自振法试验在砂卵砾石层中的应用

付官厅 王祖国 韩治国 刘学工

自振法抽水试验方法是1985年在洛桑召开的国际大坝会议上提出的一种测定含水层渗透系数的新方法。在国家 “八五”科技攻关期间,由成勘院承担的 “八五”国家科技攻关项目专题之一。“自振法测定岩土渗透系数”通过了鉴定,并进行了自振法抽水试验与常规抽水试验的对比实验,对比实验的相关系数0.923。

1 自振法抽水试验简介

自振法抽水试验方法是采用钻孔水文地质综合测试仪进行,该方法是一种新方法。与常规抽水方法相比,具有设备轻,操作简单,省工省时,试验周期短,自动化程度高,对钻孔结构要求低,数据可微机处理且适用于小口径钻孔及多层含水结构等几方面的特点。

当常规抽水试验受某些试验条件、设备限制时,可以采用自振法试验来完成。

1.1 基本原理

自振法是基于水在含水层中具有可流性与渗透性,可流性是指水是在系统中可以自由流动的连续体,而系统中介质的阻尼性,产生了水的渗透特性,这也是水体发生振荡的主要原因。

自振法的原理是将钻孔内的水体及其相邻含水层一定范围内的水体视为一个系统,通过向钻孔施加一个瞬时压力,再突然释放,钻孔内的水体及其相邻含水层一定范围内水体因此而失去平衡,水体发生振荡,经过几个短暂的振荡过程再恢复到初始位置,从而形成一个自由振荡。通过测量和分析计算这一过程,最终即可得到含水层的渗透系数。

1.2 抽水试验设备

抽水设备包括密封器、压力传感器及二次仪表、气泵、过滤器、止水栓塞等。参见图1。

1.3 工作步骤

(1)用过滤器和止水栓塞等对选定试段进行隔离。

(2)将压力传感器通过密封器放入钻孔中地下水位以下2～3 m。

(3)激发:用气泵向钻孔内充气,对地下水面施加一个压力,使地下水位下降,然后突然释放,使含水层水体产生振荡。

(4)测量:为保证资料整理,测量记录须从加压前开始,要记录从水位下降至水位恢复到稳定为止,以便计算水文地质参数,该项工作由钻孔水文地质综合测试仪自动记录。

图1 自振法抽水安装示意图

1.4 成果整理与计算

含水层渗透系数按下式计算

式中 Kf——含水层渗透系数,m/s；

d——试段长度,m；

γw——水位变幅段内的钻孔半径,m；

μ——含水层弹性储水系数或给水度,第四系松散土层取值范围,砂卵砾石在0.35～0.30之间,粗砂在0.25～0.30之间,细砂在0.15～0.20之间,亚黏土在0.07～0.04之间,泥质胶结的砂岩在0.03～0.02之间,……；

β——阻尼系数,根据水体振荡波形曲线确定。

Ww——水体自振频率。

其中 Ww=

式中 g——重力加速度,m/s；

H0——地下水高出含水层顶板高度,m。

计算步骤如下:

(1)根据工作中的测量记录绘制Wt/Wo—t曲线及lg(Wt/Wo)—t曲线；

(2)计算lg(Wt/Wo)—t曲线的斜率m；

n为选定时间范围内的测点数。

(3)计算振荡阻尼系数β；

(4)将各值代入式(1),即可求得含水层渗透系数Kf。

2 应用实例

2.1 工程简介

山西省引黄工程总干线三级泵站位于偏关县岩头寺东北约800 m,紧邻平(鲁)—偏(关)公路。泵站设有主厂房、副厂房、进水池、扩大前池及出水压力洞等建筑物。泵站扬程80 m,流量80 m3/s。

泵站厂区位于偏关河右岸阶地,地面高程约1 222 m。

2.2 钻探及抽水方法

钻孔开孔孔径为20.32 cm,终孔孔径为130～110 mm。砂卵砾石层采用管钻,下入20.32 cm套管护壁,下入深度1.70 m。基岩段则采用合金、金刚石钻头清水循环钻进。

勘察区范围内揭露的地层由老至新简述如下。

寒武系凤山组(∈3f):上部为薄层泥质条带灰岩,灰色,条带为锈黄色,薄板状,强—弱风化。下部为中厚夹厚层泥质条带灰岩,灰色,岩芯完整,呈长、短柱状。其厚度大于20.20 m。

第四系上更新统(Q3al+pl)冲洪积砂卵砾石:砂以粉细砂为主,含少量粘粒成分,浅棕黄色；含量20%～30%。卵砾石成分为灰岩,粒径一般为3～10 cm,最大大于20 cm。底部卵砾石上见蜂窝状小溶孔及锈色浸染。此层厚4.60～7.40 m。

第四系全新统 (Q41al+pl)冲洪积砂卵砾石:砂以粉细砂为主,含少量粘粒成分,浅棕黄色；含量20%～30%。卵砾石成分为灰岩,灰色,无分选,磨圆度一般,含量70%～80%。粒径一般为5～10 cm,最大大于30 cm。此层厚3.30～7.90 m。

第四系全新统人工回填(Q4r)砂卵砾石:砂以粉细砂为主,含少量粘粒成分,,浅棕黄色,含量20%～30%。卵砾石成分主要为灰岩,灰色,含少量砂岩及白云岩。无分选,稍具磨圆度,粒径一般为5～10 cm.最大大于20 cm,含量70～80%。此层较密实,有碾压现象,厚1.40～5.00 m。

自钻孔揭露的地层分析,总干线三级泵站砂卵砾石层上部为Q4冲洪积砂卵砾石层,厚度3.3～7.9 m,下部为Q3砂卵砾石层,厚度5.1～9.0 m。下伏为寒武系凤山组(∈3f)泥质条带灰岩地层。

自振法抽水试验可应用的前提有4种,其中与砂砾石相关的有两种,即:①在某些深度覆盖层地区,由于钻探的需要,孔内下入的套管深度较大,无法安装过滤器。②含水层出水量较大,水泵出力不足,地下水的降深不能满足常规抽水试验的要求。

本次抽水试验符合上面提及的两种条件。

测试段选择在第四系全新统砂卵砾石含水层中进行,基岩段用水泥砂浆进行回填。抽水前量测含水层稳定水位以备计算之用。

自振法抽水试验工作时地下水位高程为1 207.96 m,含水层厚13.20 m,抽水段孔深为1.20～14.40 m。自振法抽水按曲线计算出的渗透系数Kf值为50 m/d,即5.788×10-2cm/s,为中等—强透水性。

自振法抽水成果见表1、图2、表2。

表1 引黄入晋工程总干线钻孔自振法抽水综合表

图2 引黄入晋工程总干线钻孔自振法抽水综合图

表2 计算参数表及计算公式

3 结 语

(1)传统的抽水方法要求要有一定的孔径,设备,工序较繁,即需主抽水孔,又需数个观测孔,人力物力投入大,试验时间长。

(2)自振法抽水是一种新方法。与常规抽水方法相比,具有投入小,时间短,设备轻、自动化程度高,数据可微机处理且适用于小口径钻孔及多层含水结构等几方面的特点。

(3)自振法抽水只能计算渗透系数。

1 DL/T5231—2005,水电水利工程抽水试验规程 [S].