利用電導(dǎo)率測(cè)井與壓水試驗(yàn)聯(lián)合評(píng)價(jià)巖體滲透性的方法

張必昌，胡 成，陳 剛，張 翛，段丹丹

(1.山西省交通科技研發(fā)公司，山西 太原 030006； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

現(xiàn)場(chǎng)水力學(xué)試驗(yàn)方法是最直接、最有效獲得含水介質(zhì)滲透參數(shù)的方法。目前使用較多的方法有Lugeon(壓水)試驗(yàn)、Slug(微水)試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)以及單環(huán)、雙環(huán)滲水試驗(yàn)等。

壓水試驗(yàn)方法是法國(guó)科學(xué)家M. Lugeon為研究巖體灌漿時(shí)透水性而提出的一種科學(xué)方法，一般采用三個(gè)壓力五個(gè)階段進(jìn)行壓水，能直觀求得巖體透水性。后來(lái)由于計(jì)算水量的需要，國(guó)外學(xué)者用吸水量換算滲透系數(shù)。當(dāng)單位吸水率較小時(shí)，國(guó)外學(xué)者基于對(duì)不同邊界條件的假設(shè)，提出了不同計(jì)算公式，其中Babushkin、美國(guó)墾務(wù)局、Richeter和Lillich提出的公式得到了廣泛的應(yīng)用[1]。這些公式都以地下水滲流服從達(dá)西定律為基本前提，且認(rèn)為試驗(yàn)后期壓水流量達(dá)到穩(wěn)定。在實(shí)際壓水過(guò)程中，地下水為非穩(wěn)定流，在壓水后期流量不一定能達(dá)到穩(wěn)定，國(guó)外學(xué)者Jacob等[2]、Enachescu等[3]、Hurst等[4]提出了基于非穩(wěn)定滲流的解析公式。裂隙介質(zhì)中節(jié)理裂隙發(fā)育具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，垂向上裂隙發(fā)育程度差異較大，從而導(dǎo)致不同深度地下水滲流情況可能不同?？紤]上述情況，Barker[5]提出“廣義徑向流”理論(generalized radial flow，簡(jiǎn)稱GRF)，并推導(dǎo)了其在壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)及微水試驗(yàn)中的滲流方程，在國(guó)外裂隙巖體滲透參數(shù)求解方面得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)壓水試驗(yàn)過(guò)程中地下水滲流情況進(jìn)行了研究探討，張禎武等[6-7]、王旭升等[8]、徐尚壁[9]進(jìn)行了研究探討，得到了不同滲流模型下的非穩(wěn)定壓水試驗(yàn)解析公式。

上述壓水試驗(yàn)理論方法均假定裂隙含水層各向同性，所求等效滲透系數(shù)為標(biāo)量，無(wú)法確定反應(yīng)巖體各向異性特點(diǎn)的滲透張量。Gringarten等[10]、Ozkan等[11]對(duì)裂隙巖體中發(fā)育各向異性單組裂隙非穩(wěn)定壓水的過(guò)程進(jìn)行了研究，提出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和解析公式。還有一個(gè)非常有效的確定鉆孔內(nèi)導(dǎo)水裂隙位置并計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)的方法，即流體電導(dǎo)率(FFEC)測(cè)井方法，Tsang等[12]、Doughty等[13]、Moir等[14]都通過(guò)研究鉆孔內(nèi)流體電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的關(guān)系推導(dǎo)出相應(yīng)計(jì)算導(dǎo)水裂隙附近滲透系數(shù)的公式。

本文針對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)定流理論解析壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足，運(yùn)用非穩(wěn)定流理論GRF模型優(yōu)化解析壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，由于通過(guò)壓水試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)在洞庫(kù)涌水量數(shù)值模擬中精度不高，造成模擬值與實(shí)際涌水量偏差過(guò)大，故采用電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)對(duì)采用GRF模型優(yōu)化解析后的壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度提高，更好地運(yùn)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題。

1 試驗(yàn)原理

1.1 電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)原理

本文引用一個(gè)新的試驗(yàn)方法即電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)(FFEC)：首先，鉆孔里的水被淡水或與原地層水含鹽度不同的水所取代。然后，以定流量的方式抽取鉆孔中的地下水，使得原地層地下水通過(guò)導(dǎo)水裂隙流入到鉆孔中，鉆孔水位下降一定深度后通過(guò)在孔內(nèi)勻速提升三參探頭測(cè)量鉆孔水的電導(dǎo)率值。同時(shí)，利用壓力傳感器對(duì)鉆孔內(nèi)的水位下降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在抽水泵開(kāi)始工作后的不同時(shí)間，可以通過(guò)分析鉆孔內(nèi)水的電導(dǎo)率與深度的剖面，從而獲得導(dǎo)水裂隙發(fā)育深度以及該范圍內(nèi)的導(dǎo)水系數(shù)。電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic map illustrating the principle of theflowing fluid electrical conductivity (FFEC) logging method

