水电工程钻孔振荡式渗透试验的发展

徐海洋, 崔中涛

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610079)

水电工程钻孔振荡式渗透试验的发展

徐海洋, 崔中涛

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610079)

钻孔振荡式渗透试验是一项成本低、简单、试验历时短、无需抽出或注入大量水的现场水文地质试验。近年来,振荡式渗透试验发展成为一项评价含水层渗透参数空间变化特征以及低渗透性岩土体渗透特性的重要水文地质试验技术方法。介绍其基本概念和原理、技术特点及发展,对比三种激发方式的优缺点,认为注水(抽水)式振荡试验更加方便快捷,并在深厚覆盖层和地下水位埋深较大的隧道工程勘察中进行了应用,取得了较好的效果。

振荡式渗透试验;水文地质试验;渗透系数

目前,国内测定渗透性参数的主要手段为抽水试验,其它的一些替代方法,诸如简易注水、水位恢复法、物探法等,由于本身存在着较大缺陷,如精度差、实际应用困难等,均无法取代抽水试验。而抽水试验既耗费资金又非常繁琐,尤其对于埋深较大、渗透性较弱的含水层,做抽水试验非常困难。在这种情况下,振荡式渗透试验方法应运而生。

自1951年Hvorslevr提出微水试验法原理之后,Cooper等(1967)、Bouwer and Rice(1976)、Kipp(1985)、Zenner(2002)等对微水试验法作了广泛、深入的研究,使得该方法已逐步广泛地应用于岩土体渗透系数的野外测定[1-5]。该方法在试验数据处理方面,由应用于承压含水层的完整孔到用于潜水含水层的完整或非完整孔的方法,进一步开发了用于潜水和承压含水层的数据处理方法;试验技术上,由只在单一含水层试验发展到目前可以在多层分层试验,开发了排除各非试验层干扰的栓塞等方法,数据采集采用了各种水位传感器和自动记录装置。

1 基本概念和原理

振荡式渗透试验是在一个试验钻孔中,瞬间抽取/灌入一定体积的水,记录钻孔中水位上升/下降的变化规律,从而计算钻孔周围岩土体渗透性参数的一种简易方法,如图1-(a)、(b)所示。图1-(c)为振荡式渗透试验水位—时间响应曲线[6]。振荡式渗透试验有多种激发方式,如瞬间抽水、瞬间注水、振荡棒瞬间落入钻孔中或从钻孔中取出、密闭井孔并充(吸)气等等。振荡式渗透试验不仅能用来确定含水层的导水系数,还可以对贮水系数作数量级上的估计。

振荡式渗透试验的原理[7]: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,采取某种激发方式使系统失去平衡,水体开始振荡。测量和分析这个振荡过程,就是自振法试验研究的内容。振荡过程可用以下振荡方程来表述:

(1)

该振荡方程有两种解:

(2)

(3)

这表明系统振荡存在着两种形式:式(2)为指数振荡,式(3)为周期性的指数振荡。相应的水位恢复也有两种方式:式(2)表明水位随时间的推移而趋向稳定,式(3)表明水位呈周期性振荡,且随时间的推移而趋向稳定。通过求解这个振荡方程建立起阻尼系数β与含水层的渗透系数K和固有频率ωw的关系,即可计算含水层的渗透系数。

图1 振荡式渗透试验原理及其水位—时间响应曲线Fig.1 Principle of slug test and response curve of water table-time

2 振荡式渗透试验技术特点及发展

2.1 振荡式渗透试验优点

振荡式渗透试验具有以下优点:

(1) 既无需从含水层抽出大量的地下水,也无需向含水层注入大量的水,因而既不必考虑对抽出的地下水进行储存和处理的问题,也不必担心注水可能造成含水层污染的问题。在环境水文地质调查中,抽水试验抽出的大量地下水的储存和处理是一个非常费时、费力、费钱的问题,在干旱缺水地区开展注水试验需要对水源特别计划。而振荡式渗透试验很好地解决了这些问题。

(2) 当地下水位埋深较大时,由于水泵扬程的制约,无法进行抽水试验时可采用振荡式渗透试验。

(3) 试验简单。仅仅需要记录水位随时间的变化。

(4) 试验历时相对较短。无论对于高渗透性含水层,还是低渗透性含水层,相对于其他现场水文地质试验,振荡式渗透试验历时较短。特别是对于低渗透性或极低渗透性岩体,振荡式渗透试验具有更显著的优越性。

