压水试验水文地质论文

基金项目:北京岩溶水资源勘查评价工程(专题类第一项：数值模拟)（BJYRSZT0101）作者简介:李星宇（1990），女，山东滕州人，主要从事地下水科学与工程方面研究。Email:farcome@163.com通讯作者:邵景力（1959），男，山东滕州人，教授，主要从事水文地质专业教学与科研工作。今天小编给大家找来了《压水试验水文地质论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

压水试验水文地质论文 篇1：

微水试验研究进展

摘要：微水试验是一种快速测定水文地质参数的野外试验方法。与传统的钻孔压水试验和抽水试验相比，微水试验更经济、便捷，而且精度较高，可以满足实际工程中岩土体渗透参数野外测定的需要。回顾了微水试验理论模型60多年的研究历史及其在实际工程中的应用现状，认为微水试验在国内长期以来未能在实际勘察中取得广泛应用，除了数据处理繁琐和受仪器设备精度的制约外，最主要的原因是缺乏相关技术标准，同时对其可靠性和适用性存在不同认识。随着微水试验理论模型与试验设备的不断完善，以及相关试验规程规范的出台，微水试验方法将成为岩土体渗透性勘察中的普遍方法之一。

关键词：微水试验；岩土体；渗透性；研究进展

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.023

微水试验（Slug test）是一种简便且相对快速测定水文地质参数的野外试验方法，它起源于国外，其译名各异，如重锤试验、钻孔振荡试验、冲击试验、定容积瞬时抽水或注水试验，或者直接音译为斯拉格试验等。

20世纪50年代，Hvorslev等首次应用微水试验对土体的渗透系数进行现场测定，并开发了相应的数学模型用于求解。经过半个多世纪的发展，微水试验已被广泛应用于岩土勘察中，成为研究岩体渗透性的重要野外试验技术和方法之一，国外有专著论述微水试验的设计、实施和数据解释、分析。与传统试验相比，微水试验不仅更简便、经济，而且精度高，可以满足实际岩土体渗透参数测定的需要，同时试验过程中对地下水环境不会产生二次污染。微水试验的缺陷在于单个钻孔所获取的参数仅仅反映试验孔附近小范围含水层的渗透性能，但是当试验区范围内有较多钻孔时或试验区范围较小时，仍不失为一种较为理想的试验方法。

本文主要总结了微水试验理论和方法研究进展以及实际勘察工作中的应用情况，分析了其存在的问题和今后的发展趋势。

1 微水试验基本原理

微水试验的实质是通过一定激发手段（如瞬时抽水或注水、气压泵、振荡棒等）使井孔内水位发生瞬时变化，通过观测和记录钻孔水位随时间的动态变化数据，并与相应理论数学模型的标准曲线拟合，进而计算试验孔附近的水文地质参数。根据试验过程，可分为降水头微水试验（使水位瞬时上升，然后记录水位下降恢复，见图1（a））和升水头微水试验（使孔内水位瞬时下降，然后等待水位上升恢复，见图1（b））。以往水位变化过程主要靠人T观测，目前井（孔）内压力传感器已较为成熟，可以自动采集、记录和存储水位变化数据，且精度较高。

微水试验的理论基础仍然是达西定律，地下水在渗透性较弱的含水层中运动时，水分子之间的黏滞力远远大于其惯性力，在数学分析时，惯性力可以忽略不计。由图2可以看出，当孔内的水位受到激发产生快速抬升后，就进入了下降恢复阶段，开始阶段的水位恢复速度较快，然后恢复的速度逐渐变缓，并趋于接近初始的静止水位，在该过程中，地下水流的初始动能被水分子之间的摩擦、水与井壁的摩擦消耗掉，没有在初始静止水位附近发生类似弹性的振荡过程，这个过程称为“过阻尼衰减”。但在渗透性较强的含水层中，地下水的运动形式可能是另一种表现形式，在水位发生瞬时变化后，恢复速度很快，在地下水克服了水分子之间的黏滞力快速恢复到静止水位后，还有一部分动能剩余，超过了原初始静止水位并继续运动，从而在静止水位附近发生类似弹性的振荡，这时候水的惯性力不能再被忽略，这一振荡式的衰减过程称为欠阻尼衰减或弱阻尼衰减，见图3。

2 微水试验国内外研究现状

2.1 微水试验理论研究进展

自微水试验技术应用以来，许多专家学者致力于微水试验理论研究，对其求解模型和方法不断进行改进和修正，截至目前，微水试验的求解模型和方法达50种之多。这些模型中，从多孔均质的承压微水试验理论模型发展到潜水微水试验模型，从不考虑瞬间水位变化的惯性效应指数衰减到考虑惯性效应的欠阻尼衰减，并发展到考慮井壁效应的理论模型，近些年一些学者开始从多孔均质介质逐渐转向裂隙岩体的研究。国内的研究主要在国外已有的研究基础上进行。

2.1.1 国外研究进展

（1）指数衰减型理论模型。Hvorslev提出的微水试验的假设条件是：水层水平方向无限延伸，承压完整井：忽略含水层弹性储蓄效应，并假设有限距离远的地方有一定水头边界，得到了岩土体渗透系数K的经验关系式。该模型较简单，可用直线图解法求解。

1967年，Cooper等提出了CBP模型，适用于在平面上无限展布的均质各向同性多孔介质水平含水层，承压完整井，该模型考虑含水介质的弹性储水效应，根据无量纲化后试验井孔中的水位变化与时间的半对数图，拟合标准曲线来求得渗透系数与贮水系数。

