混合水水文地质参数分层计算探究

辛 博

(河北省地矿局第三地质大队 张家口 075000)

渗透系数是综合体现含水层性质的重要参数,它能够反映地下水流动和溶质运移的能力,是评价地下水资源和推算井出水量,确定合理开发利用程度的重要参数之一。从达西公式V=K*I中可以表明渗透系数的物理意义： 水力坡度(I)、渗透速度(V)及渗透系数(K)的关系,它具有速度单位,常用m/d表示。

生产实践中常用稳定流裘布依公式计算渗透系数,但不少计算结果与《工程地质手册》中的经验值不相符。造成K 值不准的原因除施工质量,如抽水孔壁泥浆未彻底清洗；滤水管外填砾不合规格等等外,尚有选用计算公式与抽水试验引起的地下水运动规律不符所致,主要表现在不少抽水试验的边界条件与推导裘布依公式的边界条件不同。

渗透系数获取的主要方式是抽水试验、压水试验、注水试验、渗水试验、室内渗透测试、modflow、matlab、曲线拟合法等。尽管以上的试验方法和理论都相对成熟,但在实际工作中仍以钻孔抽水试验为主。已往钻探工作耗时耗资,为取得经济效益与受地层条件限制难以隔离含水层并分层测试。

本次在针对潜水—承压混合水开展了抽水试验进行求参,基于图解法原理确定了各层含水层的静止水位,分层计算了各含水层的渗透系数。基于水文孔GY1、GY2、GY3的独特性,对计算结果的准确性进行了对比分析,与数学判别模型的尝试为混合水分层计算提供了宝贵的参考依据。

1 现状分析

混合水为地层中具有多个含水岩组,成井过程中未单独布置工作手段而综合利用的水。混合抽水所求取K 值为平均值,即整个钻孔实验段平均值,针对不同区域地层所计算K 值及影响半径R 值与实际出入较大、实际工作中K 值及R 值与实际不相符的情况,技术人员一般会参照《水文工程地质手册》或《岩土工程地质手册》的经验值作为试验数值,但经验数值岩土类别取值与实际地层岩性严重不相符,K 值相差数十倍之多。地下水类型分为潜水、承压水,含水介质分为孔隙水、裂隙水、岩溶水等组合方式,各类计算公式近30种(水利水电工程抽水试验规程SL320-2005)仅有适用条件如承压水单孔完整井,并未考虑各类含水层主要水文地质类型,也未结合地质结构和地貌条件与水文地质特征,分析不同地貌区域物质堆积特征与构造带破碎规模和相态动态特征,从而导致经验K 值偏差数十倍之多。

工作中已往的分层抽水需进行单井结构设计,封堵无效利用段或钻进过程中多次变径、分时段成井,对施工工艺与地层要求较高、耗时较长,砾料因重力因素往往在成井1个月内多次沉降,导致封堵层位不准确。而裘布依公式是在理想状态下建立,未考虑三维流、天然水力坡度(倾斜含水层)、顶底板隔水性、紊流、滤水管位置等因素,从而导致水文参数产生误差。

2 试验区概况

本次试验区域为沽源县双井子村附近,共4个试验孔,分别为GY1、GY2、GY3、GY4。试验区属于中朝准地台(Ⅰ1)、内蒙古地轴(Ⅱ12),其三级构造单元属沽源陷断束,构造形迹以断裂为主,附近的大型断裂构造主要有沽源—张北区域断裂,位于试验区西北。所属水文地质单元为坝上内陆河系统,地下水的补给来源主要是大气降水入渗补给,其次是河水入渗补给,由于受地形地貌及水文地质条件等因素的制约,区内地下水径流条件差导致地下水交替作用滞缓,浓缩作用强烈,地下水的排泄主要靠地表蒸发来完成。主要含水层为： 中粗砂、砾石、气孔状玄武岩、砾岩,隔水层为粘土。

