第五章水文地质试验

第五章水文地质试验重要性：水文地质试验是水文地质调查中不可缺少的重要手段，许多水文地质资料，都需通过水文地质试验才能获得。种类：水文地质试验分为两类：（1）野外试验，（2）室内试验。其中：本章以介绍抽水试验为主，另外还有其它几项试验：渗水试验、钻孔注水试验、地下水示踪试验、连通试验。§1抽水试验的目的任务抽水试验––––是通过从钻孔或水井中抽水，来定量评价含水层富水性，测定含水层水文地质参数和判断某些水文地质条件的一种野外试验工作。抽水试验是以地下水井流理论为基础（地下水动力学），在实际井孔中抽水和观测的一种野外试验。随着水文地质勘查阶段由浅入深，在整个勘查费用中，抽水试验所占比重越来越大，费用仅次于钻探工作；有时，整个钻探工程主要是为了抽水试验而进行的。抽水试验的目的、任务：（1）直接测定含水层的富水程度和评价井（孔）的出水能力；（2）抽水试验是确定含水层水文地质参数（K、T、S、μ）的主要方法；（3）抽水试验可为取水工程设计提供所需水文地质数据，如R、单井出水量、单位出水量等；并可根据水位降深和涌水量选择水泵型号；（4）通过抽水试验，可直接评价水源地的可（允许）开采量；（5）可以通过抽水试验查明某些其他手段难以查明的水文地质条件，如地表水、地下水之间及含水层之间的水力联系，以及地下水补给通道和强径流带位置等。从实例图5一1的抽水条件下的等水位线图可以准确地判断F1、F2、F3断层具阻水性质，F4是透水的，水从北东和北西补给。从图5—2的等水位线，可准确地判断含水层的各向异性、断层的导水性和抽水孔西南存在的岩性隔水边界。§2抽水试验的分类和各种抽水试验方法的主要用途抽水试验的类型1．按所依据的井流理论，可分为稳定流抽水和非稳定流抽水试验。稳定流抽水试验：要求流量和水位降深都是相对稳定的，即不随时间而变。用稳定流理论和公式来分析计算，简便易行，但自然界大都是非稳定流，只有在补给水源充沛且相对稳①抽水试验；②放水试验；③注水（压水）或渗水试验；④连通试验；⑤弥散试验（示踪试验）；⑥流速、流向测定试验等。野外试验包括定的地段抽水才能形成相对稳定的似稳定渗流场，所以它的应用受到限制。非稳定流抽水试验：只要求水位和流量其中一个稳定（另一个变化，定流量，水位变化），用非稳定流理论和公式来分析计算。特点：①较稳定流抽水更能接近实际和有更广泛的适用性；②能研究更多的因素，如越流因素、弹性释水因素等；③能测定更多的参数，如贮水系数S、导水系数T、越流系数B等；④还能判定简单条件下的边界；⑤并能充分利用整个抽水过程所提供的全部信息；⑥但解释计算较复杂，观测技术要求较高。详见《地下水动力学》2．按抽水试验时所用井孔的多少，可分为单孔、多孔及干扰井群抽水试验。单孔抽水试验：只有一个抽水井而无观测井。它方法简便，成本低廉，但所能担负的任务有限，成果精度较低，且只适用于稳定流抽水试验。因此多用于普查和初步勘探阶段。多孔抽水试验：是在抽水孔附近还配有若干水位观测孔的抽水试验。它能完成抽水试验的各项任务，所得成果精度也较高，若专门布置的观测孔多，深度也较大时，则花费成本较大。故少量用于初步勘探阶段，更多用于详细勘探阶段。干扰井群抽水试验：是在多个抽水孔中同时抽水，造成降落漏斗相互重迭干扰的抽水试验。除抽水孔外，还配有若干观测孔。这种试验也称为互阻井群抽水试验。有人主张按这种抽水试验的规模和任务，又分为一般干扰井群抽水试验和大型群孔抽水试验。一般干扰井群抽水试验：是为了研究相互干扰下井涌水量与水位降深的关系；或因为水量较大，单个抽水孔形成的水位降深不大，降落漏斗范围太小，则在较近的距离内打几个抽水孔组成一个孔组同时抽水；或为了模拟开采或疏干试验，在若干井内同时抽水，观测研究整个流场的变化（几个观测孔）。由于干扰井群抽水试验花费大，所以只在详细勘探阶段或开采阶段使用。大型群孔抽水试验：是近来在一些岩溶大水矿床水文地质详细勘探阶段（或专题性勘探）中使用的一种方法。