1976年，Bouwer等假设一有限直径圆岛形的非承压含水层，周边为网形定水头边界条件，介质类型为均质各向异性多孔介质，忽略含水介质的弹性储水效应，同时不考虑井孔的薄壁效应。在该假定条件下，根据花管长度与套管半径的比值，拟合该模型条件下的标准曲线，并求得试验条件下的有效影响半径，根据井水位变化与时间半对数图上曲线斜率计算渗透系数。1978年，Dagan提出了与Bouwer模型相似的分析理论模型，区别是Dagan模型假设含水层为水平无限延伸，而不是以某一有效影响半径来计算。

1994年，Hyder等5提出并建立了KGS模型，该模型充分利用了Hvorslev模型、Cooper模型及Bouwer模型的优点，考虑了含水层的储水效应，既可用于承压含水层，也可用来分析潜水含水层的微水试验数据，适用范围更广泛。

（2）欠阻尼衰减理论模型。当在渗透性较强的含水层中进行微水试验时，水位随时间变化的曲线可能产生振荡，呈欠阻尼衰减形式，此时以上所述模型就无法刻画这一过程。通过多年研究，一些学者基于欠阻尼振动理论建立了相关的数学模型，并给出了相应的解析解。

1965年，Cooper等考虑井水位变化时的惯性影响，提出了第一个单井水流振荡理论，假定条件是井中水位的振荡频率与地震波的相同，忽略井管中水流与管壁的摩擦力，并且假设井中水流运动方向为垂直向上或向下。欠阻尼衰减模型中，比较有代表性的是Kamp提出的Van der Kamp模型。其使用正弦近似法分析微水试验数据，第一次系统地研究了微水试验中的水头变化规律，适用于强渗透性的均质各向同性多孔介质及完整承压井，但仅限于解决低阻尼情况。

（3）非线性模型。在微水试验实践中，有学者还发现在某些情况下试验过程中的非线性摩擦造成的水头损失不可忽略，试验的水位一时间对数曲线不是直线而是呈下凹的曲线，此时就要用非线性模型来描述和求解。

1998年，Mcelwee等提出用非线性水位振荡分析模型来获得渗透系数，并于2001年开发了一个基于Navier-Stokes方程，考虑非线性摩擦损失、非达西流动和加速效应、钻孔半径变化的通用分析模型。这个非线性模型包括与水柱半径变化有关的参数、与非线性水头损失有关的参数及用来表示刚开始振荡时水柱初始流速的附加参数，模型方程是一个关于水头的二次偏微分方程。2002年，MCelwee又进一步改进了模型的使用和灵敏度分析方法，对加速度与流速影响进行了修正，使得分析微水试验结果的模型能够模拟从超阻尼到欠阻尼范围内的响应特征，特别是在渗透系数大的区域，模型能够模拟非线性行为。

1985年，Kipp假设含水层等厚、均质且各向同性，为研究欠阻尼和超阻尼情况提供了严格的物理理论，扩展了由Bredehoeft等提出的理论模型，绘制了一系列的标准曲线，通过无量纲化后的降深与时间的半对数图来拟合标准曲线以计算渗透参数。

2002年，2enner采用非线性模型分析微水试验数据，该模型包括薄壁效应、井孔内部流体摩擦造成的非线性水头损失、水体因井内半径变化而产生的水头振荡损失及套管内水体的惯性影响。井一含水层耦合系统是由一个微积分方程代表井孔流体的平均机械能及套管内水柱机械波的非线性常微分方程描述，通过差分近似与点迭代数值法的耦合可以对方程组求解。

（4）考虑井壁效应的模型。1972年，Henry等首先提出承压含水层中考虑薄壁效应与井管储水效应的微水试验理论模型，假设薄壁层的厚度极薄和外边界距离无限远，与当时其他模型相比，该模型考虑的情况较为全面。1984年，Faust等提出考虑有限厚度薄壁层的模型，但是不考虑薄壁层的储水效应，同时假设薄壁层的渗透性相较于含水层的渗透性足够小。1985年，Moench等提出有限厚度的环状双层薄壁模型，并且假设定水头边界无限远且忽略薄壁层储水效应，研究表明当忽略薄壁层储水效应时，Faust等提出的考虑有限厚度薄壁层的模型所得到的井中水头变化的解与Henry等所提出的假设薄壁层极薄的模型所得到的解相同。1986年，Sageev提出假设薄壁层的厚度极薄时采用配线法确定岩土体渗透参数，同时还提出了不存在薄壁效应时的近似解。

总之，国外对微水试验的研究开始得较早，研究成果较多，在理论和求解方法方面已较为成熟。

2.1.2 国内研究进展

国内微水试验研究较国外开始得相对较晚，2000年以前的研究成果相对较少。

国内最早研究微水试验的是长春地质学院（现吉林大学）水工系干旱半干旱水文地质研究室，在1979年提出了用瞬时抽水试验测定水文地质参数的方法，假定初始时刻在抽水井（x0，y0）处施加作用强度且作用时段很短（瞬时），然后观测点（x，y）处的水位降深s随时间t的变化，建立地下水方程并得出了求参公式，通过对比常规长时间抽水试验资料，两者获取的水文地质参数较为接近，但仅限于讨论两点法和最大降深法。1982年，宿青山等对1979年提出的瞬时抽水试验测定水文地质参数的方法进行了改进，不再采用两点法和最大降深法，而是采用配线法和直线图解法进行参数求解。1983年，宿青山等[提出了用網柱形固体代替瞬时抽水的试验方法。

1994年，杨建锋等对弱透水层水文地质参数的确定方法进行了探讨，认为微水试验可以用于弱透水层参数确定，并对微水试验获取的水文地质参数的代表性和初始水头的选取等问题进行了讨论，同时指出微水试验要求水位观测精度应较高，否则会造成较大误差。2006年，黄勇等基于弱渗透性含水层的微水试验，提出了计算含水层水文地质参数的解析方法，认为用该方法确定含水层的水文地质参数比用微水试验的配线法和水位恢复法具有更好的适用性。

