基于Slug试验测定含水层渗透系数

姚庆健++陈亚运

摘 要：Slug试验是在地下水位静止的条件下，瞬时使井孔水位产生一定幅度的變化来评价水文地质参数的原位测试方法，由于其设备便携，费用低，易操作的特点，被越来越多的人用于测定含水层的渗透系数K值。本文在分析Slug试验理论模型的基础上，采用自动监测设备记录水位，在利用Aquifer Test软件计算含水层参数。结果表明：利用Slug试验简单易行且操作周期短，在利用Aquifer Test软件很好的处理了采集数据能准确高效的计算出含水层的渗透系数。

关键词：Slug试验；渗透系数；Aquifer Test软件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.219

1 引言

Slug试验是一种测试含水层渗透性的原位测试方法，近年来以其方便、经济、不失准确性的特点在国内外快速发展并应用于工程实践中，Slug试验的方法克服了室内试验不准确的缺点，同时相比与抽水试验，压水试验更加高效经济。

Hvorslev在1951年首先将slug试验运用到实际现场的水文地质参数计算[1]，而后Ferris和Knowles（1954）在此基础上进行了改进[2]，cooper（1967）等对承压含水层参数评估方法进行了进一步修正[3]。这之后Rice（1976）以及Bouwer（1989）等人发展了考虑井阻和几何尺寸的承压、半承压、潜水层的理论计算方法[4]，Butler（1998）给出该方法的具体实施技术总结[5]，Willis （2008）等将其列为水文地质试验的常规手段及技术标准[6]。

在我国九十年代前，由于Slug试验测量工具灵敏度不高、技术和场地的限制等原因只能进行低渗透率试验且鲜有应用，更没有相关的操作程序和标准。但是随着科技发展，仪器精度的提高，Slug试验不仅解决了适用低渗透率地层的常规认识，而且对中高渗透性含水层的测试也有了大的进步。张昭栋（1990）在地震领域利用瞬时激起井水位振荡法，提出了一种测量含水层导水系数的新方法[7]。苏锐（2007）将Slug试验应用到低渗透的裂隙介质中，首次考虑温度和钻孔储存效应，进一步完善了Slug试验理论模型[8]，李星宇（2014）等人将Slug试验方法应用于岩溶裂隙水的研究中[9]。根据现今的Slug试验发展，本文以郭屯煤矿某现场Slug试验实例研究其应用优缺点。

2 计算原理模型

Slug试验方法的基本原理是在地下水位静止的条件下，瞬时使井孔水位产生一定幅度的上升或者下降后记录水位恢复过程，在将实际得到的曲线与理论曲线对比拟合求取含水层参数，原理示意图如图1所示。

2.1 Hvorslev模型

Hvorslev模型由Hvorslev等学者于20世纪50年代初建立和发展起来的。其假设条件是： 试验井孔为承压完整井； 均质多孔介质含水层； 地下水流动为达西稳定流； 忽略含水介质的弹性储水效应，即Ss= 0。如下为该模型的解析解，并可以根据直线图解法求出相关参数。

3 试验场地概况

试验场地位于山东郭屯煤矿工广，井孔为风井试验注浆孔，该孔掘进施工至井深663.6m，现场注浆孔结构30m以下全取芯至孔深663m，土层孔径Φ108mm，风氧化带孔径Φ94mm；取芯结束后再扩孔下套管，表土层扩孔孔径Φ190mm，并下入Φ139.7×6.2mm套管，其中注浆段为花管，风氧化带注浆孔径为Φ118mm，裸孔。本次试验对象为注浆孔底部540～584m的新近系砂层含水层。

该含水层以厚层粘土为主，粘土呈杂色，呈现半固结状，常见白色高岭土层或石膏团块。砂层以灰白、棕黄色的中、细砂为主，砂质不纯，多含泥质成分， 一般含砂层3～9层，砂层厚度15.6～85.60m，砂层厚度占12.1～50.6%，受古地形影响砂层厚度变化大，连续性差，多呈透镜状。该层段底部一般为厚层粘土、砂质粘土层，井田西部砂、砂砾层直接覆盖在下伏地层之上。

