常州微水试验在确定含水层渗透系数应用对比

秦宗浩

(常州市建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 常州 213000)

水文地质参数是研究地下水运动问题的重要参数[1]。目前，国内测定含水层渗透系数的主要方法为抽水试验，该试验常常耗费大量的人力物力，且用时较长[2]，而且对于渗透性较弱、储水性较差的地层，抽水试验往往不适用[3]。而微水试验作为另一种获取水文地质参数的野外试验方法，具有操作简便、试验周期短及对含水层扰动较低等优点[4-6]。该试验方法的基本原理是通过瞬时改变井中的水位，使之快速上升或者下降一定高度，观测水位随时间的变化关系，进而计算渗透系数等水文地质参数[7]。国外微水试验的研究开展得较早，研究成果较多，常用的有Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型、Cooper模型和Kipp模型等[8]，国内对于微水试验的研究主要在国外的研究基础上进行且在工程实践中应用较少[9]。因此，本文以常州市某场地承压含水层的抽水试验和微水试验资料为基础，分别计算土层渗透系数，对两种方法的试验结果进行对比分析，为微水试验在常州地区的推广应用提供工程实践。

1 工程概况及试验方案

1.1 工程概况

本次研究结合常州地区2个工程项目，以本地区研究较多的第Ⅰ承压层为研究的目标层位。

试验场地A位于常州市钟楼区某地块内，拟建办公楼1座及地下车库，根据工程勘察结果结合井位处成井情况，承压水赋存于④1,⑤1,⑤2,⑤3,⑤4层中，上下相邻土层为相对隔水层，根据区域水文地质资料，主要由长江、运河水补给。该层顶板平均黄海高程-1.97 m，底板平均黄海高程-28.87 m，层厚约为26.9 m。试验场地B位于常州市天宁区某地块内，拟建商业大楼及地下车库，根据工程勘察结果结合井位处成井情况，承压水赋存于⑤1,⑤2层中，上下相邻土层为相对隔水层，该层顶板平均黄海高程-2.00 m，底板平均黄海高程-12.00 m，层厚约为10.0 m(见表1)。

表1 试验场地土层分布情况表

1.2 实验方案

本次在场地A内布设6口试验井(CS1,CS2,CS3,WS1,WS2,WS3)，均为承压含水层完整井，其中CS1,CS2,CS3作为一组进行抽水试验，CS1为抽水井，CS2和CS3为观测井，在WS1,WS2和WS3三口井中进行微水试验，抽水试验在完成微水试验且在水位完全恢复后进行。在场地B内布设6口试验井(CS4,CS5,CS6,WS4,WS5,WS6)，为承压含水层完整井，其中CS4,CS5,CS6作为一组进行抽水试验，CS5为抽水井，CS5,CS6为观测井，在WS4,WS5,WS6三口井中进行微水试验，抽水试验在完成微水试验且在水位完全恢复后进行。井深结构参数见表2。

表2 井深结构参数表

2 数据分析

2.1 抽水试验结果

根据抽水试验实测水位确定其为承压含水层，按观测井降深、时间作log(s)-log(t)曲线图。经分析比对，观测井前期抽水试验曲线与泰斯标准曲线基本吻合，见图1。

表3 抽水试验结果表

2.2 微水实验结果

(1)

(2)

(3)

(4)

表4 微水试验结果表

2.3 两种试验结果对比与分析

使用“相对偏差”来评价试验场地微水试验和抽水试验两种原位测试方法测试渗透系数的差异，相对偏差是使用两种方法测得的结果之差比上两者之和的绝对值，计算结果如表5所示。

表5 渗透系数计算值对比结果

从表5中可以看出，微水试验和抽水试验两种试验方法的相对偏差分布在0.18%～9.74%范围内，整体上两者差异性均小于10%，可以看出采用微水试验在一定程度上能较好的代替抽水试验对试验场地的土层进行渗透系数的测定。

但在研究区第Ⅰ承压含水层中进行的微水试验测得的渗透系数数值均小于场地抽水试验数据，造成这一差异的原因主要有两点：第一点是两者有着不同的影响范围，抽水试验影响范围更大，反映的是场地较大范围土层的平均渗透系数，而微水试验并不像抽水试验需要连续抽取大量地下水，其影响半径一般认为在10 m左右[11]，只能反映钻孔周围一个较小范围的土层渗透系数，这决定了在同一个场地内部，由于土层的非均质性，微水试验测得的结果存在着一定差异。其次钻孔存在着皮肤效应[12]，即成井过程中，对井四周土层的扰动破坏了钻孔周围含水层的性质，从而引起的地质参数发生变化。为此，鞠晓明提出了定量化皮肤效应的公式[13]：

(5)

其中，Q为抽水井抽水流量，m3/s；ΔV为水量变化,m3；Δt为抽水时间，t；ΔH为水头变化值，m。计算得出两次抽水试验的Cw分别为403.53 cm2和459.71 cm2，将Cw和钻孔的横截面积176.63 cm2进行对比，判断皮肤系数为负值，说明钻孔周围土层的渗透性在成井过程中受到干扰，土中的细颗粒被带出了土层，增大了钻孔周边土层的孔隙度和渗透率。

3 结论及建议

1)相比于抽水试验，微水试验操作简便、经济快速、结果可靠，是一种地层渗透性的有效原位测试方法，对常州地区含水层特性及现有成井工艺适用性相对较好，具有推广应用的可行性。2)在研究区第Ⅰ承压含水层中，微水试验测试结果普遍略微低于抽水试验结果，这主要是因为抽水试验成井过程中的皮肤效应，较低的皮肤系数表明了钻孔周边土层的渗透性较原始地层增大。3)微水试验影响半径较小，测得的渗透系数结果难以代表整个地区的渗透系数，应注意地层分布的均匀性和稳定性对结果的影响，在同一场地进行微水试验时，应结合实际地层情况选取有代表性的区域布设试验点，同时微水试验可为场地渗透系数不均一性提供一定依据。