萬(wàn)偉鋒，李清波，蔡金龍，曾 峰

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司博士后科研工作站，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司巖土工程事業(yè)部，河南 鄭州 450003)

微水試驗(yàn)(slug test)是一種簡(jiǎn)便且相對(duì)快速測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)的野外試驗(yàn)方法，它起源于國(guó)外，其譯名各異，如重錘試驗(yàn)、鉆孔振蕩試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、定容積瞬時(shí)抽(注)水試驗(yàn)等[1]。與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比，微水試驗(yàn)不僅更簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，而且精度高，可以滿足實(shí)際巖土體滲透參數(shù)測(cè)定的需要，同時(shí)，試驗(yàn)不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生二次污染[2]。微水試驗(yàn)在國(guó)外研究較早，20世紀(jì)50年代，Hvorslev等學(xué)者首次應(yīng)用微水試驗(yàn)對(duì)土體的滲透系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型用于求解[3]。此后，許多專家學(xué)者致力于微水試驗(yàn)理論研究，針對(duì)不同含水層性質(zhì)和水文地質(zhì)條件，建立了不同的理論和數(shù)學(xué)模型，比較常用的除Hvorslev模型外，還有CBP模型、Bouwer-Rice模型、Kipp模型等，并對(duì)這些求解模型和方法不斷進(jìn)行改進(jìn)和修正。

國(guó)內(nèi)微水試驗(yàn)研究比國(guó)外開(kāi)始的晚，國(guó)內(nèi)最早研究微水試驗(yàn)的是長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院(現(xiàn)吉林大學(xué))水工系干旱半干旱水文地質(zhì)研究室，在1979年提出了用瞬時(shí)抽水試驗(yàn)測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)的方法[4]，對(duì)其理論模型和求解方法進(jìn)行了推導(dǎo)，此后的20年間研究熱度較低；2000年以后，隨著微水試驗(yàn)在工程中的應(yīng)用，研究成果逐漸增多，如季純波等推導(dǎo)了專門應(yīng)用于潛水井裸井的微水試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型[5]，高彬等開(kāi)展了花管與潛水面相交下的微水試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯縖6]，趙燕容建立了不同傾角的室內(nèi)裂隙物理模型，并修正了Kipp模型提出的標(biāo)準(zhǔn)曲線[7]。周志芳等提出了基于單孔分段振蕩式微水試驗(yàn)確定巖體滲透系數(shù)張量和裂隙貯水率的計(jì)算模式[8]。到目前為止，國(guó)內(nèi)外微水試驗(yàn)的求解模型和方法達(dá)50種之多。這些模型中，從多孔均質(zhì)的承壓微水試驗(yàn)理論模型發(fā)展到潛水微水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從不考慮瞬間水位變化的慣性效應(yīng)指數(shù)衰減到考慮慣性效應(yīng)的欠阻尼衰減，并發(fā)展到考慮井壁效應(yīng)的理論模型，近些年一些學(xué)者開(kāi)始從多孔均質(zhì)介質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)向裂隙巖體的研究[2]。微水試驗(yàn)在理論和求解方法方面已較為成熟。

在應(yīng)用方面，微水試驗(yàn)很早就被作為一種原位試驗(yàn)方法廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域的巖土體參數(shù)的測(cè)試中，并有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在國(guó)際上流行的含水層求參軟件Aquifer Test中，有專門的微水試驗(yàn)求參模塊。在國(guó)內(nèi)，也有科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位研發(fā)的專門用于微水試驗(yàn)的設(shè)備，并在實(shí)際中進(jìn)行了一些工程應(yīng)用，和其他試驗(yàn)方法進(jìn)行了對(duì)比研究[9～11]。在國(guó)內(nèi)的一些教材、手冊(cè)和規(guī)程中，微水試驗(yàn)已被列為水文地質(zhì)試驗(yàn)之一[12～13]。

