常州微水試驗(yàn)在確定含水層滲透系數(shù)應(yīng)用對(duì)比

秦宗浩

(常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213000)

水文地質(zhì)參數(shù)是研究地下水運(yùn)動(dòng)問題的重要參數(shù)[1]。目前，國內(nèi)測(cè)定含水層滲透系數(shù)的主要方法為抽水試驗(yàn)，該試驗(yàn)常常耗費(fèi)大量的人力物力，且用時(shí)較長(zhǎng)[2]，而且對(duì)于滲透性較弱、儲(chǔ)水性較差的地層，抽水試驗(yàn)往往不適用[3]。而微水試驗(yàn)作為另一種獲取水文地質(zhì)參數(shù)的野外試驗(yàn)方法，具有操作簡(jiǎn)便、試驗(yàn)周期短及對(duì)含水層擾動(dòng)較低等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。該試驗(yàn)方法的基本原理是通過瞬時(shí)改變井中的水位，使之快速上升或者下降一定高度，觀測(cè)水位隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)[7]。國外微水試驗(yàn)的研究開展得較早，研究成果較多，常用的有Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型、Cooper模型和Kipp模型等[8]，國內(nèi)對(duì)于微水試驗(yàn)的研究主要在國外的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行且在工程實(shí)踐中應(yīng)用較少[9]。因此，本文以常州市某場(chǎng)地承壓含水層的抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，分別計(jì)算土層滲透系數(shù)，對(duì)兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為微水試驗(yàn)在常州地區(qū)的推廣應(yīng)用提供工程實(shí)踐。

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

本次研究結(jié)合常州地區(qū)2個(gè)工程項(xiàng)目，以本地區(qū)研究較多的第Ⅰ承壓層為研究的目標(biāo)層位。

試驗(yàn)場(chǎng)地A位于常州市鐘樓區(qū)某地塊內(nèi)，擬建辦公樓1座及地下車庫，根據(jù)工程勘察結(jié)果結(jié)合井位處成井情況，承壓水賦存于④1,⑤1,⑤2,⑤3,⑤4層中，上下相鄰?fù)翆訛橄鄬?duì)隔水層，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，主要由長(zhǎng)江、運(yùn)河水補(bǔ)給。該層頂板平均黃海高程-1.97 m，底板平均黃海高程-28.87 m，層厚約為26.9 m。試驗(yàn)場(chǎng)地B位于常州市天寧區(qū)某地塊內(nèi)，擬建商業(yè)大樓及地下車庫，根據(jù)工程勘察結(jié)果結(jié)合井位處成井情況，承壓水賦存于⑤1,⑤2層中，上下相鄰?fù)翆訛橄鄬?duì)隔水層，該層頂板平均黃海高程-2.00 m，底板平均黃海高程-12.00 m，層厚約為10.0 m(見表1)。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地土層分布情況表

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本次在場(chǎng)地A內(nèi)布設(shè)6口試驗(yàn)井(CS1,CS2,CS3,WS1,WS2,WS3)，均為承壓含水層完整井，其中CS1,CS2,CS3作為一組進(jìn)行抽水試驗(yàn)，CS1為抽水井，CS2和CS3為觀測(cè)井，在WS1,WS2和WS3三口井中進(jìn)行微水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)在完成微水試驗(yàn)且在水位完全恢復(fù)后進(jìn)行。在場(chǎng)地B內(nèi)布設(shè)6口試驗(yàn)井(CS4,CS5,CS6,WS4,WS5,WS6)，為承壓含水層完整井，其中CS4,CS5,CS6作為一組進(jìn)行抽水試驗(yàn)，CS5為抽水井，CS5,CS6為觀測(cè)井，在WS4,WS5,WS6三口井中進(jìn)行微水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)在完成微水試驗(yàn)且在水位完全恢復(fù)后進(jìn)行。井深結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 井深結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)水位確定其為承壓含水層，按觀測(cè)井降深、時(shí)間作log(s)-log(t)曲線圖。經(jīng)分析比對(duì)，觀測(cè)井前期抽水試驗(yàn)曲線與泰斯標(biāo)準(zhǔn)曲線基本吻合，見圖1。