由几个乃至数10个抽水孔组成若干井组，观测孔很多，分布范围大，构成能控制流场边界，进行大流量、大降深、长时间（几个月）的大型抽水，形成一个大的人工流场，以便于充分揭露边界条件和整个流场的非均质状况，能更好的识别拟定的数学模型。这种抽水试验要花费巨大的财力和人力，采用时必须慎重考虑。主要用于涌水量很大，边界条件不清，水大、地质条件复杂的矿区。3．按抽水井的类型，可分为完整井和非完整井抽水试验。由于完整井的井流理论较完善，故一般尽量用完整井作试验。只有当含水层厚度很大又是均质层，为了节省费用才进行非完整井抽水。或为了专门研究过滤器“有效长度”时，则做非完整井抽水试验。4．按试验段所包含的含水层情况，可分为分层、分段及混合抽水试验。分层抽水试验：是以含水层为单位进行，除不同性质含水层，如潜水、承压水或孔隙水与裂隙水层，应进行分层抽水外，对参数、水质差异大的同类含水层也应分层抽水。对新区应先分层抽水，以分别掌握各层的水文地质特征。混合抽水试验：是在井中将不同含水层合为一个试验段进行抽水，它只能反映各层的混合平均状况。只有当各分层的参数已掌握，或只需了解各层总的平均参数，或难于分层抽水时才用混合抽水试验。但由于混合抽水较简便，费用较低，所以也研究出一些用混合抽水试验资料计算出各分层参数的方法，例如利用逐层回填多次抽水试验的资料，计算各分层渗透系数近似值；利用井中流量计测定混合抽水时各分层的流量，从而可以求得各分层的参数。混合抽水试验如需配备观测孔时，必须分层设置。分段抽水试验：是在透水性各不相同的多层含水层组中，或在不同深度内透水性有差异的厚层含水层中，对各岩段分别进行抽水的试验，用以了解各段的透水性。有时可只对其中主要含水岩段抽水，如对岩溶化强烈的岩段或主要取水岩段等。这时，段间应止水，止水处应位于透水性弱的单层或岩段中。5．按抽水试验的任务分为试验抽水、开采性抽水试验等。按抽水试验所依据的井流公式等，可将抽水试验分类归并表5—1的各种类型。由表5—1所示的各种单一抽水试验类型，又可组合成多种综合性的抽水试验类型。如表中的Ⅰ和Ⅱ类抽水试验，可组合成稳定流单孔抽水试验和稳定流多孔干扰抽水试验，非稳定流单孔抽水试验和非稳定流多孔干扰抽水试验等。至于在具体的水文地质调查工作中选用何种抽水试验，主要取决于调查工作进行的阶段和调查工作的主要目的任务（选择抽水试验种类的依据）：（1）在区域性水文地质调查及专门性水文地质调查的初始阶段，抽水试验的目的主要是获得含水层具代表性的水文地质参数和富水性指标（如钻孔的单位涌水量或某一降深条件下的涌水量），故一般选用单孔抽水试验即可。（2）当只需要取得含水层渗透系数K（一个参数）和涌水量时，一般多选用稳定流抽水试验。（3）当需获得渗透系数K、导水系数T、贮水系数S（多个参数）及越流系数B等更多的水文地质参数时，则须选用非稳定流的抽水试验方法。（4）在专门性水文地质调查的详勘阶段，当希望获得开采孔群（组）设计所需水文地质参数（如影响半径、井间干扰系数等）和水源地允许开采量（或矿区排水量）时，则须选用多孔干扰抽水试验。（5）当设计开采量（或排水量）远较地下水补给量小时，可选用稳定流的抽水试验方法；反之，则选用非稳定流的抽水试验方法。进行抽水试验时，一般不必开凿专门的水位观测孔，应尽量用已有的水井作为观测孔。Ⅰ、按井流公式Ⅱ、按井孔的多少§3抽水孔和观测孔的布置要求一、抽水孔（主孔）的布置要求（1）布置抽水孔的主要根据是抽水试验的任务和目的，目的任务不同其布置原则也不同。①为求取水文地质参数的抽水孔，一般应远离含水层的透水、隔水边界，应布置在含水层的导水及贮水性质、补给条件、厚度和岩性条件等有代表性的地方。②对于探采结合的抽水井（包括供水详勘阶段的抽水井），要求布置在含水层（带）富水性较好或计划布置生产水井的位置上，以便为将来生产孔的设计提供可靠信息。③欲查明含水层边界性质、边界补给量的抽水孔，应布置在靠近边界的地方，以便观测到边界两侧明显的水位差异或查明两侧的水力联系程度。