基于物理模型试验的微水试验可靠性研究

李清波 万伟锋 蔡金龙

摘 要：微水试验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，但在国内实际勘察中的应用偏少，对试验结果的可靠性存在一定疑虑是主要原因之一。在总结已有微水试验应用效果的基础上，建立了微水试验模型平台，开展了不同类型的微水试验、抽水试验和注水试验，通过对比不同试验方法求参结果分析了微水试验的可靠性。试验和分析结果显示，不同激发方式下的微水试验结果一致性较好，在相同水文地质条件下，微水试验结果和传统的抽水试验、注水试验结果相比偏小，抽水试验、注水试验结果是微水试验结果的1.75倍、1.55倍，不同试验方法对含水层地下水的扰动强度不同，尺寸效应是造成试验结果差异的主要原因。

关键词：微水试验;抽水试验;注水试验;可靠性;物理模型

中图分类号：TV221.2   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.020

Abstract： The slug test is a simple and rapid field test method for determining hydrogeological parameters. But the application in the actual survey is less in China. One of the main reasons is that there is some doubt about the reliability of the test results. On the basis of summarizing the application effects of the slug test， a slug test model platform was established and different types of slug test， pumping test and water injection test were carried out. The reliability of the slug test was analyzed by comparing the results of different the test methods. The test and analysis results show that the consistency of slug test results under different excitation methods are in good agreement. Under the same hydrogeological conditions， the results of the slug test are smaller than those of traditional pumping tests and water injection tests. The results of the pumping test and water injection test are 1.2 to 1.8 times of that of the slug test. Different test methods for aquifer groundwater disturbance intensity and size effect are the main reasons for the differences in test results.

Key words： slug test; pumping test; water injection test; reliability; physical model platform

微水試验（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[1]。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[2]。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[3]，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。在国内，微水试验的研究起步相对较晚，但随着技术的不断进步和试验方法的成熟，微水试验已经逐渐在相关领域内被越来越多的学者和勘察工作者熟知，并在勘察工作中得到了一些应用，但长期以来其在国内实际生产中仍未得到广泛推广和使用。其原因一方面是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;另一关键的原因在于对微水试验的适用性条件，是否可代替传统抽水、注水试验，以及微水试验结果的可靠性问题存在疑虑。

笔者通过物理模型试验平台开展抽水试验、注水试验与微水试验，分析微水试验用于测试含水层渗透系数的可行性和可靠性，并对其存在的问题进行了探讨和研究。

1 微水试验概述及其在国内的应用情况

微水试验的实质是通过一定激发手段（如瞬时抽水或注水、提水、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，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，其可分为降水头微水试验和升水头微水试验。以往水位变化过程主要靠人工观测，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。

自20世纪50年代初Hvorslev等率先应用微水试验技术以来，许多专家学者致力于微水试验理论的研究，并对其求解模型和方法不断进行改进和修正，其理论体系已经较为成熟。应用方面，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。国内微水试验研究较国外开始得相对较晚，在实际勘察中应用偏少。

在微水试验与其他试验的对比分析及微水试验的可靠性研究方面，不同学者和应用者的研究结果存在差异。鞠晓明等[4]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一场地内，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。万伟锋等[5]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多种对比方法，结果显示，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。徐连锋等[6]将微水试验应用到湖西堤裂隙黏土渗透试验中，并与抽水试验结果进行对比，结果显示同孔抽水试验一般是微水试验结果的2.5～9.8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[7]在泰州长江公路大桥工程岩土渗透性勘察中，对同一钻孔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[8]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。

上述研究结果的结论虽不完全一致，但都表明微水试验在实际勘察工作中的应用是可行的，为验证一种试验的可靠性，采用严格的物理模型对比试验是常采用的方法。在水文地质勘察工作中，测定含水层水文地质参数最为常用、最为普遍被接受的原位试验是抽水试验，另一种常见的原位试验是注水试验，因此下文中微水试验对比试验主要采用这两种试验。

