肖傳寧，劉承磊，李連營，孫懷軍

(天津市勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300000)

含水層的滲透系數(shù)是反映巖土體滲透性的重要參數(shù)，也是水文地質(zhì)及工程地質(zhì)勘察工作中的關(guān)鍵參數(shù)[1-2]。目前，國內(nèi)測定含水層滲透系數(shù)的主要手段為抽水試驗，但其存在需要大量的人力物力，耗費較長時間等缺點[3]。同時，對于滲透性較弱、儲水性較差的含水層，做抽水試驗非常困難[4]。微水試驗是利用某種方式使井(孔)中水位在一瞬時發(fā)生微小變化，并通過觀測井(孔)中水位隨時間的變化過程確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)的現(xiàn)場試驗方法[5]。與抽水試驗相比，該方法具有操作簡便、試驗周期短及對含水層擾動較低等優(yōu)點[6-7]。國外對微水試驗的研究開展得較早，研究成果較多，在理論和求解方法方面已較為成熟，常用的有Hvorslev模型、Bouwer&Rice模型和Cooper模型等，國內(nèi)的研究主要在國外已有的研究基礎(chǔ)上進行且在工程實踐中應(yīng)用較少[8-9]。林廣宇等[10]通過對比微水試驗、抽水試驗及室內(nèi)土工試驗的結(jié)果，研究了微水試驗求取含水層滲透系數(shù)的可靠性，本文是在其基礎(chǔ)上的進一步應(yīng)用。

本文以天津市某場地潛水含水層和微承壓含水層的微水試驗資料為基礎(chǔ)，利用Aquifer Test中Slug Test模塊求解，并與抽水試驗計算結(jié)果對比，分析了微水試驗技術(shù)在天津地區(qū)測定水文地質(zhì)參數(shù)的精度及適用性，為該技術(shù)的實踐及推廣提供一定的參考依據(jù)。Aquifer Test軟件具有簡便、友好、直觀的使用界面，并具有優(yōu)良的可視化效果，其中的Slug test模塊是分析處理微水試驗數(shù)據(jù)的常用工具[11]。

1 工程概況及試驗方案

1.1 工程概況

試驗場地位于天津市河?xùn)|區(qū)某地塊內(nèi)，擬建商務(wù)辦公樓2座、商業(yè)樓5座及地下車庫。地下車庫整體4層，埋深約21.0 m。場地內(nèi)為施工臨建用地、堆土場、鋼筋加工區(qū)及施工臨時道路等；場地西側(cè)為項目二期工程、南側(cè)為三期A地塊工程、東側(cè)為六緯路、北側(cè)為八經(jīng)路，其中二期工程為超高層公寓樓即將竣工，三期A地塊正在進行西半部分主體施工，六緯路、八經(jīng)路均為現(xiàn)狀道路，交通繁忙。工程概況如圖1所示。

圖1 工程概況及井位布置圖

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程勘察結(jié)果，場地埋深28.00 m深度范圍內(nèi)的地層主要為人工堆積層及第四紀陸相、海相、沼澤相沉積層。按地層巖性及成因可自上而下劃分為6個大層，進一步劃分為10個亞層，根據(jù)巖性分布、室內(nèi)滲透試驗結(jié)果綜合分析可分為潛水含水層、相對隔水層及承壓含水層。場地地層分布特征如表1所示。

表1 場地地層分布情況

場地潛水天然動態(tài)類型屬滲入-蒸發(fā)徑流型，主要接受大氣降水入滲和地表水體滲漏補給，排泄方式主要為蒸發(fā)、地下水側(cè)向徑流和垂向越流。地下水總體流向為自北西向南東，水位變幅0.5 m～1.0 m。承壓水天然動態(tài)類型屬滲入-徑流型，以越流補給、地下水側(cè)向徑流和“天窗”滲漏補給為主，排泄方式主要為側(cè)向徑流和越流。

