基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析_张峰敏.pdf

第 33 卷第 1 期2023 年 3 月安徽地质Geology of AnhuiMar.2023Vol.33 No.1文章编号：1005-6157（2023）01-0引言水文地质参数可以反映含水层水文地质性能，是地下水运动问题的重要研究参数。为确定含水层水文地质参数，抽水试验凭借所花时间较短、费用低等优点，是常用的途径之一。抽水试验数据可分为三个阶段：非稳定流连续降深阶段；稳定流水位恒定阶段；停抽后水位恢复阶段1-3。对于非稳定流连续降深阶段，常用Thies井模型公式求得相关水文地质参数，其函数由于计算复杂，求解方法也多样，包括级数展开解法、配线法、图解法等4。但非稳定流连续降深阶段抽水前期流量不稳定，抽水时间长，且Thies公式忽视了地下水侧向补给的影响，在实际问题中使用受限4-5。对于稳定流水位恒定阶段，可用裘布依公式进行计算导水系数和渗透系数，其间获得的流量和水位降深数据相对稳定，计算简便。但是无法计算贮水系数等其他水文地质参数，对水文地质条件较复杂的区域不适用3,6。水位恢复阶段是当抽水达到稳定后，抽水井水位逐渐恢复到初始状态而进行观测数据的阶段，该阶段几乎不受人为或者机器因素干扰，其降深数据易得到平滑曲线7。水位恢复阶段使用的Thies井函数公式涉及抽水试验阶段的时间，实际情况下水位降深稳定后的持续时间难以把控，影响计算结果3。单孔抽水试验只有一个抽水孔，而没有观测孔，具有设备简单、成本低的优点，由于现场条件的限制，需要用单孔抽水试验来确定水文地质参数。本文利用巢湖地质疗养院基岩裂隙区的单孔抽水试验，分别对其稳定流水位恒定阶段和水位恢复阶段的数据求渗透系数，并将所求结果进行对比分析，选择最佳计算方式。1区域地质概况研究区位于安徽省巢湖东侧，距离巢湖市8 km，区域有合肥-马鞍山省道105线和合肥-巢湖-芜湖高速公路经过，交通便利。研究区地处中纬度地带，亚热带湿润季风气候，年平均气温为1617，年均降水量为 1 215 mm，其中降雨量的 50%集中在 58 月份。境内地形地貌系江淮丘陵向长江平原的过渡地带，地形有低山、丘陵、岗地、平原、水域五种类型；巢湖周围以冲湖积平原为主，江河湖泊融为一体。区域地层分布除第三系缺失外，自震旦系至第四系均有不同程度发育，其中震旦系至下、中三叠统为海相碳酸盐岩、碎屑岩、泥岩，中、新生界则以陆相的碎屑岩、火山碎屑岩、火山岩发育为特征。研究区处于郯庐断裂带中部，地质构造复杂，断裂发育，褶皱有汤山背斜、邹家庄-卫村向斜等，总体南端倾伏，北端扬起；断层基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析张峰敏1，王小勇1,2，钱家忠1（1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥230009；2.安徽工程勘察院，安徽合肥230011）摘要：渗透系数的求取量化是水文地质和工程地质工作广为利用的一种方法。本文针对巢湖市地质疗养院一带基岩裂隙分布区的单孔抽水试验资料，分别使用裘布依公式和水位恢复法对渗透系数进行了计算，结果显示：用裘布依公式得到的平均渗透系数为0.144538 m/d，用水位恢复法测得渗透系数为0.142659 m/d。通过实验对比分析，得出水位恢复阶段求取渗透系数比稳定流水位恒定阶段精度高。关键词：抽水试验；渗透系数；水位恢复中图分类号：P641文献标志码：A收稿日期：2021-6-6基金项目：国家自然科学基金项目“基岩裂隙水非达西流与溶质非费克运移机制及其升尺度模型”（编号：41831289）和安徽省公益性地质调查项目“郯庐断裂带安徽段地质环境调查与评价”（编号：2015-g-26）联合资助作者简介：张峰敏（1997），男，江西九江人，合肥工业大学资源与环境专业研究生。E-mail:通讯作者：钱家忠（1968），男，安徽凤阳人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师，从事基岩裂隙水运移机理研究、中国北方型岩溶裂隙水资源评价和优化管理模拟、煤矿突水水源智能识别及水害防治信息系统研究。E-mail:038-5第33卷第1期有白秀山-汤山断层、界石铺-巢县断层、汤山园艺场断层等，总体呈北东向。2抽水试验及其结果抽水试验通过在井孔中抽水和观测，对井水位降深、抽水时间、涌水量和含水层之间的关系进行研究，获得相关含水层水文地质参数。钻孔深度为101.80m，分 三 级 扩 孔，终 孔 孔 径 为 350 mm，下 入 管 径 为168 mm，下管总长度为 30.00 m（高出地表 0.5 m），30.00100.20m为裸孔；其中滤水管总长度为21.00m，滤水管分布深度为6.0027.00 m。井孔之间投入直径为13 mm的清水砂滤料，深度为5.0030.00 m。井孔自上而下为第四系，下伏基岩为志留系（S）、奥陶系（O），岩性描述如表1所示。井孔初始水位为1.55 m，含水层岩性以裂隙发育的石灰岩为主，主要含水层位置在 7.2068.90 m 和 80.20100.20 m 之间，厚度为81.7 m，为基岩裂隙水。