一般情況下，鉆孔內(nèi)導(dǎo)水裂隙中的水化學(xué)成分和離子含量不同，因此具有不同的電導(dǎo)率。前人已經(jīng)綜述了在常溫條件下離子濃度與流體電導(dǎo)率的關(guān)系，見(jiàn)式(1)：

σ=αC(α=1870)

(1)

式中：σ——電導(dǎo)率/(μS·cm-1)；

C——NaCl的濃度/(kg·m-3)。

假設(shè)井里的水首先被低電導(dǎo)率的水完全置換(鉆孔內(nèi)水的電導(dǎo)率下降至與替換的低電導(dǎo)率的水基本一致，可視為完全置換成功)。讓井里的水以穩(wěn)定的速率Q流出，三處導(dǎo)水裂隙就會(huì)出現(xiàn)圖中1所示的情況。一般情況下井內(nèi)不同部分的流速不同。

在給定時(shí)間t中測(cè)量的鉆孔電導(dǎo)率剖面σ(x，t)如圖1(c)所示。于是可以簡(jiǎn)單地推算出其與qiCi的關(guān)系:

(2)

式中：x1——流入的位置點(diǎn)；

δ1、δ2——一個(gè)峰值區(qū)間內(nèi)的合適距離；

rw——區(qū)間的半徑/cm；

σ0——初始電導(dǎo)率/(μS·cm-1)；

qi——流量/(m3·s-1)；

Ci——流入流體的濃度/(kg·m-3)。

α是式(1)所給的系數(shù)，這個(gè)方程假設(shè)qi和Ci都是隨時(shí)間而定的。同時(shí)，左邊的積分應(yīng)該只在相對(duì)較早的時(shí)候進(jìn)行評(píng)估，也就是說(shuō)，在相鄰的峰值重疊之前。

如果后期的結(jié)果是不可用的，我們可以用下面的方法從每個(gè)峰值處得到一個(gè)準(zhǔn)確的流量qi值。圖2顯示了一個(gè)井孔的示意圖，其中有三個(gè)流入點(diǎn)，每個(gè)滲流點(diǎn)都有流量qi、濃度Ci和位置xi。井的總流量為Q，井中的初始鹽度為C0，井底的流入量為w，圖中所示的位置為地表以下的深度。

圖2 鉆孔示意圖Fig.2 Diagram of a drill hole

為了簡(jiǎn)化討論而不失一般性，在接下來(lái)的分析中，w將被假定為零。則有公式：

(3)

式中：L0——井底附近的參考點(diǎn)，在第一個(gè)裂隙流入點(diǎn)的上游/m；

L——任意導(dǎo)水裂隙之間的一點(diǎn)/m；

QL——點(diǎn)L處獲得流入量/(m3·s-1)。

在L0中，電導(dǎo)率是恒定的，等于初始的電導(dǎo)率σ0。QL等于L0和L之間的所有q的總和加上L0的井底的流入量w。

在這里(L0-L)π是L0到L之間的井孔容積，而C(L，t)是位置L上隨時(shí)間變化的鹽度，右邊的第一項(xiàng)表示井內(nèi)的背景鹽度。如果電導(dǎo)率與鹽度呈線性相關(guān)，如式(1)，則可以通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算得出以下結(jié)果：

(4)

經(jīng)變換式(4)還可寫成：

(5)

(6)

計(jì)算過(guò)程中，在鉆孔中裂隙處的流量q和水位下降hD可以被用于計(jì)算電導(dǎo)率峰值區(qū)的導(dǎo)水系數(shù)[15]。泵的壓力響應(yīng)為零，而h是導(dǎo)水裂隙處的水頭，每個(gè)導(dǎo)水裂隙處的T都可以由式(7)確定。

(7)

式中：q——裂隙處的流量/(m3·s-1)；

T——電導(dǎo)率峰值區(qū)的導(dǎo)水系數(shù)/(m2·s-1)；

h——導(dǎo)水裂隙處的水頭/m；

hD——水位下降/m；

rwb——鉆孔半徑/m；

rout——影響半徑/m。

(8)