2009年，陈则连等探讨了微水试验和传统试验方法的优缺点，认为微水试验的结果受井壁条件影响很大，即所谓的“皮肤效应”（井壁效应）。2013年，季纯波等根据注水高度对潜水含水层厚度的影响，推导专门应用于潜水井裸井的微水试验数学模型，此模型与传统的Bouwer and Rice模型相比考虑了注水后潜水面水位的升高对渗透系数K的影响。高彬等开展了花管与潜水面相交下的微水试验模型研究，建立了新的潜水井的微水试验计算模型，给出了模型的解析解。赵燕容建立了不同倾角的室内裂隙物理模型，开展了微水试验研究，得到了微水试验中注水式、抽水式、提水式和气压式激发方式在不同条件下的应用特性和规律。在研究过程中，还修正了Kipp模型的标准曲线，并且扩展了相对阻尼系数ξ为0.05和10.00时的两条标准曲线，提高了微水试验确定水平裂隙渗透参数的精度和适用范围。2015年，戴云峰等基于Kipp模型推导了考虑承压含水层倾角的微水试验解析解的修正模型，通过与修正前的Kipp模型分析结果进行对比分析，认为在倾斜承压含水层中忽略或不考虑含水层倾角时，计算出的水文地质参数会产生较大误差。2015年，周志芳等提出了基于单孔分段振荡式微水试验确定岩体渗透系数和裂隙贮水率的计算模式，实现了利用单孔试验确定岩体的渗透系数。

2.2 微水试验在实际勘察工作中的应用现状

在国外，微水试验很早就被作为一种原位试验方法广泛应用于水文地质、环境地质等领域的岩土体参数的测试中，并有相应的标准和规范。在国际上流行的含水层求参软件Aquifer Test中，有专门的微水试验求参模块。

微水试验在国内研究虽然也较早，但是实际勘察中应用偏少，主要应用集中在近些年。

苏锐等提出了用双栓塞微水试验技术解决低渗透裂隙介质深部环境渗透特征评价的方法，建立了考虑温度效应、钻孔储存效应和水位瞬时变化特征的地下水流三维数值模型，并编写了相应的计算机程序。现场试验深度达到了489m，试验成果表明双栓塞微水试验技术适用于低渗透裂隙介质深部环境渗透特征评价。

万伟锋等在南水北调中线温博段补充水文地质勘察中，为了获取较为准确的渗透系数值，采用了抽水试验、注水试验、微水试验和室内渗透试验等，结果对比显示，微水试验获取的参数值小于注水试验和抽水试验的，并认为尺度效应（影响范围）是造成试验差异的原因。

在微水试验成果的可靠性方面，不同学者获取的成果存在差异。鞠晓明等为研究排污河对地下水污染的影响，将微水试验应用于安徽淮北市某河流附近的一个场地内，共进行了粉细砂、细砂含水层中6组抽水和微水对比试验，两种试验结果虽然在一个数量级上，但是抽水试验结果是微水试验结果的1.5倍。徐连锋等将微水试验应用到湖西堤裂隙黏土渗透试验中，并与抽水试验的结果进行对比，结果对比显示同孔抽水试验一般是微水试验结果的2.5倍～9.8倍。不过也有一些学者通过实际测试，认为微水试验和抽水试验结果是一致的，如徐海洋等在泰州长江公路大桥工程岩土渗透性勘察中，在同一钻孔内分别进行微水试验和抽水试验，两种试验结果基本一致。赵燕容等结合泰州长江公路大桥南、北锚碇沉井排水下沉工程，在现场开展了常规抽水试验和微水试验对比研究，结果表明两种模型计算结果一致性较好。

在微水试验方法和设备方面也有很多研究成果。2008年，周志芳等研发了基于单井内水流运动振荡原理的岩土体渗透性参数现场快速测试系统（HSZK-01）。2013年，彭邦兴等37将该系统用于某水电站枢纽工程深厚覆盖层水文地质参数的测试中，取得了较好的应用效果。2009年，原国红等研制了水文地质参数自动监测处理系统，采用微水试验代替传统水文地质试验，并可快速生成水文试验报告。2015年，周志芳等在已有HSZK-01振荡试验测试系统的基础上，把压力传感器更换为可以孔内光学成像、量测裂隙产状和测量水压及水温变化的多功能探頭，并将数据实时传输到井上数据采集系统。此外，陈建生等把冲击试验应用于堤坝渗漏通道探测中，并与运用温度示踪及电导率探测方法得到渗漏通道的位置范围进行对比，检测结果基本一致，取得了较好的效果。

微水试验在国内的一些规程和手册中，已被列为水文地质试验的一种，如《水电水利工程钻孔抽水试验规程》（DL/T5213-2005，称自由振荡法试验）、《水力发电工程地质手册》、《水文地质手册》（称冲击试验）、《基坑降水手册》（称冲击试验）。微水试验也出现在一些专业教科书中，如《给水与排水计算手册》、《地下水水文学原理》等。在规程方面，目前尚无专门针对微水试验的国家标准或者行业规范出台，仅有由成都勘测设计研究院和河海大学编制的《钻孔振荡式渗透试验规程》，该规程作为中国水电工程顾问集团公司企业标准在其内部进行了发布，该规程主要基于气压式钻孔振荡试验仪及其应用情况编制。

3 微水试验研究中存在的问题

近年来，微水试验已经逐渐在水利行业领域内被越来越多的学者和勘察工作者熟知，并在很多勘察工作中进行了应用。但要使微水试验在实际勘察过程中普及和推广仍有较长的路要走。微水试验在国内长期以来未能在实际生产勘察中广泛应用，存在以下原因。