(5) 试验成本较低。振荡式渗透试验需要的设备(压力测量设备和定体积物体等)和人力(1或2人)较少,因而成本极低。

2.2 激发方式优缺点对比

试验水头变化激发方式有注水(抽水)式、气压式和振荡器式三种。

注水式振荡渗透试验:运用一定试验手段(如水泵和水桶等)瞬时将一定量水体注入钻孔中,以激发振荡试验。该激发方式优点:能够使用较少的试验仪器快速地激发水头。缺点:容易产生水花飞溅,不能得到较高质量的试验数据。抽水式振荡渗透试验:在保证水泵在试验过程中始终处于钻孔水面以下的前提下,短时间内抽取一定量水体以激发振荡试验。该激发方式优点:能够使用较少的试验仪器快速地激发水头,而且能得到较高质量的试验数据。缺点:当地下水位埋深较大时,无法有效从钻孔中抽取一定量的水来激发试验。

气压式振荡渗透试验:当井内空气压力增加,水位将下降直到水压“上升”,与气压“下降”压力相等时为止。一旦水位稳定后,快速打开释放阀门,瞬间释放井内空气压力。从而在没有水花飞溅的情况下,水位恢复至原位。优点:当正确使用本方法时,相对于其它激发方式而言,可以得到最高质量的数据,而且可测量其它激发方式不能测试的极高K值的地层。缺点:需要较多设备激发水头,而且对设备的密封要求较高。在低渗透性地层中,加压阶段耗时通常为激发测试耗时的两倍,并需要进行渗漏测试。许多单位都在工程中应用气压式振荡试验来获取含水层的水文地质特性,有十里铺水电站、白鹤滩水电站等,并且取得了良好的效果。

振荡器式振荡渗透试验:快速将一定体积的振荡器落入钻孔水面以下或者将其沉入钻孔水面以下,待井水位恢复后快速拉离水面,从而产生机械冲击以激发振荡试验。该激发方式优点:能够使用较少的试验仪器快速地激发水头。缺点:由于振荡器体积有限,在渗透系数较大的地层水头激发高度不够,不能取得有代表性的试验数据。

2.3 振荡式渗透试验技术发展

2009年5月1日起实施的《钻孔振荡式渗透试验规程》是作为中国水电工程顾问集团公司的企业标准,也是目前国内第一本关于振荡式渗透试验的规程。规程对气压式振荡试验作了详细的规定。

随着振荡式渗透试验在许多工地的应用,对振荡式渗透试验有了更加全面地了解和认识。笔者发现:虽然气压式振荡试验可以得到最高质量的数据,可测量渗透系数较小的地层,但是需要较多设备激发水头,对设备的密封要求较高。在低渗透性地层中,加压阶段耗时通常为激发测试耗时的两倍,而且需要进行渗漏测试。注水(抽水)式振荡试验不仅能够使用较少的试验仪器快速地激发水头,而且能得到较高的试验数据。和气压式振荡试验相比较,注水(抽水)式振荡试验更加方便快捷。

为了更加广泛地推广注水(抽水)式振荡试验,笔者进行了大量的现场试验。

3 应用实例

3.1 深厚覆盖层应用实例

ML电站坝址据前期勘探钻孔揭示,坝基物质主要由较均一的细颗粒物质组成,厚度超过250 m,最深可达500 m,是国内外水电工程项目中从未遇到过的超深厚覆盖层建坝项目,覆盖层层次结构相对稳定,从上至下分为4大层、6小层,见图2。

图2 工程区地层分层简图Fig.2 Engineering stratigraphic layering diagram

由于第④层埋深较浅,进行了大量的现场原位水文地质试验,注水(抽水)式振荡试验主要集中在③-3和③-2层。注水(抽水)式振荡渗透试验与传统抽水试验结果对比见表1。

表1 注水(抽水)式振荡渗透试验与传统抽水试验结果对比

从上表可以看出:注水(抽水)式振荡试验与传统抽水试验得到的渗透系数基本相当,获取的水文地质参数满足工程的需要。

与气压式振荡试验相比,注水(抽水)式振荡试验只需要使用较少的试验仪器就能快速地激发水头,而且能取得较高质量的试验数据。

3.2 基岩应用实例

重庆某隧道工程勘察中需要得到隧道顶板岩体的渗透特性,为隧道的防渗设计提供依据。隧道顶板距地面高程约450～500 m,地下水位埋深约150 m,常规压水试验和抽水试验都不具备实施条件。项目部决定采用振荡式渗透试验得出隧道顶板岩体的渗透特性。