縱觀微水試驗(yàn)的研究歷程和成果，多集中在理論模型建立與改進(jìn)、求解方法及其在實(shí)際工程勘察中應(yīng)用等方面，對(duì)試驗(yàn)具體過(guò)程、方法及研究較少，不同激發(fā)方式的激發(fā)水頭或激發(fā)強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響鮮有報(bào)道，在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)試驗(yàn)水頭尚無(wú)統(tǒng)一和明確的要求或標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，模擬不同的激發(fā)方式下不同激發(fā)強(qiáng)度的微水試驗(yàn)，分析激發(fā)強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，以期獲取微水試驗(yàn)較為適宜的激發(fā)強(qiáng)度，為今后微水試驗(yàn)在實(shí)際工程勘察中的應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 微水試驗(yàn)基本原理和常用激發(fā)方式

1.1 微水試驗(yàn)基本原理

微水試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)一定激發(fā)手段(如瞬時(shí)抽水或注水、氣壓泵、振蕩棒等)使得井孔內(nèi)水位發(fā)生瞬時(shí)變化，通過(guò)觀測(cè)和記錄鉆孔水位隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，并與相應(yīng)的理論數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合，進(jìn)而計(jì)算試驗(yàn)孔附近的水文地質(zhì)參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程，又可分為降水頭微水試驗(yàn)(使水位瞬時(shí)上升，然后記錄水位下降恢復(fù))和升水頭微水試驗(yàn)(使孔內(nèi)水位瞬時(shí)下降，然后等待水位上升恢復(fù))，見(jiàn)圖1。

圖1 微水試驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the slug test process

1.2 微水試驗(yàn)常用激發(fā)方式

為了使井、孔內(nèi)的地下水位快速上升或者下降一定值，微水試驗(yàn)常用以下幾種激發(fā)方式：

(1)注水式

注水式微水試驗(yàn)是快速向井、孔內(nèi)注入一定體積的水，以達(dá)到使孔內(nèi)的地下水位瞬間上升的目的，然后觀測(cè)地下水位的恢復(fù)曲線，激發(fā)的強(qiáng)度基本可根據(jù)實(shí)際情況由人為注入的水量大小控制。注水式微水試驗(yàn)類似于降水頭注水試驗(yàn)。

(2)提水式

提水式微水試驗(yàn)和注水式微水試驗(yàn)的激發(fā)形式相反，是從孔內(nèi)瞬間提出一定體積的水，以達(dá)到孔內(nèi)的地下水位瞬間下降的目的。試驗(yàn)激發(fā)的強(qiáng)度基本由提水器的容積確定。

(3)沖擊式(也稱沉入或提出重物式、震蕩棒式)

通過(guò)沉入或者從孔內(nèi)水位以下提出一定體積的重物是實(shí)際工作中較為常用的一種激發(fā)方式，一些文獻(xiàn)中也稱這種方式為沖擊式或震蕩棒式[7]，其激發(fā)方式見(jiàn)圖1，其沉入過(guò)程(升水頭過(guò)程)類似于注水式微水試驗(yàn)，待其水位恢復(fù)后，提出過(guò)程(降水頭過(guò)程)類似于提水式微水試驗(yàn)，所不同的是，由于重物(或稱震蕩棒)的體積是一定的，其激發(fā)的水頭上升或者下降的幅度也是一定的，只能通過(guò)更換不同體積的重物(或稱震蕩棒)來(lái)改變激發(fā)強(qiáng)度。這種激發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要用水、用電，可以很容易地實(shí)現(xiàn)水位瞬間上升、水位瞬間下降的兩種類型的微水試驗(yàn)，并且可以將兩種類型的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，以相互驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。

(4)瞬間抽水式

瞬間抽水式微水試驗(yàn)是通過(guò)抽水設(shè)備從井、孔內(nèi)在極短時(shí)間內(nèi)抽取出一定體積的水，以達(dá)到井、孔內(nèi)水位快速下降的目的，也稱為快速抽水試驗(yàn)法。這種方法的激發(fā)強(qiáng)度主要靠抽水設(shè)備功率大小和抽水時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)確定，但需要注意的是，由于微水試驗(yàn)強(qiáng)調(diào)水位的快速變化，抽水應(yīng)控制在較短時(shí)間內(nèi)完成。