（1）仪器设备精度的制约。微水试验在渗透性较强的含水层中完成一组试验只需数十秒的时间，因此传统水位计以及人工电测深法等根本无法满足实时测量并记录水位变化数据的要求，这也是影响以往国内较少开展微水试验研究的客观原因。近年来，随着计算机技术和自动监测技术的快速发展，用于数据采集的压力传感技术和信号处理技术已较为成熟，完全可以满足微水试验采样频率、数据精度以及采集自动化的要求，市面上该类产品也较多。因此，目前这一困难已不再是阻碍微水试验应用的问题。

（2）缺乏统一的试验要求及技术标准，试验设备不完善，数据处理繁琐等。微水试验过程较为简单，即通过一定激发手段使井孔内水位发生瞬时微量变化，根据测量到的水位随时间变化数据推导岩土体渗透性参数，激发手段有瞬时抽注水、气压泵、振荡棒等。但在试验方法上一直缺乏统一的试验标准或者要求：微水试验设备（激发、监测装置）的使用也五花八门；数据处理方面，由于需要选择合适的理论模型的标准曲线进行配线求解，因此其过程相对繁琐。这些都是制约微水试验在实际工作中应用的因素。近些年，已不断有微水试验的相关设备和求解软件被开发出来，如铁道第三勘察设计院集团有限公司研制的水文地质参数自动监测处理系统、国际上流行的含水层测试软件Aquifer test等。河海大学的专家学者针对试验设备和数据处理问题，研发了基于钻孔气压式微水试验的岩土体渗透性参数现场快速测试系统（HSZK-OI），编制了基于Kipp模型的自动求参程序（软件），还和中国水电工程顾问集团公司成都勘测设计研究院共同编制了《钻孔振荡式渗透试验规程》，作为成都勘测设计研究院的企业标准在其内部进行了发布和使用。这些研究工作极大丰富了国内在微水试验领域的成果，为微水试验的推广应用奠定了一定的基础。

（3）试验的可靠性和适用性问题。微水试验在实际工作中应用较少，积累的试验成果不多，最重要的原因在于大家对微水试验成果的可靠性存在一定的疑虑，在实际工作中对微水试验的适用范围尚不十分明确。对不同的地层条件、水文地质边界条件应该采用什么理论模型求解、微水试验更适用于什么地层条件、其可靠程度如何、可否替代抽水试验等，都是勘测技术人员关注的问题。理论上，只要试验操作精度和试验仪器的灵敏度足够，微水试验可以适用于任何地层的水文地质参数测试，但已有的应用成果得出的结论并不完全一致，还有待进一步研究。

4 微水试验发展趋势

（1）微水试验求解方法。目前，微水试验求解的理论模型较多，比较有代表性并被广泛应用的三种分别是CBP、Kipp和Bouwer and Rice模型，无论哪种理论模型，其求解方法均是将试验曲线和模型的标准曲线进行对比，然后求解相应的参数，其实质上是一种配线法，目前Aquifer Test、FlowDim等软件已有专门的模块采用自动配线的方法实现参数求解。但利用数值模拟法来求解微水试验获取的岩土体参数的研究还较为少见，数值法作为一种普遍且求解更为灵活的方法，其在微水试验的求解中必将得到发展。

（2）试验方法和设备。目前，微水试验方法种类繁多，有气压式、注水式及振荡棒式等，每种方法都有相应的设备，但是这些设备不统一、不规范，需要随着工程应用将微水试验设备规范化和统一化。

（3）微水试验规范。微水试验作为一种岩土体渗透性的原位测试手段，未能在实际工作中普遍展开应用的重要原因之一就是缺乏行业的规程规范或者大家普遍认可的操作手册，目前仅有企业内部使用的《钻孔振荡式渗透试验规程》可供参考，随着微水试验方法的不断成熟和完善，相应的规程规范或操作手册也会逐渐出台。

5 结语

与传统抽水试验、压水试验相比，微水试验更简便、经济，而且精度较高，可以满足实际勘察工程中岩土体渗透参数野外测定的需要。微水试验已有60多年的历史，并在实际工作中有了一些应用，但微水试验在我国勘察行业内还没有作为一种常用方法得到普及，除了数据处理繁琐和仪器设备精度的制约外，最主要的原因是缺乏相关技术标准，同时技术人员对其可靠性和适用性存在不同认识。随着微水试验理论模型与试验设备的不断完善，以及相关试验规程规范的出台，微水试验方法将成为岩土体渗透性勘察中的普遍方法之一。

作者：万伟锋 李清波 曾峰 蔡金龙

压水试验水文地质论文 篇2：

基于微水试验的北京大兴隐伏岩溶裂隙渗透系数求取方法

基金项目:北京岩溶水资源勘查评价工程(专题类第一项：数值模拟)（BJYRSZT0101）

作者简介:李星宇（1990），女，山东滕州人，主要从事地下水科学与工程方面研究。Email:farcome@163.com

通讯作者:邵景力（1959），男，山东滕州人，教授，主要从事水文地质专业教学与科研工作。Email:jshao@cugb.edu.cnDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.034

摘要：微水试验是进行岩土体渗透性测试的重要技术手段与方法。选取北京大兴隐伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层作为目标层，依据现场条件选择生产井，利用水位自动监测装置记录停泵水位恢复法，HSZK振荡试验法与注水试验法进行微水试验应用研究，发现获得的目标层渗透系数小于传统抽水试验结果。分析认为造成这种差异的原因在于不同试验方法的影响半径不同，而微水试验结果更能体现试验点岩土体的渗透性。此外，在裂隙与岩溶介质中运用微水试验要尽量减小、避免皮肤效应的影响，选择试验方法时要保证水位瞬时变化的实现，对于主裂隙，可以借助栓塞进行分段试验。