由于钻孔太深,套管止水效果不佳,分别在孔深为560.1 m、571.7 m和584.8 m处做了3组试验。每组试验测得的全孔平均渗透系数,根据层状岩层的等效渗透系数公式[8](4),可计算得出560.1～571.7 m和571.7～584.8 m两段渗透系数。

(4)

式中:Kp为平行于层面的渗透系数;Ki为分层的渗透系数;Mi为分层厚度。

钻孔560.1～571.7 m岩心如图3所示。

图3 钻孔560.1～571.7 m岩心Fig.3 Drilling core at 560.1～571.7 m

钻孔571.7～584.8 m岩心如图4所示。

图4 钻孔571.7～584.8 m岩心Fig.4 Drilling core at 571.7～584.8 m

试段都是在潜水含水层中,采用Bouwer and Rice模型进行计算。得到渗透系数分别为7.53×10-5cm/s,8.15×10-5cm/s,8.08×10-5cm/s。

根据式(4)计算得出560.1～571.7 m段渗透系数为3.77×10-4cm/s,571.7～584.8 m段渗透系数为5.9×10-5cm/s。

通过试验结果和现场试验条件分析,560.1～571.7 m段渗透系数偏大主要是因为在试段中部有一挤压破碎带。571.7～584.8 m段岩心比较完整,渗透系数较小。

4 结语

振荡式渗透试验是计算钻孔周围岩土体渗透性参数的一种简易方法,具有试验简单,试验成本较低,试验历时相对较短,无需从含水层抽出(注入)大量的地下水,不受地下水位埋深和水泵扬程制约等优点。根据不同激发方式振荡试验的特点,注水(抽水)式振荡试验更方便快捷,将在工程中应用越来越广泛。结合工程实例,在深厚覆盖层和地下水位埋深较大的隧道工程勘察中应用了注水式振荡试验,试验结果真实、准确、可信,满足了工程设计的需要。

[1] Hvorslev,M.J..Time Lag and Soil Permeability in Ground-Water Observations[R].Mississippi:Waterways Exper.Sta.Corps of Engrs,U.S.Army,Vicksburg,1951:1-50.

[2] Herman Bouwer and R.C.Rice.A slug test for determining hydraulic conductivity of unconfined aquifers with completely or partially penetrating wells[J].Wtaer Resources Research,1976,12(3):423-428.

[3] Cooper,H. H.,Jr.,J. D.Bredehoeft,and I.S.Papadopulos. Response of a finite diameter well to an instantaneous charge of water[J].Wtaer Resources Research,1967,3:263-269.

[4] Kenneth L.Kipp,Jr.Type curve analysis of inertial effects in the response of a well to a Slug Test[J].Water Resources Research,1985,21(9):1397-1408.

[5] Matthias A.Zenner.Analysis of slug tests in bypassed wells[J].Hydrology,2002,263:72-91.

[6] 苏锐,王驹,郭永海,等.振荡式渗透试验技术与理论研究综述[J].岩石力学与工程学报,2007,26(S2):3882-3890.

[7] 中华人民共和国行业编写组.水电水利工程钻孔抽水试验规程:DL/T5213—2005[S].北京:中国电力出版社,2005.

[8] 薛禹群.地下水动力学[M].北京:地质出版社,1997.

(责任编辑：于继红)

Development of Slug Test in Borehole for Hydropower Project

XU Haiyang, CUI Zhongtao

(PowerchinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu,Sichuan610072)

Slug test in borehole is a site hydrogeological test that is low cost,simple,short duration,and without extracting or injecting large amounts of water.Recently,slug test is considered as an important technique to evaluate the spatial variations of aquifer seepage parameters and seepage characteristics of rock mass with low. The paper introduces the basic concept and principle of slug test,technical features and development,and compares the advantages and disadvantages of the three excitation modes that water injection(pumping)slug test more convenient.The method has been applied in thick overburden and groundwater depth larger tunnel engineering exploration,and has achieved good results.

slug test; hydrogeological test; permeability coefficient

2016-04-29;改回日期:2016-05-11

徐海洋(1981-),男,工程师,博士,地下水科学与工程专业,从事工程地质方面的研究工作。E-mail:xhy0720@163.com

P641.73

A

1671-1211(2016)03-0302-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.013

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160511.1629.024.html 数字出版日期:2016-05-11 16:29