(5)氣壓式

氣壓式微水試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)鉆孔孔口進(jìn)行密封，通過(guò)氣泵向孔內(nèi)加壓，利用氣壓使孔內(nèi)地下水位下降一定幅度，然后打開(kāi)孔口排氣閥門瞬間釋放孔內(nèi)壓力，觀測(cè)水位恢復(fù)過(guò)程曲線求取水文地質(zhì)參數(shù)的一種微水試驗(yàn)。該方法也稱為鉆孔震蕩式滲透試驗(yàn)或鉆孔自由震蕩法試驗(yàn)，在《水電水利工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程(DL/T 5213—2005)》的附錄C中[13]，有關(guān)于該方法的詳細(xì)操作過(guò)程和技術(shù)要求。由于靠氣壓改變孔內(nèi)水位，這種方法激發(fā)的水位變化值有限，一般在數(shù)厘米到數(shù)十厘米不等。

2 微水試驗(yàn)物理模型平臺(tái)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)概況

微水試驗(yàn)的物理模型外部由墻體四面合圍，墻體厚度38～40 cm，內(nèi)部形成4 m×4 m的正方形池子，池子四周及底部均做防水處理，外圍墻體高度為2.2 m。基于地下水動(dòng)力學(xué)的裘布衣圓島理論的假設(shè)，以及微水試驗(yàn)理論的假設(shè)條件，將池內(nèi)的孔隙含水層設(shè)置為圓形，圓形含水層模型的直徑為3.8 m，距離水池四周墻壁最近約10 cm，圓形周邊采用鋼筋骨架+鋼絲網(wǎng)+尼龍濾網(wǎng)進(jìn)行固定。含水介質(zhì)采用顆粒級(jí)配均勻水洗中細(xì)砂，砂層鋪設(shè)厚度為1.5 m，均勻鋪設(shè)完成后，經(jīng)3次反復(fù)飽水、釋水使其自由密實(shí)。

本次模擬的是潛水含水層，含水層厚度為1.3 m，通過(guò)模型側(cè)壁上距離底部1.3 m處的溢水孔實(shí)現(xiàn)含水層邊界處水位的穩(wěn)定，模型示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 物理模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the physical model

試驗(yàn)平臺(tái)中心設(shè)置試驗(yàn)主孔，在兩個(gè)相互垂直方向上不同距離設(shè)置了8個(gè)觀測(cè)孔，以觀測(cè)微水試驗(yàn)的影響范圍和程度。為分析微水試驗(yàn)在不同孔徑的鉆孔中的適用性，物理模型試驗(yàn)考慮了3種主孔孔徑，分別是110 mm、160 mm和200 mm。

2.2 微水試驗(yàn)類型

本次開(kāi)展了注水式、提水式、瞬間抽水式和氣壓式4種類型的微水試驗(yàn)，其中注水式20組，提水式19組，瞬間抽水式14組，沖擊式9組，氣壓式11組。由于氣壓式微水試驗(yàn)孔口封閉裝置要求較高，僅在110 mm孔徑中進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 求解方法

潛水含水層微水試驗(yàn)通常采用Bouwer-Rice模型進(jìn)行計(jì)算，Bouwer-Rice模型適用條件是：非承壓含水層，均質(zhì)各向異性多孔介質(zhì)，定水頭有限直徑圓島形邊界條件，忽略含水介質(zhì)的彈性儲(chǔ)水效應(yīng)，即Ss=0。其幾何模型見(jiàn)圖3。

圖3 Bouwer-Rice幾何模型Fig.3 The Bouwer-Rice geometric model

Bouwer and Rice推導(dǎo)得到滲透系數(shù)K的表達(dá)式為：

式中：y0——鉆孔中的最大水位變化值/m；

yt——t時(shí)刻鉆孔中水位和初始水位的差值/m；

t——時(shí)間/s；

Re——試驗(yàn)影響半徑/m；

rw——過(guò)濾管半徑/m；

rc——鉆孔套管半徑/m；

Kr——含水層徑向滲透系數(shù)/(m·s-1)；

Lk——試驗(yàn)段濾管長(zhǎng)度/m。

對(duì)于ln(Re/rw)的計(jì)算，在給定井孔和含水層幾何特性如rw、H、D的條件下，注水流量Qt與Lk呈線性關(guān)系，Bouwer和 Rice通過(guò)試驗(yàn)研究得到與井孔和含水層幾何特性相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，該模型一般可以通過(guò)直線圖解法求解，本次直接利用國(guó)際上流行的含水層試驗(yàn)軟件Aquifer Test進(jìn)行求解，該軟件中包含微水試驗(yàn)?zāi)K，且有多種微水試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢赃x擇。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同試驗(yàn)孔徑的微水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～表3，表中列出了各組試驗(yàn)的水頭激發(fā)高度。表中，高度激發(fā)強(qiáng)度用激發(fā)水頭高度占含水層厚度的百分比表示。