GY1孔地下水类型为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙承压水、基岩裂隙孔洞水(气孔状玄武岩),该井同时揭穿五个含水岩组。其中,0～30 m 以细砂粗砂为主,岩组中含泥量较少、透水性较好,为第一含水岩组,属潜水层；30～50 m 为粘土夹细沙互层,河流冲洪积相,为第二含水岩组,属潜水层；120～154m 为砾石夹细砂,砾石磨圆度较好为第三含水岩组,属承压水层；154～160m 为气孔状玄武岩,气孔结构松散,孔洞内水流痕迹明显,为第四含水岩组,属承压水层；243～277.65m 为黄褐色角砾岩,伴随少许泥质胶结为风化壳基岩裂隙水,为第五含水岩组,属承压水层。各含水岩组有微弱水力联系,利用天然有效隔水层对124m 以浅进行止水,仅利用三、四、五含水岩组。

GY2位于GY1井南侧500 m 处,垂直地下水主流向,地层与GY1基本一致,成井后发现各个含水岩组有水力联系,不具承压性,水位与附近民井水位相近,分析原因是止水过程中下料过快导致未有效止水,地下水为多层混合水。

GY3位于GY1东侧500 m 处,经物探用电阻率垂向电测深方法与钻探验证发现一不明性质断层,无基岩脉状水赋存。0～150m 基本与GY1地层相同；150～200m 为红色至浅绿色粘土层为火山灰堆积物,现为有效隔水层；200～275 m 为致密玄武岩体,终孔深度275 m；0～130 m 粘土球封孔止水,含水层有效利用段仅为130～150m 砂砾石层。

为对GY1、GY2、GY3孔出水量与基础水文参数计算,而进行单次最大降深抽水试验,抽水前观测GY1、GY2、GY3试验孔静水位分别为9.11m、3.22 m、8.74m(图1)。