表3 抽水試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 微水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)

(2)

(3)

(4)

表4 微水試驗(yàn)結(jié)果表

2.3 兩種試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

使用“相對(duì)偏差”來評(píng)價(jià)試驗(yàn)場(chǎng)地微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)兩種原位測(cè)試方法測(cè)試滲透系數(shù)的差異，相對(duì)偏差是使用兩種方法測(cè)得的結(jié)果之差比上兩者之和的絕對(duì)值，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 滲透系數(shù)計(jì)算值對(duì)比結(jié)果

從表5中可以看出，微水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法的相對(duì)偏差分布在0.18%～9.74%范圍內(nèi)，整體上兩者差異性均小于10%，可以看出采用微水試驗(yàn)在一定程度上能較好的代替抽水試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的土層進(jìn)行滲透系數(shù)的測(cè)定。

但在研究區(qū)第Ⅰ承壓含水層中進(jìn)行的微水試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)數(shù)值均小于場(chǎng)地抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，造成這一差異的原因主要有兩點(diǎn)：第一點(diǎn)是兩者有著不同的影響范圍，抽水試驗(yàn)影響范圍更大，反映的是場(chǎng)地較大范圍土層的平均滲透系數(shù)，而微水試驗(yàn)并不像抽水試驗(yàn)需要連續(xù)抽取大量地下水，其影響半徑一般認(rèn)為在10 m左右[11]，只能反映鉆孔周圍一個(gè)較小范圍的土層滲透系數(shù)，這決定了在同一個(gè)場(chǎng)地內(nèi)部，由于土層的非均質(zhì)性，微水試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果存在著一定差異。其次鉆孔存在著皮膚效應(yīng)[12]，即成井過程中，對(duì)井四周土層的擾動(dòng)破壞了鉆孔周圍含水層的性質(zhì)，從而引起的地質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化。為此，鞠曉明提出了定量化皮膚效應(yīng)的公式[13]：

(5)

其中，Q為抽水井抽水流量，m3/s；ΔV為水量變化,m3；Δt為抽水時(shí)間，t；ΔH為水頭變化值，m。計(jì)算得出兩次抽水試驗(yàn)的Cw分別為403.53 cm2和459.71 cm2，將Cw和鉆孔的橫截面積176.63 cm2進(jìn)行對(duì)比，判斷皮膚系數(shù)為負(fù)值，說明鉆孔周圍土層的滲透性在成井過程中受到干擾，土中的細(xì)顆粒被帶出了土層，增大了鉆孔周邊土層的孔隙度和滲透率。

3 結(jié)論及建議

1)相比于抽水試驗(yàn)，微水試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)快速、結(jié)果可靠，是一種地層滲透性的有效原位測(cè)試方法，對(duì)常州地區(qū)含水層特性及現(xiàn)有成井工藝適用性相對(duì)較好，具有推廣應(yīng)用的可行性。2)在研究區(qū)第Ⅰ承壓含水層中，微水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果普遍略微低于抽水試驗(yàn)結(jié)果，這主要是因?yàn)槌樗囼?yàn)成井過程中的皮膚效應(yīng)，較低的皮膚系數(shù)表明了鉆孔周邊土層的滲透性較原始地層增大。3)微水試驗(yàn)影響半徑較小，測(cè)得的滲透系數(shù)結(jié)果難以代表整個(gè)地區(qū)的滲透系數(shù)，應(yīng)注意地層分布的均勻性和穩(wěn)定性對(duì)結(jié)果的影響，在同一場(chǎng)地進(jìn)行微水試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際地層情況選取有代表性的區(qū)域布設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)，同時(shí)微水試驗(yàn)可為場(chǎng)地滲透系數(shù)不均一性提供一定依據(jù)。