关键词：微水试验；裂隙与岩溶介质；渗透系数；影响半径；皮肤效应

Determination of Permeability Coefficient of Concealed Karst Fractures Using Slug Test in Daxing of Beijing

LI Xingyu1,NAN Tian1,WANG Xinjuan2,LI Peng2,XIE Zhenhua2,SHAO Jingli1

(1.China University of Geosciences,Beijing 100083,China;

2.Hydrogeological and Engineering Geological Team of Beijing,Beijing 100195,China)

Key words:slug test;fracture and karst medium;permeability coefficient;influence radius;well skin effect

含水层水文地质参数的获取是进行区域水文地质调查、水资源规划与评价、地下水污染防控的重要内容，目前常用的方法有室内试验法、经验参数法、野外现场试验法（抽水试验法、微水试验法）、基于数值模拟的水文地质参数识别法等。其中，微水试验作为岩土体渗透性测试的重要技术手段与方法，与抽水试验相比具有周期短、操作简单、灵活等特点，试验基本原理为在静止水位条件下，使钻孔内水位发生瞬时快速的变化，观测水位－时间响应数据，与标准曲线拟合确定钻孔附近水文地质参数。自1951年 Hvorslev率先将微水试验应用于水文地质参数的现场测量以来，各国学者对微水试验进行了大量的研究，其应用范围也已从最初的孔隙介质扩展到裂隙与岩溶介质。

裂隙与岩溶介质在空间分布上的非均质性与各向异性是其区别于孔隙介质的最大特点。因此在裂隙与岩溶介质的微水试验研究过程中，需要解决两方面问题：一是适用性理论模型的推导，原因是传统的微水试验理论模型均建立在均质、同性、连续的孔隙介质基础之上，并不适合裂隙介质；二是对试验影响因素的准确分析，因为裂隙与岩溶介质微水试验结果影响因素较复杂，除了试验井孔结构与成井过程之外，还包括试验段裂隙走向、发育规模等因素。

建立微水试验理论模型的基础是模型概化。国外一些学者经过深入研究，提出了两种模型概化方法：一是等效孔隙介质模型，即对于裂隙率（溶隙率）高且裂隙（溶隙）与周围岩体没有水量交换的介质，可以等效为单孔隙介质，采用传统方法进行分析；二是替代模型，包括离散裂隙模型［12］与双重介质模型［3］。离散裂隙模型适用于裂隙率（溶隙率）低且裂隙（溶隙）与岩体没有水量交换的情况，双重介质模型则用于导水裂隙（溶隙）密度相对偏高且裂隙（溶隙）与岩体存在水量交换的介质。然而，Butler Jr［4］与Lee［5］指出，替代模型计算中所需要的一系列水文地质参数具有相关性，很难独立获得，并且不同的参数组合可以得到相近的试验结果，导致替代模型方法在实际运用上存在一定困难。由此，尽管裂隙与岩溶介质存在有一定的非均质性，在实践中，基于均质模型假设的方法仍然得到较广泛的应用。

近几年来，国外在裂隙与岩溶介质微水试验研究方面取得了一定的进展：Olivier Audouin等［6］提出了基于均质假设的裂隙岩溶半解析解模型，选择代表性水文地质参数进行参数灵敏度分析；Cheng等［7］运用三维有限元模型（FEHM）研究非均质裂隙发育对低渗透性含水层微水试验结果的影响；Quinn等［8］开发了一套裂隙介质钻孔微水试验测试系统（versatile straddle packer），并进行了误差分析。在我国台湾地区，以陈家洵等［9］为代表的一些学者，对含水层非均质性多级次微水试验的实现进行研究并取得了一定成果。而在我国大陆地区，微水试验的应用研究起步较晚，至今尚没有完善的操作程序和评价标准，有关微水试验特别是裂隙与岩溶含水层中的应用研究成果较少见到。本文选取北京市大兴隐伏岩溶裂隙发育区进行微水试验，计算试验所得目标层渗透系数并与传统抽水试验结果进行对比，为下一步微水试验研究的开展提供一定参考。

1理论模型

根据已有钻孔资料及井下电视解译结果，研究区奥陶系灰岩含水层岩溶裂隙发育较均匀，符合我国北方岩溶的一般特点，故本次微水试验研究选取了基于均质假设的Kipp模型与CBP模型。Kipp模型与CBP模型均可用于承压完整井微水试验水文地质参数的求取。除此之外，Kipp模型在贮水系数较小渗透性较大的潜水含水层中也同样适用。

1.1Kipp模型

Kipp基于含水层中地下水的非稳定流控制方程和井中水与含水层中地下水的动量平衡方程，导出了井中水位变化的微分方程，即振荡方程［10］。Kipp模型的假设条件如下：含水层等厚，上顶板与下部边界隔水；含水层均质各向同性，压缩性一致；柱坐标系的原点为含水层顶面与井孔轴线的交点；完整井，含水层全厚度下花管；井孔100 %有效；通过井断面的平均速度可以近似认为不变；水头的摩擦损耗忽略不计；水流均匀分布于整个含水层系统；井孔中水流由径向流变为垂直流时，速度变化所引起的动量变化忽略不计。

运用Laplace变换求解水流振荡微分方程，得到一组标准曲线。通过实测曲线与标准曲线配线，确定标准曲线上的ζ（阻尼系数）、α（无量纲储水系数）值，在标准曲线上选取一匹配点，记录相应的w′和以及实测曲线记录井水位变化值w与时间t，则贮水系数S、导水系数T以及渗透系数K为：