1.3 微水試驗情況

本次在場地內(nèi)布設(shè)6口試驗井(SY1-1、SY1-2、SY1-3、SY2-1、SY2-2、SY2-3)，其中，SY1-1、SY1-2、SY1-3為潛水含水層完整井，SY2-1、SY2-2、SY2-3為承壓含水層完整井。針對場地潛水含水層及承壓含水層的微水試驗分別在SY1-1、SY2-1中進行1次，水位測量采用Micro Diver自動水位記錄儀監(jiān)測。同時，為分析微水試驗的精度，在潛水含水層及承壓含水層分別進行了1次帶2個觀測井的抽水試驗，試驗井SY1-2、SY1-3為潛水水位觀測井，SY2-2、SY2-3為承壓水水位觀測井。抽水試驗在完成微水試驗且在水位完全恢復(fù)后進行。井位布置情況如圖1所示，井身結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 井身結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2 微水試驗基本原理

目前國內(nèi)外提出的微水試驗求解模型多達50種，這些模型中Hvorslev模型、Cooper模型及Bouwer&Rice模型較為常用。

2.1 Hvorslev模型

Hvorslev[12]在20世紀50年代發(fā)展建立的Hvorslev模型是一種適用于承壓含水層完整井的求解模型，其忽略了含水層的彈性釋水過程。

Hvorslev模型的表達方式如下，一般采用直線圖解法求解：

(1)

(2)

式中：H0為初始水頭變化；H(t)為隨時間的水頭變化；t為時間；R為微水試驗影響半徑；rw為井管半徑；rc為鉆孔套管半徑；K為含水層滲透系數(shù)；M為承壓含水層厚度；T0為基本時間間隔，即變化的水位降深與初始水位降深之比為0.37時所對應(yīng)的時間。

2.2 Cooper模型

20世紀60年代，Cooper等[13]建立了一種適用于承壓含水層完整井的Cooper模型求解方法，考慮了含水層的彈性釋水效應(yīng)。

Cooper等給出了如下形式的解析解，利用標準曲線配線法求參數(shù)：

(3)

f(u,α)=[uJ0(u)-2αJ1(u)]2+[uY0(u)-2αY1(u)]2

(4)

(5)

式中：α為無量綱釋水系數(shù)；β為無量綱慣性參數(shù)；J0(u)為第一類零階Bessel函數(shù)；J1(u)為第一類一階Bessel函數(shù)；Y0(u)為第二類零階Bessel函數(shù)；Y1(u)為第二類一階Bessel函數(shù)。

2.3 Bouwer&Rice模型

Bouwer&Rice模型是由Bouwer等[14]建立發(fā)展的，其適用于潛水含水層，忽略含水層彈性釋水效應(yīng)。

H.Bouwer等給出了如下形式的解析解，一般采用直線圖解法求解：

(6)

式中：re為濾管半徑；L為含水層中濾管的長度。

對于完整井，Bouwer 和Rice給出了影響半徑R的計算方式如下：

(7)

式中：b為濾管底部至含水層頂部的長度；h為靜止狀態(tài)下潛水含水層厚度；L為含水層中濾管的長度；A、B、C均為L/re的函數(shù)。

3 微水試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 微水試驗計算結(jié)果

對潛水含水層試驗井SY1-1、承壓含水層試驗井SY2-1各進行1次降水位微水試驗，分別記錄每次提水后水位隨時間的恢復(fù)數(shù)據(jù)，利用上述數(shù)據(jù)分別采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ头椒ㄇ蠼夂畬訚B透系數(shù)。

潛水含水層試驗井SY1-1的靜止水位為0.87 m，初始時刻最大水位降深約為0.30 m，試驗周期約為75 min，其水位降深變化曲線如圖2所示。

圖2 潛水含水層微水試驗水位降深隨時間變化過程

潛水含水層采用Bouwer&Rice模型求解，利用Aquifer Test中Slug Test模塊的配線過程如圖3所示，求得場地潛水含水層滲透系數(shù)為0.209 m/d。

