钻孔注水试验技术在地质勘察中应用

葛鸿辉 徐秦

摘 要：根据钻孔注水试验原理，通过对抽水试验和室内渗透试验数据分析，在地质勘察现场水文试验来说，只要井管结构合理、洗孔彻底，其真实性、准确性均应该比室内试验要高，值得应用推广。

关键词：钻孔注水试验；实验分析；渗透系数；

1.钻孔注水试验技术

1.1 试验原理

弱透水岩土层一般透水比较缓慢，历时比较长，垂向上多呈层状沉积，而水平向上均匀性则较好。潜水含水层中钻孔常水头注水试验通过向钻孔内注入稳定流量的清水，经过一定时间后，流量和水位均趋于稳定，测定流量和水位值以计算求取土层渗透系数，其试验原理类似于潜水含水层的单孔稳定流抽水试验，抽水试验是抽取稳定水量形成稳定降深，注水试验则是注入稳定水量形成稳定水头，两者过程相类似。但两者不同的是，稳定流抽水试验由于抽水形成降落漏斗，地下水的补给沿漏斗呈曲线状渗流进入抽水孔，其渗流线离孔越远，水流越接近于水平，形成的等水头面为共轴旋转曲面，在孔内水位变化不大的情况下，水流属缓变流，渗透速度的垂向分量相对于水平分量来说很小，近似可以忽略。故完整井抽水试验渗透系数的计算多采用二维流以简化计算。而注水试验过程中由于孔内水头压力作用，水流向外渗流，在孔外侧受含水层原水、土压力的限制，表现为越向下外渗阻力越大，其反漏斗形成主要表现为水压力的传递变化，而并非实际水流的变化。因此，注水试验水流外渗应该以水平向外渗为主，求取渗透系数也可以采用完整井抽水常用的二维流方法以简化计算渗透系数的过程。具体可见图1。

图1 钻孔注水试验示意图

注水试验稳定流计算推导公式的简化和假定条件：

（1） 含水层均质各向同性，隔水底板为水平；

（2） 天然水力梯度为零；

（3） 试验时，影响半径范围内无渗入和蒸发，各过水断面的流量不变，且影响半径的圆周上为定水头边界；

（4） 滤水管底部为水平外渗，忽略向下渗透。设注水孔为h 轴（以滤水管底为0，向上为正） ，沿水平方向为r 轴（滤管中心为0，向外为正） ，把等水压力面近似看成同心的圆柱面，由裘布依公式可得出渗水的方程：

即：

由于圆柱面当ro →R时，水头压力由L+h+Sw→L+h，通过两边积分得：

经整理得 ： （1）

式中： Q 为注水流量（L·s-1）， k为渗透系数

（ cm·s-1）， r0为滤水管半径（cm） ， L为滤水管长度（cm）， h0为静止水位至滤水管顶部长度（cm）， Sw为注水孔内水头高度（cm） 。

R为注水反漏斗影响半径（cm） ，可根据库萨金经验公式：

（2）

式中H为含水层厚度（cm） ，

由此，经过（1）式和（2）式反复迭代计算可求出渗透系数k值。

1.2试验方法

（1） 試验孔位置选择时需排除距离河道太近、周边有抽水等可能影响试验精度的因素。

（2） 注水试验井管安装可同抽水试验，具体可参照《供水水文地质勘察规范》（ GB50027 -2001）相关要求进行。注水孔地面以下1～2m需止水回填，试验管口宜高出地面1～1.5m左右。

（3） 正式试验前可以进行预注水，通过不断调节注水的流量直至水位渐近孔口，以不溢出管口为宜，确定试验时可采用的稳定注水流量。

（4） 在试验前应精确测定在预注水时确定的稳定流量和静止水位，正式试验操作在记录时间的同时持续向孔内稳定流注水，水头开始可按5～10min观测一次，等基本稳定后改为30min观测一次。

（5） 稳定标准：在稳定时间段内，注水流量波动不超过正常流量的5%，动水位波动值不超过2～3cm。

（6） 注水稳定延续时间一般不少于6～8h。

（7） 试验结束后宜进行恢复水位观测，并再次测定静止水位。

1.3 资料整理

（1） 通过试验，最终可取得稳定流注水流量Q（L·s-1 ）和稳定水头高度Sw ，结合试验时间绘制出Q、Sw - T曲线图，并绘制出注水孔安装结构图（包括成孔工艺和技术措施等） 。

（2） 最终可确定出计算所需参数：稳定流注水流量Q（L·s-1） 、稳定水头高度Sw（cm） 、r0为滤水管半径（cm） ， L为过滤管长度（cm） ， h0为静止水位至滤水管顶部长度（cm） 。渗透系数的计算可通过上述（1） 、（2）式确定。

（3） 编写钻孔注水试验报告，内容包括：试验目的、要求、方法，岩土层渗透系数计算过程，试验质量评述。

2.技术应用

某市政隧道沿线深度3.2～14.0 m，以弱透水岩土层（粉质粘土）为主，施工时降水、排水均要求提供渗透系数，地质勘察过程中针对该层粉土布置了1组抽水试验和3组注水试验。

注水试验滤管采用Φ108mm圆孔式包网过滤管，底部设同径长度2m左右沉淀管，上部采用同径隔水管，管口高出地表1.5m左右，在管外侧地表下2m左右采用粘土球回填止水。成孔后经反复洗孔、冲孔至水清砂净，效果良好，注水试验结果见表1。

勘察过程中对于渗透系数进行的抽水试验和室内渗透试验，其结果见表2、表3，由不同试验结果所得渗透系数对比可知，在弱透水岩土层中采用常水头钻孔注水试验结果与稳定流抽水试验所确定的渗透系数较为接近，较室内试验所确定的渗透系数值略大。

从以上列表可以看到，对地质勘察过程中现场水文试验来说，只要井管结构合理、洗孔彻底，其真实性、准确性均应该比室内试验要高，是值得应用推广的。

3.结束语

1）、由于本方法未考虑注水管外水、土压力与管内静止水压力的差异，因此，计算只能限于潜水含水层浅部渗透系数计算的应用，过滤管埋设越深管内外压力差越大，对计算结果的影响也越大。根据经验本方法在地下水位以下、深度10 m以内的弱透水岩土层中应用较为合适，试验可采用完整井，也可采用于非完整井。

2）、弱透水岩土层透水性受其颗粒级配、密实程度、均匀程度等控制，故相同层位土层亦存在各向异性，特别是受流水作用自然沉积形成，天然状态呈层状，一般薄层理发育，由本试验计算公式可知，计算时将试验层概化为均质体，这与地质实际情况存有一定差异，计算结果仅可作为一种参考依据。

3）、弱透水岩土层地区钻孔注水试验方法较抽水试验更为简便，试验不需要在孔内设抽水设备，观测、操作简单，稳定水头容易取得，其结果与抽水试验较为接近，效果较好。试验时应注意采用合理的井管结构、洗孔效果及孔口外侧地表的止水回填，以保证试验效果。

4）、野外钻孔注水试验由于受地层、环境、注水设备等影响，注水开始阶段水位有一定波动，但随着注水时间的持续会趋于稳定，故注水时需持续有足够的稳定注水时间，以确保注水试验精度。

参考文献

[1]陈南祥. 水文地质学[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008.

[2]GB50027 - 2001. 供水水文地质勘察规范[S].北京： 中国计划出版社， 2001

[3]水利部《水利水电工程注水试验规程》（SL345-2007）

[4]有色金属工业协会《注水试验规程》（YS5214-20000）