表1SWK6钻孔岩性描述Table 1.Lithological description of borehole SWK6对巢湖市地质疗养院SWK6进行了单孔抽水试验，按照抽水试验的严格要求，抽水试验总时间累计2 790 min，进行了3次降深，分别为15.31 m、9.84 m和5.61 m，涌水量为0.9062.376 L/s，抽水试验结果如表2所示。抽水试验3次降深与时间关系曲线如图1所示。涌水量 Q 与降深 S关系为直线型，如图 2所示。抽水试验持续210 min时，水位达到稳定，综合分析可判断有侧向补给的有限含水层，地下水类型是承压水。含水层顶板位于深度为7.20 m的亚黏土，由于钻孔仅钻进了100.20 m，未见隔水层，判定为非完整井，抽水试验概念模型为承压水含水层完整井稳定流8-9。图1抽水试验3次降深与涌水量关系曲线Figure 1.Graph of relation between 3 drawdowns and waterinflow during pumping test图2三次降深Q-S关系曲线Figure 2.Q-S relation curve of three drawdowns3参数计算3.1 裘布依稳定流公式裘布依公式是常用的计算含水层渗透系数的一种方法。其使用时须满足以下条件：含水层是均质、各向同性的；地下水为层流，符合线性定律的稳定状态；抽水井具有圆柱形定水头补给边界；对于承压水，顶底板是完全隔水的9。根据研究区域的含水层边界性质，符合裘布依条件，可以选择裘布依公式来计算：K=0.366QMSlgRr（1）R=10SK（2）式中：K为渗透系数；Q为涌水量；R为抽水井影响半径；M为含水层厚度；S为水位降深；r为抽水井半径。用Excel表格进行迭代带入裘布依公式，在公式（1）中可任意赋值一个影响半径，本文将第1个影响半岩性人工填土淤泥质亚黏土强风化泥岩强风化石灰岩微风化石灰岩微风化泥岩微风化石灰岩深度/m0.002.802.807.207.2015.8015.8021.8021.8068.9068.9080.2080.20100.20层厚/m2.804.408.606.0047.0011.3020.00岩性描述灰黄色，主要为黏性土和碎石，碎石含量在20%左右，粒径约为13 cm青灰色，切面有光泽，岩心完整，见贝壳碎片灰黄色，泥质胶结，块状构造，节理裂隙发育，岩心主要呈块状，易碎灰黑色，块状构造，节理裂隙发育，岩心多呈短柱状灰黑色，块状构造，节理裂隙发育，岩心多呈柱状灰黄色，泥质胶结，块状构造，节理裂隙发育，岩心多呈短柱状-柱状，易碎灰黄色，泥质胶结，块状构造，节理裂隙发育，岩心多呈柱状，易碎/第1次降深第2次降深第3次降深含水层厚度/m81.7抽水井半径/m0.175最大降深/m15.319.845.61涌水量Q/（m3/d）205.29143.1678.28单位涌水量q/(L/sm)0.1550.1680.161表2抽水试验降深数据Table 2.Drawdown data of the pumping test张峰敏，等：基岩裂隙区单孔抽水试验渗透系数对比分析39安徽地质2023年径赋值为1，求出渗透系数K，将K值代入公式（2），计算出第2个影响半径R，然后将计算所得的影响半径R再代入裘布依公式，如此反复循环，直到最终计算所得的影响半径和渗透系数的误差均小于1%，计算结果见表 32,10。上述方法计算得出 3 次降深的渗透系数分别为0.152 158 m/d、0.152 635 m/d、0.128 825 m/d，渗透系数的平均值为0.144 538 m/d。表3裘布依公式计算渗透系数结果Table 3.Calculation results of f permeability coefficientusing Dupuits equation3.2 水位恢复法水位恢复阶段是在抽水试验停止之后，水位逐渐恢复初始状态的过程，这一过程可以类比于抽水试验初期非稳定流连续降深阶段的过程：抽水停止之后，向该井以一定的流量持续注水，直到水位恢复。水位恢复法求解渗透系数方法适用非稳定流 Thies 井公式6。承压含水层的非稳定流完整井Thies井公式：S=Q4TW(u)（3）W()u=ue-xxdx,u=r2us4Tt（4）Thies井函数公式展开无穷级数形式：W()u=ue-xxdx=-0.577216-lnu+u-n=2()-1nunnn!（5）式中：S为实测降深；Q为涌水量；T为导水系数；W(u)为Thies井函数；r为抽水井半径；us为贮水系数。对于Thies井函数，当u0.01或u0.05时可简化为：W(u)-0.577216-lnu=ln2.25Ttr2us=2.303lg2.25Ttr2us（6）抽水试验停止后，水位会逐渐恢复到初始水位，降深减少；在这个过程中，t时刻的降深与初始水位的差值就称为剩余降深S。Thies水位恢复法剩余降深公式为：S=Q4TW(r2us4Tt)W(r2us4Tt)（7）式中：S为剩余降深；t为停止抽水之后的恢复时间；t表示抽水时间与停止抽水后水位恢复时间之和，即总时间。将公式（6）带入公式（7）中，可得：S=2.303Q4Tlgtt（8）从公式（8）可以看出，剩余降深S与lgt/t的关系曲线为直线，直线斜率i=2.303Q4T7,9。根据水位恢复数据绘制 S-lgt/t曲线，如图 3 所示。S与 lgt/t之间存在线性关系，可得到斜率i=1.230 870，导水系数T=2.303Q4i=2.303 78.284 1.230870=11.655279 m2/d，渗透系数K=TM=11.65527