1.2 GRF模型基本原理

基于傳統(tǒng)穩(wěn)定流理論的壓水試驗(yàn)[16～17]將含水介質(zhì)視為各項(xiàng)同性，沒(méi)有考慮裂隙巖體的非均質(zhì)各向異性，所得滲透系數(shù)僅代表巖體的平均滲透系數(shù)，且只在壓水孔鄰近有限范圍內(nèi)有效。當(dāng)試段位于地下水位以下，透水性較小(q<10 Lu)，且曲線為A型(層流型)時(shí)，按式(9)計(jì)算巖體滲透系數(shù)：

(9)

式中：K——巖體滲透系數(shù)/(m·d-1)；

Q——壓入流量/(m3·d-1)；

L——試段長(zhǎng)度/m；

H——試驗(yàn)水頭/m；

r0——鉆孔半徑/m。

運(yùn)用上述公式求算裂隙巖體等效滲透系數(shù)時(shí)，存在以下問(wèn)題：在實(shí)際裂隙巖體中地下水滲流主要在裂隙網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，巖體中裂隙發(fā)育具有高度的非均質(zhì)性和各向異性，使得垂向上不同試驗(yàn)段地下水滲流情況有所不同，可能表現(xiàn)為一維溝槽流、二維柱狀流或是三維球面流，對(duì)于同一段壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇不同維度的滲流模型計(jì)算出滲透系數(shù)值大小差異可達(dá)到1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；實(shí)際壓水過(guò)程中，壓入流量隨時(shí)間不斷減小，地下水為非穩(wěn)定流，其達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間取決于試驗(yàn)段裂隙發(fā)育情況，用壓水后期某時(shí)刻流量數(shù)據(jù)作為穩(wěn)定流量數(shù)據(jù)計(jì)算的等效滲透系數(shù)存在一定誤差。此外，若壓水流量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)增大施工成本不利于工程進(jìn)程；穩(wěn)定流理論計(jì)算公式為半解析半經(jīng)驗(yàn)公式，為簡(jiǎn)化計(jì)算，前人用壓水段長(zhǎng)度替代試驗(yàn)“影響半徑”，這一替代是否合理尚未得到論證。由于上述問(wèn)題存在，基于穩(wěn)定流理論與非穩(wěn)定流理論的壓水試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯扑愠龅牧严稁r體滲透系數(shù)會(huì)存在差異，裂隙巖體滲透系數(shù)直接影響候選庫(kù)區(qū)可行性評(píng)價(jià)以及洞庫(kù)開(kāi)挖涌水量預(yù)測(cè)。因此，基于非穩(wěn)定流理論的壓水試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯繉?duì)實(shí)踐工程具有重要意義。

在進(jìn)行分段壓水試驗(yàn)過(guò)程中，我們無(wú)法預(yù)知試驗(yàn)段內(nèi)地下水滲流維度，而對(duì)于同一段壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇不同維度的滲流模型計(jì)算出滲透系數(shù)值大小差異可達(dá)到1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在利用壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求算滲透系數(shù)時(shí)，選擇恰當(dāng)?shù)臐B流維度模型非常重要。

為解決上述問(wèn)題，Barker針對(duì)裂隙介質(zhì)提出了n維空間的“廣義徑向流”(generalized radial flow，GRF)理論模型[5]。其基本假定如下：

(1)裂隙水流為徑向流，符合達(dá)西定律，其幾何特征可用分?jǐn)?shù)維n來(lái)表征；

(2)忽略鉆孔井壁效應(yīng)，將壓水源看作n維幾何體；

(3)裂隙含水層的天然水力坡度為0；

生物過(guò)濾介質(zhì)必須保持適當(dāng)?shù)臐穸龋岳谖⑸锷?。在臭氣進(jìn)入布?xì)夤苤巴ㄟ^(guò)增濕器對(duì)臭氣進(jìn)行增濕以確保生物過(guò)濾介質(zhì)有足夠的濕度，運(yùn)行過(guò)程中濾池下部積水，經(jīng)排水泵排入污水處理系統(tǒng)。

(4)含水層側(cè)向無(wú)限延伸；

(5)井中水頭在t=0時(shí)刻瞬時(shí)上升至hw0并保持不變；

(6)水頭上升所引起的地下水彈性儲(chǔ)存是瞬時(shí)完成的。

從幾何意義上而言，水流維數(shù)反映了流場(chǎng)中過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣eA與距源(匯)項(xiàng)距離r的方次關(guān)系。對(duì)一維、二維和三維流，A與r0,r1和r2分別成正比關(guān)系，以此類推，對(duì)n維水流，則有：