表1 110 mm孔徑不同類型微水試驗(yàn)

表2 160 mm孔徑不同類型微水試驗(yàn)

表3 200 mm孔徑不同類型微水試驗(yàn)

從表1～3可以看出，不同孔徑、不同激發(fā)方式計(jì)算出滲透系數(shù)K值的平均值為7.47～10.24 m/d。沖擊式微水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果較其他方式略偏大，其主要原因是沖擊式微水試驗(yàn)在重物墜入孔內(nèi)地下水面時(shí)，造成的水面波動(dòng)以及水花飛濺作用給試驗(yàn)帶來(lái)了一定的影響，氣壓式微水試驗(yàn)僅在110 mm孔徑中進(jìn)行，由于加壓過(guò)程干擾以及孔口密封性等原因，其結(jié)果離散性較大，其它類型的微水試驗(yàn)成果較為接近且相對(duì)穩(wěn)定。不同孔徑微水試驗(yàn)的成果也略有差異，其主要原因是在進(jìn)行完一種孔徑的微水試驗(yàn)后，需要將主孔周圍的含水介質(zhì)砂挖出，更換完主孔后再重新填實(shí)，重新填實(shí)后的砂層和原砂層的密實(shí)度存在差異，進(jìn)而造成了試驗(yàn)結(jié)果的差異。

從表中還可以看出，同一激發(fā)方式下，計(jì)算出的K值較為接近，離散度較小，表明水頭的激發(fā)強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響并不明顯。但需要注意的是，激發(fā)強(qiáng)度越小，由于水位變化幅度小，對(duì)水位恢復(fù)過(guò)程中的水位觀測(cè)精度、抗干擾等要求也較高，激發(fā)強(qiáng)度越大，計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。

另外，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)孔的觀測(cè)水位變化結(jié)果表明，激發(fā)強(qiáng)度越大，試驗(yàn)的影響范圍也相對(duì)大，在本次試驗(yàn)中，在激發(fā)強(qiáng)度小于50%時(shí)，試驗(yàn)的影響范圍約為0.7～1.0 m，大于50%時(shí)，影響范圍擴(kuò)展到大于1.0 m，最大激發(fā)強(qiáng)度達(dá)到70%以上時(shí)，影響范圍已接近含水層的圓島邊界，根據(jù)圓島邊緣的G4觀測(cè)孔觀測(cè)數(shù)據(jù)，影響幅度0.05～0.15 cm。研究表明，激發(fā)強(qiáng)度越大，計(jì)算結(jié)果所能代表的試驗(yàn)孔周邊含水層范圍越大，對(duì)實(shí)際勘察工作越有利。這也給今后微水中激發(fā)強(qiáng)度的選擇指明了方向，在現(xiàn)場(chǎng)具備快速水頭變化條件的情況，應(yīng)選擇較大的激發(fā)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)本次利用多孔均質(zhì)介質(zhì)物理模型平臺(tái)開(kāi)展了不同形式不同水頭激發(fā)高度(水頭激發(fā)高度未超過(guò)含水層厚度)的微水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示激發(fā)強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，但影響并不明顯。

(2)在多孔均質(zhì)含水層中，激發(fā)強(qiáng)度越大，微水試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果越穩(wěn)定。激發(fā)強(qiáng)度越小，由于水位變化幅度小，對(duì)水位恢復(fù)過(guò)程中的水位觀測(cè)精度、抗干擾等的要求也較高。

(3)激發(fā)強(qiáng)度越大，微水試驗(yàn)的影響范圍也相對(duì)大，在現(xiàn)場(chǎng)具備快速水頭變化條件的情況，應(yīng)選擇較大的激發(fā)強(qiáng)度。