圖3 潛水含水層微水試驗Bouwer&Rice模型h/h0-t曲線

承壓含水層試驗井SY2-1的靜止水位為-2.37 m，初始時刻的最大水位降深約為0.64 m，試驗周期為10 min，水位降深變化曲線如圖4所示。

圖4 承壓含水層微水試驗水位降深隨時間變化過程

承壓含水層采用Hvorslev模型和Cooper模型求解，同樣利用Aquifer Test中Slug Test模塊的配線過程如圖5、圖6所示，求得場地承壓含水層滲透系數(shù)分別為3.350 m/d、5.030 m/d。

圖5 承壓含水層微水試驗Hvorslev模型h/h0-t曲線

3.2 數(shù)據(jù)分析

為對比微水試驗結(jié)果的準確性，在不同含水層同一井中各進行1次帶2個觀測井的定流量抽水試驗，并引用“相對偏差”的概念量化兩種方法計算結(jié)果的差異，相對偏差為兩種計算結(jié)果差與和之比的絕對值。潛水含水層抽水試驗穩(wěn)定抽水量約為25.34 m3/d，抽水井SY1-1最大水位降深為5.73 m，觀測井SY1-2、SY1-3最大水位降深分別為2.63 m、1.53 m，抽水時長約為46 h。承壓含水層抽水試驗穩(wěn)定抽水量約為87.41 m3/d，抽水井SY2-1最大水位降深為6.06 m，觀測井SY2-2、SY2-3最大水位降深分別為3.01 m、1.91 m，抽水時長約為45 h。潛水含水層及承壓含水層均采用Dupuit穩(wěn)定流公式計算滲透系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

圖6 承壓含水層微水試驗Cooper模型s-t曲線

表3 抽水試驗、微水試驗滲透系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

由表3可以看出，潛水含水層微水試驗Bouwer&Rice模型計算結(jié)果較抽水試驗偏小，相對誤差為3.24%。承壓含水層微水試驗Hvorslev模型計算結(jié)果較抽水試驗偏小，相對誤差為2.29%，Cooper模型計算結(jié)果較抽水試驗偏大，相對誤差為17.84%。

潛水含水層微水試驗的試驗井SY1-1中最大水位變化為0.30 m，承壓含水層微水試驗的試驗井SY2-1中最大水位變化為0.64 m，水位變化遠小于抽水試驗的試驗井水位變化值5.73 m、6.06 m。潛水含水層、承壓含水層微水試驗的試驗周期分別為75 min、10 min，相較于抽水試驗周期46 h、45 h較小。同時，潛水含水層、承壓含水層微水試驗均未對周邊觀測井中的水位產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論及建議

(1) 相較于抽水試驗，微水試驗周期短、操作簡便，是一種較為經(jīng)濟、快速確定含水層滲透系數(shù)的現(xiàn)場試驗方法。

(2) 利用Bouwer&Rice模型分析潛水含水層微水試驗數(shù)據(jù)求得的滲透系數(shù)與抽水試驗計算結(jié)果相比誤差小，結(jié)果準確。

(3) 利用Hvorslev模型分析承壓含水層微水試驗數(shù)據(jù)求得的滲透系數(shù)與抽水試驗計算結(jié)果的相對誤差遠小于Cooper模型，Hvorslev模型計算結(jié)果更為準確。

(4) Bouwer&Rice模型、Hvorslev模型的計算結(jié)果均較抽水試驗偏小，Cooper模型較抽水試驗偏大，與林廣宇等的研究結(jié)論基本一致。

由于周期有限，本次研究工作未進行不同降深、不同流量的重復(fù)微水試驗，如有條件建議在同一試驗井內(nèi)針對不同降深和流量進行多次微水試驗，對比不同激發(fā)強度對試驗結(jié)果的影響，以便于為后期工程的實踐應(yīng)用提供依據(jù)。