2 物理模型试验平台的建立

微水试验的物理模型外部由墙体四面合围，墙体厚度为38～40 cm，内部形成4 m×4 m的正方形池子，池子四周及底部均进行防水处理，外围墙体高度为2.2 m。基于地下水动力学的裘布衣圆岛理论假设，以及微水试验理论的假设条件，将池内孔隙含水层设置为圆形，圆形含水层模型的直径为3.8 m，距离水池四周墙壁最近约10 cm，圆形周边采用钢筋骨架+钢丝网+锦纶滤网进行固定。含水介质采用颗粒级配均匀水洗中细砂，砂层铺设厚度为1.5 m，均匀铺设完成后，经3次反复饱水、释水使其自由密实。

本次模拟的潜水含水层厚度为1.3 m，通过模型侧壁上距离底部1.3 m的溢水孔来实现含水层边界处水位的稳定，物理模型示意见图1。试验平台中心设置试验主孔，孔径为160 mm，在两个相互垂直方向上不同距离设置了8个观测孔，以观测不同微水试验的影响范围和程度。

3 试验及求解方法

3.1 抽水试验

（1）试验过程。在抽水孔中共进行了3个流量、3个落程的抽水试验，采用自动水位记录仪记录水位变化情况，利用水表记录抽水流量，3个流量Q1～Q3分别为11.36、16.36、20.62 m3/d，对应的降深S1～S3分别为0.29、0.45、0.67 m，将连续10 min水位变化不超过1 cm作为近似稳定的标准，3个落程的稳定时间为37～53 min（见表1），试验共进行5.42 h。降深—时间关系曲线见图2，抽水试验Q—Δh2（h为抽水试验时含水层厚度）关系见图3。

3.3 微水试验

3.3.1 试验过程

开展不同激发方式的微水试验，激发方式有注水式、冲击式、提水式、瞬间抽水式4种。

（1）注水式。利用固定容量的漏斗作为注水装置，分别注入不同体积的水使水头发生不同程度的变化，监测地下水位的恢复过程。通过多次注水获取地下水位变化曲线，进而求取各次试验的渗透系数。由于砂层渗透性较好，因此每组注水式微水试验一般仅需3～5 min（见图4）。

（2）振荡棒式（冲击式）。振荡棒式微水试验利用一定体积的重物瞬间坠入孔中地下水以下或者瞬间从地下水位以下提出水面，引起孔内水位瞬间抬升或者降落。该类型微水試验可分为两个过程：第1个过程是冲击过程，将重物快速沉入水中造成水位抬升，观测水位恢复过程（见图5）;待水位恢复到初始水位后，进行第2个过程——提出过程，即把重物快速提出水面引起水位下降，观测第2个水位恢复过程，提出过程相当于提水式微水试验。本次共进行了4组振荡棒式微水试验。

（3）提水式。提水式微水试验和注水式相反，是从孔中瞬间提出一定体积的水造成水位变化。提水式微水试验相当于振荡棒式微水试验的提出过程（见图6）。本次共进行6组提水式微水试验，4组有效。

（4）瞬间抽水式。瞬间抽水式微水试验利用水泵等抽水设备，在很短的时间内抽出一定体积的水，然后观测水位变化过程。它与提水式微水试验类似，所不同的是，前者是利用电力抽水设备抽水，可以激发的水位变幅更大，后者是人工提水，但二者都强调瞬时性。

本次共在潜水含水层中开展8组瞬间抽水式微水试验。不同强度瞬间抽水的水位变化曲线如图7所示。

3.3.2 求解方法

微水试验计算参数的理论模型很多，常用的有Kipp模型、CBP模型、Hvorslev模型和Bouwer-Rice模型等，其中潜水含水层微水试验通常采用Bouwer-Rice模型进行计算，其适用条件为：非承压含水层，均质各向异性多孔介质，定水头有限直径圆岛形边界条件，忽略含水介质的弹性储水效应，几何模型如图8所示。

