不完全一致，还有待进一步研究。

4 微水试验发展趋势

（1）微水试验求解方法。目前，微水试验求解的理论模型较多，比较有代表性并被广泛应用的三种分别是CBP、Kipp和Bouwer and Rice模型，无论哪种理论模型，其求解方法均是将试验曲线和模型的标准曲线进行对比，然后求解相应的参数，其实质上是一种配线法，目前Aquifer Test、FlowDim等软件已有专门的模块采用自动配线的方法实现参数求解。但利用数值模拟法来求解微水试验获取的岩土体参数的研究还较为少见，数值法作为一种普遍且求解更为灵活的方法，其在微水试验的求解中必将得到发展。

（2）试验方法和设备。目前，微水试验方法种类繁多，有气压式、注水式及振荡棒式等，每种方法都有相应的设备，但是这些设备不统一、不规范，需要随着工程应用将微水试验设备规范化和统一化。

（3）微水试验规范。微水试验作为一种岩土体渗透性的原位测试手段，未能在实际工作中普遍展开应用的重要原因之一就是缺乏行业的规程规范或者大家普遍认可的操作手册，目前仅有企业内部使用的《钻孔振荡式渗透试验规程》可供参考，随着微水试验方法的不断成熟和完善，相应的规程规范或操作手册也会逐渐出台。

5 结语

与传统抽水试验、压水试验相比，微水试验更简便、经济，而且精度较高，可以满足实际勘察工程中岩土体渗透参数野外测定的需要。微水试验已有60多年的历史，并在实际工作中有了一些应用，但微水试验在我国勘察行业内还没有作为一种常用方法得到普及，除了数据处理繁琐和仪器设备精度的制约外，最主要的原因是缺乏相关技术标准，同时技术人员对其可靠性和适用性存在不同认识。随着微水试验理论模型与试验设备的不断完善，以及相关试验规程规范的出台，微水试验方法将成为岩土体渗透性勘察中的普遍方法之一。