S=(r2c)/(2αr2s)（1）

Le=(t/)2g（2）

β=［(αlnβ)/8ζ］2（3）

T=［(βg)/Le］1/2r2sS（4）

K=T/b（5）

式中：Le为有效水柱长度；b为含水层厚度；rc为套管半径；rs为过滤器半径；g为重力加速度；β为无量纲时间参数。

1.2CBP模型

CBP模型是Cooper等于1967年提出的基于传导方程确定含水层参数的微水试验模型［11］。其基本假定为：承压含水层均质、各向同性；含水层等厚、无限延伸；承压井为完整井；基准面取在含水层初始水头面上。

在实际运用中，测得静止水位之后，瞬时向试验井中注入（抽取）一定体积水V，观测不同时刻水位变化值w，取起始时刻最大水位变化值w0，做w/w0~ t曲线，与标准曲线(w′/w′0~β)进行拟合，选择β=1作为匹配点，记录实测曲线对应的时间及相应标准曲线α值，则可得导水系数T与贮水系数S：

T=βr2ct（6）

S=αr2cr2s（7）

式中：rc为井孔水位升降段的套管半径；rs为井孔工作段半径或过滤器半径；β为无量纲时间参数；α为无量纲储水系数。

2试验条件及试验方法

2.1试验条件

本次研究开展微水试验的目标含水层为北京市大兴区奥陶系灰岩岩溶裂隙含水岩组。该含水岩组直接隐伏在厚约60~90 m的新生界第四系之下，平均岩层厚度为400 m，岩性以白云质灰岩为主，夹有灰岩、白云岩，水平裂隙岩溶发育。奥陶系岩溶裂隙含水层单位涌水量为42.11~282.86 m3/(d·m)，为北京市大兴区及通州区水源地主要供水层之一［1214］。

根据场地限制条件以及实地调查结果，共选取了3眼生产井作为试验井，其井孔分布位置、井身结构及参数分别见图1、图2、表1。

2.2试验方法

微水试验方法的选择主要由试验井井身条件与场地条件决定。由图2可知，本次研究选取的试验井取水段均在奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层中，而且取水段较长（48.84～40000 m），可概化为承压完整井。本研究采用了三种试验方法分别针对3眼试验井（S1、S2、S3）进行测试，即利用水

图1试验井分布位置

Fig.1Schematic diagram of distribution of test wells

图2试验井井身结构

Fig.2Schematic diagram of test well structure

表1试验井结构参数

Table 1Parameters of test well structure

试验#编号rc/mrs/mb/mL/mH/mS10.1700.128400.0080.0038.40S20.1700.128400.0080.0037.00S30.1750.07648.84075.0038.26注：表中各参数含义同图2。

位自动监测装置记录停泵水位恢复法（S1）、HSZK振荡试验法（S2）与注水试验法（S1）。选用基于均质概化的Kipp模型与CBP模型对试验数据进行分析。

2.2.1利用水位自动监测装置记录停泵水位恢复法

试验井S1位于研究区一水厂内，配有水位自动监测装置，可以实时显示并记录井内水位埋深值变化（图3）。试验操作流程如下：首先关闭抽水泵，观察数据显示面板，直至水位埋深恢复至一稳定值（本试验测定为-36.33 m），静置十分钟；打开抽水泵，井内水位出现一定降深（-38.40 m），迅速关泵，即瞬时抽取一定体积水量；观察记录停泵后水位恢复变化，直至达稳定状态（-36.36 m）。

利用水位自动监测装置记录停泵水位恢复法可充分利用现有设备，无额外经济成本；通过水泵实现快速抽水，试验周期短，操作简单，数据采集方便。

2.2.2HSZK振荡试验法

本文采用河海大学土木工程学院基于单井内水流运动振荡原理开发的岩土体渗透性参数现场快速测试系统［1516］（HSZK，专利申请号CN 200820030980.X）对试验井S2进行测试。测试系统由水头激发系统、传感器系统和数据采集系统组成，见图4。HSZK振荡试验采用压气式方法，在试验前要求将试验井与气密装置进行密封，通过空气压缩泵将试验井水位加压至选定深度，停止加压，关闭进气阀并迅速打开空气释放阀激发振荡，通过传感器采集数据直至恢复到静态水位。

HSZK振荡试验完成一次测试不超过10 min，设备便携，采集数据准确，可以实现经济、快速、高效的现场测试，但试验必须在密封条件下完成，要求试验井符合密封条件。

图3水位自动监测装置

Fig.3Schematic diagram of automonitoring system of water level

图4HSZK振荡试验测试系统

Fig.4Schematic diagram of HSZK oscillation system

2.2.3注水试验法

试验井S3为奥陶系含水层地下水位监测井，含水层厚度较薄，在这里选用传统的注水试验法。试验一次性注入水量48 L，采用传感器进行数据采集。

3结果分析

3.1试验结果

对于3眼试验井得到的数据，均使用Kipp模型与CBP模型进行配线，其中前一模型对于水位自动监测装置记录停泵水位恢复法与HSZK振荡试验法所得试验数据的拟合效果较好见图5-图6，而后一模型对于注水试验法所得数据的拟合效果较好见图7。根据配线结果计算得到本次微水试验结果，见表2。