图1 试验区高程数字模型

3 抽水试验参数计算

3.1 单孔抽水试验

分别对GY1、GY2、GY3进行单次大降深抽水试验,概略求得含水层如下参数。

(1)GY1井为完整井承压水类型,滤水管长度等于有效含水层长度,计算公式为：

其中,k—渗透系数(m/d)；

Q—抽水井涌水量(m3/d)；

m—含水层厚度(m)；

S—抽水井水位下降值(m)；

R—影响半径(m)；

r—抽水井半径(m)。

计算结果为K=1.1(m/d)III+IV+V 含水岩组,参照水文工程地质手册中各岩层经验值,数值严重偏小。

(2)GY2井为完整井承压水类型,滤水管长度等于有效含水层长度,计算公式同①,计算结果K=1.5(m/d)I+II+III+IV+V 含水岩组。

(3)GY3井为完整井承压水类型,滤水管长度等于有效含水层长度,计算公式同①,计算结果K=1.4(m/d)III含水岩组。

3.2 多孔抽水试验

利用水文孔GY1、GY2进行观测孔抽水试验,较为准确的求得水文地质参数和含水层不同方向渗透性及边界条件。

(1)GY2抽水,GY1作为观测孔概化为无越流承压完整井,采用稳定流半对数图解法计算,计算公式为：

其中,R—影响半径(m)；

S—抽水孔降深(m)；

S1—观测孔降深(m)；

r—利用段钻孔半径(m)；

r1—观测孔至抽水孔中心距离(m)。

计算结果为K=1.35(m/d)I+II+III+IV+V含水岩组。

(2)GY3抽水,GY1、GY2分别作为观测孔概化为无越流承压完整井,采用稳定流半对数图解法计算影响半径,计算后K值取值1.2(m/d)III含水岩组。

4 分层计算探究

4.1 补排均衡水位分层法

当多个含水层被揭穿后,高水位含水层泄水,低水位含水层吸水,其静止水位等于I含水岩组+II含水岩组+III含水岩组+IV 含水岩组……

当水流量达到稳定时,高水位含水层的泄水量与低水位含水层的吸水量相等,及进行混合抽水试验时,钻孔总涌水量等于各含水层涌水量之和。

依据钻孔天然地层属性,在有两个含水层的情况下,只需要对上一层进行单独抽水试验,再对两个含水层进行混合抽水试验即可根据图解法求出下一含水层水位(图2)。

将GY1概化为III+IV(V 泥质胶结可忽略),GY3概化为III,III+IV 静水位=9.11m,III静水位12m,静水位差值为混合水注入补给流量。根据抽水试验流量与降深数据分别绘制Q-s曲线于同一底图,与标准曲线平移配比,此交点为IV 静止水位。已知下部静水位高于上部静水位,因此在此混合达到平衡时IV 排泄地下水III吸收地下水,Q-s曲线交点处造平行线与分别静水位与混合水位平行,即当混合抽水时平均静水位III+IV(9.11m)下降至III(12 m)时,Q 为IV 静水位-III静水位体积,即图解流量,利用裘布依公式反算K值等于1.2 m/d,与经验值相差不大(图3)。

图2 水位分层示意图

图3 图解法示意图

4.2 数学判别函数法

K值不适用范围： 基岩脉状水、岩溶区地下水。

渗透系数K是综合反映岩土体渗透能力的一个指标,主要受孔隙度、裂隙度、自重、粘滞性所影响,影响因素众多。根据分析罗列出各种影响到K值变化的关键因素,根据各个因素影响程度的大小确定权数,再按K值对各关键因素的有效反应程度对各关键因素进行评分,最后算出K值的总加权分数。

数学判别函数法只是一个初步构想,需多次试验与矫正,数据赋值量化仍需一段过程,在此不做赋值打分与试验数据做比较。

5 渗透系数验证

5.1 经验值验证

运用补排均衡水位分层法计算得IV 含水层K值渗透系数为1.2m/d符合经验值,但气孔状玄武岩经验值取值范围差异较大,不具代表性。

5.2 水位恢复法计算K 值

在区域附近找寻相关IV 综合水文地层柱状图,运用水位恢复法来计算K值。在瞬时由定流量Q1变化为Q2,在观测孔中会有不同的水位变化,根据水位变化求取不同试验段K值。

其中,t—停抽前抽水的总时间；

tβ—从停止开始到测定观测孔水位恢复时间；

r1—观测孔至抽水孔距离；

S1—观测孔中之水位降低值(从抽水开始算起)；

求得K值1.5m/d。

5.3 拟合曲线法

利用多孔抽水试验中观测孔降深历时数据,采用利用非稳定理论,应用泰斯公式的简化式,即雅柯布方程,计算导水系数和压力传导系数值,计算方程如下。

S=Q/4πT·lg(2.25at/r2)

μ* =T/a

其中,S—观测井水位降深(m)；

Q—抽水井稳定出水量(m3/d)；

T—导水系数(m2/d)；

a—压力传导系数(m2/d)；

t—抽水延续时间(d)；

r—观测孔距开采井的距离(m)；

μ*—热储层弹性释水系数,无量纲。

相关系数0.997,决定系数0.995曲线拟合完好,由雅柯布公式求得导水系数T,除以相对应含水层厚度,K为值1.3m/d(图4)。

图4 拟合曲线示意图

6 结论与讨论

本次利用沽源已有抽水试验数据,综合分析验证提出混合水各层位静水位埋深原理；提出数学判别函数模型设想,经验证对比具有一定可行性。在针对现状条件下混合水与复杂水文地质条件下难以求取准确参数的条件下,提供了技术支持与理论依据,排除了受钻探工艺、洗井工艺、抽水试验设计、人为因素、计算误差的影响因素且无局限性,为解决无分层止水求分层参数的重要水文地质问题提供了重要的指导与参考依据。

此外,K值影响因素众多,此次只罗列重要几项内外影响因素且量化评分影响权重未明确说明,需做专项分析研究。表格数据权重需认真核实方可有效利用,更需结合野外试验与室内试验多次对比从而才能获得准确数值。