A=αnrn-1

(10)

式中：A——流場(chǎng)中過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e/m2；

r——與距源(匯)項(xiàng)距離/m；

αn——比例系數(shù)。

(11)

其中，Γ(z)為以z為自變量的gamma函數(shù)，公式為：

(12)

基于Barker的基本假設(shè)條件，壓水過(guò)程中會(huì)形成以井軸為對(duì)稱軸的分維輻向水流，若將坐標(biāo)原點(diǎn)放在井軸的含水層初始水頭處(即以地下水初始水位線作為壓力計(jì)算零線)，可將壓水試驗(yàn)條件下分?jǐn)?shù)維裂隙水井流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型歸納為定解問(wèn)題。

對(duì)定解問(wèn)題求解可得到壓水過(guò)程中含水層水頭分布h(r，t)，而在單井壓水過(guò)程中，觀測(cè)數(shù)據(jù)為試驗(yàn)井的壓入耗水量隨時(shí)間的變化。因此，結(jié)合式(10)～(12)可得Laplace空間下的流量解，通過(guò)等式變形轉(zhuǎn)換兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

(13)

式中：Q——壓水耗水量/m3；

QD(tD，n)——以無(wú)量綱時(shí)間tD為自變量，以水流維度n為參變量的井函數(shù)；

hw0——試驗(yàn)井中從壓力計(jì)算零線算起的恒定水頭壓力/MPa；

K——含水層的滲透系數(shù)/(m·d-1)；

b——含水層厚度/m；

rw——鉆孔半徑/m。

(14)

式中：a——含水層壓力傳導(dǎo)系數(shù)。

由式(11)和(12)可知，作標(biāo)準(zhǔn)曲線lgQD(tD，n)-lgtD與試驗(yàn)時(shí)壓入水量Q隨時(shí)間t變化的實(shí)測(cè)曲線，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下只是橫坐標(biāo)相差常數(shù)，而形狀相同。因此可利用標(biāo)準(zhǔn)曲線比擬法(配線法)求出裂隙水流維數(shù)n和裂隙含水層的水力學(xué)參數(shù)。

2 壓水試驗(yàn)開(kāi)展與數(shù)據(jù)解析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)水文試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在洞庫(kù)交通巷道周邊選取2個(gè)鉆孔(XD02、XD05)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。2個(gè)鉆孔均采取清水鉆井，開(kāi)孔直徑110 mm，鉆進(jìn)至中風(fēng)化層變徑為95 mm，終孔直徑95 mm，XD02孔深89 m，XD05孔深118 m。鉆孔內(nèi)殘積土層及強(qiáng)風(fēng)化層下套管，套管管角灌入堵漏王進(jìn)行封閉，之后鉆井均為裸井。鉆井結(jié)束后采用清水洗孔，靜置3 d后進(jìn)行鉆孔電視成像與鉆孔巖芯編錄，記錄鉆孔內(nèi)深大裂隙和節(jié)理破碎帶位置，之后開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)水文試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)段均處于鉆孔裸井部分。具體試驗(yàn)方法和步驟中除觀測(cè)及記錄以外的工作請(qǐng)適應(yīng)性參照現(xiàn)行的《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程(SL 31-2003)》[18]進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)求解

分別用穩(wěn)定流半解析公式和GRF模型對(duì)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，由于每段處理方法一致，本節(jié)只任意選取XD02孔第二段XD02-2進(jìn)行演示。GRF模型標(biāo)準(zhǔn)曲線由Matlab編程繪制[19]。試驗(yàn)過(guò)程配線圖如圖3所示，參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

選擇匹配點(diǎn)，可得n=1.2，t=1 770 s，Q=1.283 7 L/min，tD=407 10，QD=0.006 93

α1.2=2.669，hw0=0.8 MPa=0.8×101.29=81.032 m，b=10，rw=0.047 5 m

由GRF模型擬合曲線可知，在裂隙巖體中進(jìn)行垂向分段壓水試驗(yàn)時(shí)，各分段水流維度不一，反映了不同試驗(yàn)段裂隙滲流情況。XD02-1、XD02-2、XD02-3試驗(yàn)段與XD05-1、XD05-2試驗(yàn)段最終試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水文試驗(yàn)數(shù)據(jù)解析結(jié)果