3.2分析与讨论

3.2.1微水试验与抽水试验结果对比分析

根据收集到的研究区已有水文地质勘察报告，该区奥陶系含水岩组历史抽水试验所得导水系数（T）为7 722 m2/d，

图5水位自动监测装置记录停泵水位恢复法

Kipp模型标准曲线拟合

Fig.5Fitting curve of the pumpoff water level recovery method

recorded by automonitoring system based on Kipp model

图6HSZK振荡试验法Kipp模型标准曲线拟合

Fig.6Fitting curve of HSZK oscillation method based

on Kipp model

渗透系数（K）为15.48 m/d。除了运用水位自动监测装置记录停泵水位恢复法计算所得渗透系数（3.81 m/d）差别较大

图7注水试验法标准曲线CBP模型拟合

Fig.7 Fitting curve of injection test based on CBP model

外，微水试验结果大致为传统抽水试验结果的1/2。

造成这种差异的原因主要为两种试验方法的影响半径不同。在岩溶裂隙发育条件相同的情况下，微水试验的试验水位差小、试验历时短，其影响半径较小，一般在10 m左右［17］；而抽水试验的试验降深大，影响范围也大，且随着抽水的持续进行，可能激发含水层的越流补给，导致其测试所得渗透系数偏大。另一方面，微水试验结果反映的是试验孔周围局部岩土体的渗透性，因此其对于含水层非均质性研究以及水文地质参数分区细化具有十分重要的意义，同时也适用于分布范围小、没有大型补给源或者渗透系数很小难以实现抽水试验的岩体；而抽水试验结果代表的是含水层渗透性的平均值，反映了含水层在特定抽水量下的综合给水能力与持续供水能力。可见，微水试验更能准确反映试验点处岩土体的渗透性。

此外，3眼试验井数据得到的试验结果为同一个数量级，但渗透系数大小不同，反映了目标层岩溶裂隙发育在空间分布上的非均质性。表2微水试验结果

Table 2Slug test results

#编号试验方法ζαβw′wt/sT/（m2·d1）K/（m·d1）S1停泵法0.549 94010110.002.60.0013.51 5233.81S2HSZK法0.219 9761011-0.521.0-0.555.63 5298.82S3注水法/1e51///6.6400.918.21另外，国内外学者普遍认为，在钻探成井过程中由于对井壁周围岩土体的扰动而在一定程度上破坏了井孔周围含水层的性质，导致其渗透系数发生变化，称为皮肤效应［18］。可见，除试验影响半径不同以外，皮肤效应也是导致微水试验与抽水试验结果存在一定误差的原因之一。

目前，大多数微水试验理论模型均没有考虑皮肤效应，致使试验结果与实际地层参数相比存在一定误差，虽然也有学者提出了一些基于皮肤效应的计算模型，但由于其模型假设条件很难满足而难以应用于生产实践当中。通用的解决办法为在成井钻探过程中尽量减少对周围岩体的扰动并充分洗井，将皮肤效应降到最低。

3.2.2试验方法选择与注意事项

除了本次研究中运用的方法以外，常见的微水试验方法还有沉入重物法、栓塞试验法等。所有方法的共同特点是要尽量实现井内水位变化瞬时反应的效果，避免产生额外的水头扰动，同时有效采集水头变化值。各试验方法特点及适用性见表3。

对于裂隙与岩溶介质，在进行微水试验之前要充分调查试验井裂隙发育情况、井身结构设计与取水段位置，对目标含水层渗透系数范围有一个大致的把握，综合确定试验方法。尤其要注意有无大型裂隙（岩溶通道）的发育，对于裂隙发育不均匀的情况，以及需要重点研究的取水段，可以运用栓塞分段试验法，获得试验井不同位置的渗透系数值。

4结语

本文利用水位自动监测装置记录停泵水位恢复法、HSZK振荡试验法与注水试验法进行微水试验，获得岩溶裂隙含水层渗透系数值约为传统抽水试验结果的1/2，在一定表3试验方法对比

Table 3Comparison of different test methods

试验方法方法特点沉入重物法操作简便，不需要复杂的仪器设备。容易对试验早期水头数据产生一定扰动，尤其对于渗透性较高的含水层，扰动影响较大，同时可能对试验井水质产生一定污染。快速抽/注水法可以通过抽取/注入水量计算出井内水位最大变化值。但是较难达到水位的瞬时变化，同时可能产生额外的水压效应，采用注水方法时要注意避免污染的引入。压气式方法可以实现井孔内水位的快速变化，不会造成污染，便于重复试验。要求试验井密封条件良好，并且对于渗透性较差的含水层，井内水位恢复到初始水平历时较长。栓塞试验法通过栓塞的隔离，可以获得特点取水段的参数值，缩短试验时间。需要的设备和仪器较多，操作相对复杂。利用水位自动监测

装置停泵法可以依托已有的生产井实现微水试验的网络化布置，要求在水位自动监测及实时显示装置配备齐全的基础上进行。程度上体现了试验点处岩溶裂隙含水层渗透系数的大小及其空间变化情况。其中水位自动监测装置记录停泵水位恢复法有效地利用了现有生产井布井条件，为微水试验的应用提供了新的思路，也为本区域隐伏岩溶发育非均质性调查研究提供了一定参考。

微水试验方法灵活、操作简单、能耗低、周期短，可以实现裂隙和岩溶介质渗透性的快速测试，同时由于其影响半径的限制及易受皮肤效应的影响而与抽水试验结果存在一定误差，在今后的工作中，应进一步加强理论模型特别是裂隙与岩溶介质模型的研究，扩大其适用范围。

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作者：李星宇 南天 王新娟 李鹏 谢振华 邵景力

压水试验水文地质论文 篇3：

水电站岩体透水性分析

摘要：在水利工程建设过程中，有效的水文地质勘察是十分必要的，它可以保障水利工程建设的有序进行。其中钻孔压水试验是评价岩体渗透性的最常用的方法，其主要指标为透水率、渗透系数。巴基斯坦某水电站坝址地区以辉长岩为主，通过综合考虑该地区的压水试验吕荣值和各种地质资料，来对岩体透水性和完整程度进行分析。結果显示，巴基斯坦某水电站钻孔压水试验中，钻孔MHL-3吕荣值主要位于0.08-0.25Lu之间，钻孔MHR-1吕荣值主要位于0.04-1.36Lu之间，综合分析得出该水电站坝址地区岩石渗透性极低，岩体裂隙发育较少。