4 slug试验结果处理与分析

4.1 试验过程及数据采集

实验前观测初始水位，确定初始水位位置，并启动DIVER水位传感器，设置观测时间间隔，然后将带测绳的DIVER放入一定深度位置的水位中，该点水位变化范围不能超过25m（根据试验探头所设）；向孔中缓缓下一定长度钻杆，进入水中，引起水位升高，其变化在25m之内，等水位恢复至初始水位时，将钻杆缓缓升起至地面，孔中水位开始下降，等水位恢复至初始水位时，结束试验过程如图2所示。

上述试验重复2～4次来减小偶然误差，结束后取出试验探头采集相关数据其水位数据如下图3。

4.2 试验数据处理及分析

本文数据处理采用Aquifer Test软件[10]是由美国Waterloo Hydrogeologic.Inc公司开发，应用于Slug试验和抽水试验数据分析，主要解决承压含水层、潜水含水层、弱透水含水层、基岩裂隙含水层四中情况。如图4所示为该软件的Slug试验工作界面图。软件界面简单易上手操作。软件拥有三个模块：输入、运行、后处理。输入模块为Slug Test和Water Level，运行模块为Analysis，后处理模块为Rpoter。将实验数据通过输入模块输入软件，本次选用Hvorslev模型法求解。运行该软件求解大大节约了人工运算，和配线时的人工误差，强大的后处理功能使结果具有良好的可视化效果。利用上述数据导入软件，整理拟合曲线后如图5所示渗透系数为5.08×10-1m/d。

5 结论

（1）Slug试验采用的原位试验，利用水位恢复过程计算含水层参数值，减少了外界干扰，是结果更加贴近实际。

（2）本文试验数据采用高精度探头记录数据，避免了人为记录的主观误差。采用专业的Aquifer Test软件处理Slug试验采集的数据，快速准确的求出了含水层参数，减少了人工配线的工作量，方便快捷。

（3）本次由于Slug试验的K值主要反映試验孔附近的水文地质参数影响半径较小，受局部不均匀性影响较大，比如洗井情况，裂隙发育情况和部分透镜体的存在都会影响实验结果。建议在研究区进行多次试验，找寻具有代表性的试验场地，作为整个区域的试验结果。

参考文献：

[1]Hvorslev，M.J Time lag and soil permeability in groundwater observations [J]，Bulletin 1951，No.36， U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station，Vicksburg，MS.

[2]Ferris.J.G. and Knowles，D，B. Slug Test for Estimating Transmissibility [J]. U. S. Geological Survey，1954，Note26：7.

[3]Cooper H H， Bredehoeft J D， Papadoupulos I S. Response of a finite-diameter well to an instantaneous charge of water[J]. Water Resources Research，1967，3（1）：263-269.

[4]Bouwer H， Rice R C. A slug test for determining hydraulic conductivity of unconfined aqufer with completely or partially wells[J].Water Resources Research，1976，12（3）：423-428.

[5]Butler JR J J， Mcelwee C D，Liu W.Improving thequality of parameter estimates obtained from slug tests[J]. Ground Water，1996，34（03）：480-490.

[6]Willis D.Weight，Hydrogeology Field Manual[M].， Mc. GrawHill.2008.

[7]张昭栋，郑香媛，殷积涛等.一种测求水井含水层导水系数的新方法[J].华南地震，1990，10（03）：18-24.

[8]苏锐.低渗透裂隙介质渗透特征评价技术及其应用研究[D].北京：核工业北京地质研究所，2007.

[9]李星宇，南天，王新娟等.基于微水试验的北京大兴隐伏岩溶裂隙渗透系数的求取方法[J].南水北调与水利科技，2014，12（04）：156-160.

[10]庞国兴.水文地质参数的可视化软件Aquifer Test[J].地下水，2012，34（03）：195-196.

作者简介：姚庆健（1992-），男，六安人，在读硕士，主要从事水文地质研究。