由表4可以看出，不同激发方式的微水试验计算结果较为接近，注水式、提水式和瞬间抽水式的K值范围为9.13～9.37 m/d，冲击式略大，为10.24 m/d。主要原因是冲击式微水试验在重物快速坠入孔内地下水位以下时，对水体产生了较大的冲击和波动，造成数据有一定浮动，进而对计算结果产生了一定影响。总体上看，不同类型、不同激发高度微水试验的计算结果较为接近，相互之间的偏差较小，表明试验的重复性较好，试验本身较为可靠。

4 结果对比分析

为了分析不同类型试验之间的差异，将不同试验计算结果列表进行对比（見表5）。由表5可以看出，K值大小有如下关系，抽水试验>注水试验>微水试验，对应的试验平均值分别为16.71、14.75、9.54 m/d。抽水试验和注水试验计算结果分别是微水试验的1.55倍和1.75倍。

不同试验方法对含水层的扰动强度和影响范围是不同的，一般来讲，抽水试验历时长，对试验井附近的含水层地下水扰动较大，影响范围也较大，因此工程勘察中一般采用抽水试验的结果作为含水层水文地质参数的建议值，而注水试验影响相对较小，微水试验更是突出了“微”，因此含水层地下水扰动强度的差异和尺寸效应造成了不同试验结果的差异。文献[5]指出南水北调中线温博段补充水文地质勘察过程中在现场开展了抽水、注水和微水三种原位试验对比，得到的结果和本次物理模型试验结果是一致的，即微水试验的结果偏小。但作为一种便携的、快捷的含水层参数原位测试方法，在不具备开展抽水试验、注水条件时，仍是一种很好的选择。根据本次物理模型试验结果，并结合前人的对比试验研究结论，在实际工程勘察过程中，可根据水文地质特性和扰动强度的不同，将微水试验结果扩大1.5～5.0倍，作为试验含水层水文地质参数的建议值。

5 结 论

通过开展抽水试验、注水试验和微水试验三种不同类型的物理模型试验，得出如下结论。

（1）利用抽水试验、注水试验获取的含水层渗透系数均大于微水试验的，计算结果分别是微水试验结果的1.75倍和1.55倍。

（2）对含水层扰动的强度不同和尺寸效应是造成试验差异的原因。

（3）不同激发方式微水试验的结果较为相近，同一激发方式下不同水头激发高度的微水试验结果也较为接近，微水试验的重复性较好，总体上是一种可靠的测试水文地质参数的方法。

（4）微水试验作为一种便捷的含水层水文地质参数原位测试方法，由于其对含水层扰动的强度相对较小，试验影响范围有限，和抽水试验相比尺寸效应明显，因此在今后勘察工作中可将其参数计算结果适当扩大1.5～5.0倍，作为参数选取的建议值。

参考文献：

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[3] 杨建锋，李同斌，许颖.弱透水层水文地质参数确定方法的探讨[J].世界地质，1995，14（4）：53-58.

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[6] 徐连锋，马东亮，杨正春，等.微水试验在湖西堤裂隙粘土渗透试验中的应用[J].治淮，2012，31（8）：21-23.

[7] 徐海洋，周志芳.岩土体渗透性参数现场快速测试系统应用[J].勘察科学技术，2011，29（5）：26-29.

[8] 赵燕容，周志芳.基于Kipp和CBP模型确定含水层渗透性的现场微水试验对比研究[J].工程勘察，2012，40（12）：32-38.

[9] 中华人民共和国水利部. 水利水电工程钻孔抽水试验规程：SL 320—2005[S].北京：中国水利水电出版社，2005：22-29.

[10] 中华人民共和国水利部.水利水电工程注水试验规程：SL 345—2007[S].北京：中国水利水电出版社，2007：14-26.

【责任编辑 张华岩】