关键词：水利水电工程、钻孔压水试验、吕荣值、透水率

0前言

水文地质试验是水利地质勘察中的一个重要环节。通过水文地质试验，获得岩土层的水文地质参数，评价岩层的透水性。其中压水试验是评价岩体渗透性的最常用的方法，该实验是通过灌浆塞把钻孔隔离出一定的长度孔段，然后以一定的压力向该孔段压水，测定相应压力下的压入流量，是根据岩体的吸水量判断岩体裂隙发育程度和透水性的一种原位试验[1]。工程实践表明，压水试验是确定岩石完整程度及渗透性强弱的良好方法，可以被广泛应用[2，3]。

1研究区概况

1.1地形地貌

巴基斯坦全境五分之三为山区和丘陵，南部沿海一带为沙漠，向北伸展则是连绵的高原牧场和肥田沃土。某水电站位于巴基斯坦北部高地，属中低山地貌，山体浑厚，沟谷发育，印度河呈“几”字穿越坝区，河谷呈“V”型谷，两岸坡角30°～40°，两岸谷坡基本对称。

1.2工程地质概况

某水电站两岸基岩裸露，以白垩系辉长-苏长岩为主，少量出露超基性侵入岩，风化不强烈，基岩岩体完整性较好。河谷两岸分布有第四系堆积层，河床堆积主要为砂卵砾石，最厚可达40m～50m。两岸谷坡脚多以崩坡积、冲洪积和冰水堆积为主，一般厚度较小。

根据勘察资料、地表露头，某水电站内分布的地层主要有：第四系冲、洪积（Qal+pl）层，第三系辉长岩和第三系苏长岩。现分述如下：

1.2.1第四系冲、洪积（Qal+pl）层

由黑灰、绿灰、浅黄等杂色含砂砾粘土、砂砾（岩块）粘土等组成，结构松散。其中砾石岩块成分以辉长岩、苏长岩为主，砾径一般3～10cm，少量达20～30cm。与下覆地层呈不整合接触，呈稍湿、稍密状态。

1.2.2第四系残、坡积（Qal+pl）层和冰碛物

由黑灰、绿灰、浅黄等杂色含砂砾粘土、含粘土砂砾（岩块）等组成，结构松散。其中砾石卵石块石岩块成分以辉长岩、苏长岩为主，砾径一般5～15cm，少量达20～30cm。与下覆地层呈不整合接触，呈稍湿、稍密状态。

1.2.3第三系辉长岩

主要由火山岩及火山集块岩等组成。集块岩中伴有次生的安山岩熔岩，同时，火山岩与页岩和砂岩互层。局部地段伴有安山岩熔岩，与下覆苏长岩呈整合接触。

1.2.4第三系苏长岩

浅灰、青灰色，斑状结构，基质具显微粒变晶结构，块状构造。岩石强烈蚀变，具典型的斑岩型矿床蚀变分带。未风化岩石强度一般。均以石膏充填，局部见绿泥石及褐黄色铁质渲染;岩体呈块状结构，局部碎裂结构，延展性差，结合度好，岩体风化后力学强度较低。

1.3气候条件

巴基斯坦属于热带气候，气温普遍较高，降水比较稀少，年降水量少于250毫米的地区占全国总面积的四分之三以上。巴基斯坦除南部属热带气候外，其余属亚热带气候。南部湿热，受季风影响，雨季较长;某水电站位于巴基斯坦北部地区，干燥寒冷，有的地方终年积雪，年平均气温27℃。

1.4水文条件

印度河是巴基斯坦主要河流，印度河干流源于中国西藏境内喜马拉雅山系凯拉斯峰的东北部，山峰平均海拔约5500米，终年冰雪覆盖。印度河上游为狮泉河，河流在印度境内基本上向西北流。河流穿过喜马拉雅山脉和喀喇昆仑山脉之间，接纳众多冰川，进入巴基斯坦境内后，在布恩吉（bungi）附近与吉尔吉特（gilgit）河相汇，然后转向西南流，转向西南贯穿巴基斯坦全境，在卡拉奇附近注入阿拉伯海。某水电站地区大气降水较为稀少，地表水来源主要为印度河河水。

2钻孔压水试验

2.1压水试验设备

本次压水试验所用设备主要包括：记录仪、压力计、流量计、压力表、灌浆塞、手压泵、高压水泵、地面注水胀塞系统等。

2.2压水试验的方法

本次压水试验采用国际标准，每5m进行一次压水试验。压水试验的设定压力随深度的不同有所变化：（1）深度小于15m，压力为0.1-0.2-0.3-0.2-0.1 MPa;（2）深度15-30m，压力为0.2-0.3-0.5-0.3-0.2 MPa;（3）深度30-60m，压力为0.3-0.4-0.7-0.4-0.3 MPa;（4）深度60-100m，压力为0.3-0.6-1.0-0.6-0.3 MPa;（5）深度大于100m，压力为0.5-1.0-1.5-1.0-0.5 MPa。

3试验成果及其分析

该项目每5m做一次压水试验，本文共选取2个钻孔，每个钻孔选取5组试验数据进行分析。压水试验数据如表1所示。

由表1可知，MHL-3吕荣值主要位于0.08-0.25Lu之间，MHR-1吕荣值主要位于0.04-1.36Lu之间，可以判断巴基斯坦某水电站坝址地区岩石渗透性极低，岩体裂隙发育较少。

4结论

1）巴基斯坦某水电站坝址地区压水试验吕荣值较小，岩石渗透性极低。

2）钻孔压水试验为该项目的岩体完整性提供了重要依据，并为后续的注浆设计工作提供基本的地质资料。

参考文献：

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作者：宋立国