從表1中可以看出，對(duì)于同一試驗(yàn)段，穩(wěn)定流理論第15 min試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果均大于第30 min試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。這是因?yàn)樵诜€(wěn)定流理論滲透系數(shù)計(jì)算公式中，裂隙巖體等效滲透系數(shù)K與壓水流量Q成正比關(guān)系，而在實(shí)際壓水過(guò)程，地下水流尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，壓水流量仍有減小趨勢(shì)，因此后期數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果必然變小，但兩者數(shù)量級(jí)全部一致，計(jì)算結(jié)果相差不大。

對(duì)比同一段壓水?dāng)?shù)據(jù)兩種模型解析結(jié)果，GRF模型比穩(wěn)定流模型大1～2倍。穩(wěn)定流理論物理模型為承壓完整井流，GRF理論模型為空間n維裂隙流，當(dāng)n=2時(shí)，二者物理模型一致，其計(jì)算結(jié)果基本一致，當(dāng)n趨向1或者3時(shí)，二者計(jì)算結(jié)果差異較大。不同于穩(wěn)定流理論采用壓水過(guò)程某一時(shí)刻數(shù)據(jù)計(jì)算滲透系數(shù)，GRF模型用壓水過(guò)程全部數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，因此其求算的滲透系數(shù)K更接近試驗(yàn)段裂隙巖體滲透系數(shù)的真值，且其水流維度n能反映試驗(yàn)段裂隙滲流情況，GRF模型具有更好的兼容性和實(shí)用性。

圖3 XD02-2段GRF模型擬合曲線圖Fig.3 Curve showing the GRF model fitting in section XD02-2

3 電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)開(kāi)展與數(shù)據(jù)解析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)水文試驗(yàn)

本次試驗(yàn)依然選取鉆孔XD02、XD05進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。具體現(xiàn)場(chǎng)操作步驟：①進(jìn)行鉆孔水置換，采用與原地層水電導(dǎo)率差異較大的外來(lái)水替換鉆孔中的水，本次試驗(yàn)采用市政自來(lái)水，試驗(yàn)之前用探頭測(cè)得當(dāng)?shù)刈詠?lái)水電導(dǎo)率為304 μS/cm，而鉆孔內(nèi)地下水的電導(dǎo)率大致為700～800 μS/cm，相差巨大，符合試驗(yàn)要求。自來(lái)水通過(guò)下入鉆孔底部的水文管以恒定低速率注入到鉆孔中，同時(shí)上部的泵以同樣的速度抽出鉆孔水。在這種情況下，孔內(nèi)的水被注入的水所代替，而沒(méi)有使孔內(nèi)的水頭發(fā)生較大的變化，造成擾動(dòng)，影響測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。電導(dǎo)率的監(jiān)測(cè)數(shù)值通過(guò)探頭實(shí)時(shí)記錄，直到達(dá)到一個(gè)較低穩(wěn)定的電導(dǎo)率值。②置換后沒(méi)抽水前進(jìn)行FFEC測(cè)井，作為基線。③使用不同的抽水量和水位下降(泵和壓力傳感器被放置在水位較低的淺部，低于預(yù)期的水位下降)完成測(cè)試1和測(cè)試2，完成如圖1 FFEC剖面。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)解析

根據(jù)以上步驟完成試驗(yàn)后得到如圖4所示XD05的電導(dǎo)率隨鉆孔深度變化的曲線，分別為15 min一測(cè)，30 min二測(cè)。由圖可清晰地看出曲線有3個(gè)峰值，這表示鉆孔內(nèi)有3個(gè)或3組比較大的導(dǎo)水裂隙。從鉆孔最深部的峰值開(kāi)始記作x1=79.8 m，x2=55.1 m，x3=35.8 m。

首先運(yùn)用graphpad軟件并利用式(6)計(jì)算每一個(gè)獨(dú)立峰值的qiCi。在這里將式(5)給出的L0-L劃定為峰值x1的范圍，那么此時(shí)等式左邊的QL就等于q1(第一個(gè)導(dǎo)水裂隙的流量)。則此時(shí)的Ci就可以通過(guò)分離式(7)求得的qiCi獲得。

兩次分別使水位降深10 m后的試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖4。

圖4 電導(dǎo)率測(cè)井兩次降深試驗(yàn)Fig.4 Two dip tests of conductivity logging

由于K(滲透系數(shù))=T/M(含水層厚度)，由鉆孔成像可以看出每個(gè)電導(dǎo)率峰值處的一組基巖裂隙或多組基巖裂隙≤5 m，因此為方便計(jì)算取含水層厚度為5 m。最終試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