（2）在布置带观测孔的抽水井时，要考虑尽量利用已有水井作为抽水时的水位观测孔；当无现存水位观测井时，则应考虑附近有无布置水位观测井的条件。（3）抽水孔附近不应有其它正在使用的生产水井或地下排水工程。（4）抽水井附近应有较好的排水条件，即抽出的水能无渗漏地排到抽水孔影响半径区以外，特别应注意抽水量很大的群孔抽水的排水问题。二、水位观测孔的布置要求1．布置抽水试验水位观测孔的意义（1）利用观测孔的水位观测数据，可以提高井流公式所计算出的水文地质参数的精度（避开抽水井的影响，获得真实水位）。这是因为：①观测孔中的水位，不存在抽水孔水跃值和抽水孔附近三维流的影响，能更真实地代表含水层中的水位。②观测孔中的水位，由于不存在抽水主孔“抽水冲击”的影响，水位波动小，水位观测数据精度较高。③利用观测孔水位数据参与井流公式的计算，可避开因R值选值不当给参数计算精度造成的影响。（2）利用观测孔的水位，可用多种作图方法求解水文地质参数（多种方法求参，相互验证）。（3）利用观测孔水位，可绘制出抽水的人工流场图（等水位线或下降漏斗），从而可帮助我们判明含水层的边界位置与性质、补给方向、补给来源及强径流带位置等水文地质条件（分析水文地质条件）。（4）一般大型孔群抽水试验，可根据观测孔控制渗流场的时、空特征，作为建立地下水流数值模拟模型的基础（模型验证）。2．水位观测孔的布置原则不同目的的抽水试验，其水位观测孔布置的原则是不同的。（1）为求取含水层水文地质参数一般应和抽水主孔组成观测线，所求水文地质参数应具有代表性。一般应根据抽水时可能形成的水位降落漏斗的特点，来确定观测线的位置。①均质各向同性、水力坡度较小的含水层：其抽水降落漏斗的平面形状为圆形，即在通过抽水孔的各个方向上，水力坡度基本相等，但一般上游侧水力坡度较下游侧为小，故在与地下水流向垂直方向上布置一条观测线即可（图5—3A）。②均质各向同性、水力坡度较大的含水层：其抽水降落漏斗形状为椭圆形，下游一侧的水力坡度远较上游一侧大，故除垂直地下水流向布置一条观测线外，尚应在上、下游方向上各布置一条水位观测线（图5—3B）。③均质各向异性的含水层：抽水水位降落漏斗常沿着含水层贮、导水性质好的方向发展（延伸）（漏斗长轴），该方向水力坡度较小；贮、导水性差的方向为漏斗短轴，水力坡度较大。因此，抽水时的水位观测线应沿着不同贮、导水性质的方向布置，以分别取得不同方向的水文地质参数。④对观测线上观测孔的布置要求：观测孔数目：i．只为求参数，一个即可；ii．为提高参数的精度则需2个以上。如欲绘制漏斗剖面，则需2—3个。观测孔距主孔距离：i．按抽水漏斗水面坡度变化规律，愈近主孔距离应愈小，愈远离主孔距离应愈大；ii．为避开抽水孔三维流的影响，第一个观测孔距主孔的距离一般应约等于含水层的厚度（至少应大于10m）；iii．最远的观测孔，要求观测到的水位降深应大于20cm；iv．相邻观测孔距离，亦应保证两孔的水位差必须大于20cm。观测孔深度：要求揭穿含水层，至少深入含水层10—15m。（2）为查明含水层的边界性质和位置观测线应通过主孔、垂直于欲查明的边界布置，并应在边界两侧附近都要布置观测孔。（3）为地下水水流数值模拟的大型抽水试验应将观测孔比较均匀地布置在计算区域内，以便能控制整个流场的变化和边界上的水位和流量。（4）为查明垂向含水层之间的水力联系应在同一观测线上布置分层的水位观测孔。§4抽水试验的主要技术要求这里将着重讨论对抽水水量、水位降深和抽水延续时间的要求。一、稳定流单孔抽水试验的主要技术要求1．对水位降深的要求（1）正式的稳定流抽水试验，一般要求进行三次不同水位降深（落程）的抽水，以确定Q–s间的关系，要求各次降深的抽水连续进行；对于富水性较差的含水层或非开采含水层，可只做一次最大降深的抽水试验。（2）对松散孔隙含水层，为有助于在抽水孔周围形成天然的反滤层，抽水水位降深的次序可由小到大地安排；（3）对于裂隙含水层，为了使裂隙中充填的细粒物质（天然泥沙或钻进产生的岩粉）及早吸出，增加裂隙的