3.3 鉆孔垂向滲透系數(shù)連續(xù)性變化計(jì)算

這里必須要說(shuō)明的一點(diǎn)是基于GRF 模型理論解析的壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)與電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)數(shù)據(jù)二者并不存在相互影響或關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，兩種試驗(yàn)為相互獨(dú)立、補(bǔ)充計(jì)算的關(guān)系。而將兩種試驗(yàn)結(jié)合運(yùn)用是因?yàn)楣P者在前期研究學(xué)習(xí)中考慮到壓水試驗(yàn)在計(jì)算裂隙巖體滲透系數(shù)的不足，選擇用GRF模型解析壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)而摒棄傳統(tǒng)的基于穩(wěn)定流理論解析壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的思路，以此來(lái)優(yōu)化壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)利用電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)計(jì)算長(zhǎng)度(導(dǎo)水裂隙范圍)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓水試驗(yàn)段計(jì)算長(zhǎng)度的特點(diǎn)可以很好地提高壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分辨率也就是精度。

結(jié)合前兩節(jié)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以做出圖5～6，表示鉆孔XD05傳統(tǒng)穩(wěn)定流理論計(jì)算滲透系數(shù)與GRF模型解析結(jié)合電導(dǎo)率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)綜合計(jì)算后的滲透系數(shù)對(duì)比情況。

圖5 XD05傳統(tǒng)穩(wěn)定流理論計(jì)算滲透系數(shù)結(jié)果Fig.5 Penetration coefficient results of traditionalsteady flow theory calculation by XD05

圖6 XD05 GRF模型解析結(jié)合電導(dǎo)率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)綜合計(jì)算后的滲透系數(shù)結(jié)果Fig.6 Penetration coefficient results after comprehensivecalculation of XD05 GRF model and conductivity logging data

由圖6可清晰地看出采用傳統(tǒng)穩(wěn)定流理論計(jì)算得出的鉆孔滲透系數(shù)比采用GRF模型解析計(jì)算得出的滲透系數(shù)整體偏小，前文已對(duì)其進(jìn)行分析，并且文章最后采用將GRF模型解析結(jié)果與電導(dǎo)率測(cè)井中得出的導(dǎo)水裂隙附近區(qū)域的滲透系數(shù)綜合計(jì)算的方法，得到比采用傳統(tǒng)穩(wěn)定流理論方法更加精細(xì)的垂向上的滲透系數(shù)的變化曲線。研究成果對(duì)水封洞庫(kù)效果評(píng)價(jià)、洞庫(kù)涌水量預(yù)測(cè)及洞庫(kù)營(yíng)運(yùn)期間滲流場(chǎng)特征及水封性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更具實(shí)際參考價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)分段壓水試驗(yàn)過(guò)程中，注入流量隨時(shí)間有減小的趨勢(shì)，減小幅度與試驗(yàn)段裂隙發(fā)育特征相關(guān)。采用穩(wěn)定流理論計(jì)算裂隙巖體滲透參數(shù)時(shí)，等效滲透系數(shù)K與壓水后期流量Q成正比例關(guān)系，壓水持續(xù)一段時(shí)間(15 min)后，雖注水流量仍有減小趨勢(shì)，但求算滲透系數(shù)差異很小，均在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。水流維度n在一定程度上能反映試驗(yàn)段優(yōu)勢(shì)滲流裂隙組數(shù)，本次試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果比穩(wěn)定流模型大1～2倍，廣義徑向流(GRF)理論模型求參具有更高的正確性與完整性。

(2)在電導(dǎo)率測(cè)井試驗(yàn)中準(zhǔn)確地定位到了垂直鉆孔中大的導(dǎo)水裂隙的位置，求出導(dǎo)水系數(shù)并結(jié)合鉆孔成像確定含水層厚度，其結(jié)果可應(yīng)用于滲透系數(shù)K值的計(jì)算中。將壓水試驗(yàn)通過(guò)GRF模型數(shù)據(jù)解析得出的每10 m段的滲透系數(shù)做進(jìn)一步細(xì)化平均，得到比傳統(tǒng)穩(wěn)定流理論計(jì)算的垂向上的滲透系數(shù)更加合理并且更加細(xì)化能夠體現(xiàn)非均質(zhì)性的滲透系數(shù)值。