抽水試驗與“用單位出水量計算滲透系數(shù)”

1、4.1抽水試驗?zāi)康囊?.1.1 抽水試驗的目的(1 確定含水層及越流層的水文地質(zhì)參數(shù):滲透系數(shù)K、導(dǎo)水系數(shù)T、給水度m、彈性釋水系數(shù)m*、導(dǎo)壓系數(shù)a、弱透水層滲透系數(shù)K'、越流系數(shù)b、越流因素B、影響半徑R等。(2 通過測定井孔涌水量及其與水位下降(降深之間的關(guān)系,分析確定含水層的富水程度、評價井孔的出水能力。(3 為取水工程設(shè)計提供所需的水文地質(zhì)數(shù)據(jù),如影響半徑、單井出水量、單位出水量、井間干擾出水量、干擾系數(shù)等,依據(jù)降深和流量選擇適宜的水泵型號。(4 確定水位下降漏斗的形狀、大小及其隨時間的增長速度;直接評價水源地的可開采量。(5 查明某些手段難以查明的水文地質(zhì)條件,如確定各含水

2、層間以及與地表水之間的水力聯(lián)系、邊界的性質(zhì)及簡單邊界的位置、地下水補(bǔ)給通道、強(qiáng)徑流帶位置等。4.1.2 抽水試驗分類抽水試驗主要分為單孔抽水、多孔抽水、群孔干擾抽水和試驗性開采抽水。(1單孔抽水試驗:僅在一個試驗孔中抽水,用以確定涌水量與水位降深的關(guān)系,概略取得含水層滲透系數(shù)。(2多孔抽水試驗:在一個主孔內(nèi)抽水,在其周圍設(shè)置若干個觀測孔觀測地下水位。通過多孔抽水試驗可以求得較為確切的水文地質(zhì)參數(shù)和含水層不同方向的滲透性能及邊界條件等。(3群孔干擾抽水試驗:在影響半徑范圍內(nèi),兩個或兩個以上鉆孔中同時進(jìn)行的抽水試驗;通過干擾抽水試驗確定水位下降與總涌水量的關(guān)系,從而預(yù)測一定降深下的開采量或一定開采

3、定額下的水位降深值,同時為確定合理的布井方案提供依據(jù)。(4試驗性開采抽水試驗:是模擬未來開采方案而進(jìn)行的抽水試驗。一般在地下水天然補(bǔ)給量不很充沛或補(bǔ)給量不易查清,或者勘察工作量有限而又缺乏地下水長期觀測資料的水源地,為充分暴露水文地質(zhì)問題,宜進(jìn)行試驗性開采抽水試驗,并用鉆孔實際出水量作為評價地下水可開采量的依據(jù)。4.1.3 抽水試驗的方法單孔抽水試驗采用穩(wěn)定流抽水試驗方法,多孔抽水、群孔干擾抽水和試驗性開采抽水試驗一般采用非穩(wěn)定流抽水試驗方法。在特殊條件下也可采用變流量(階梯流量或連續(xù)降低抽水流量抽水試驗方法。抽水試驗孔宜采用完整井(巨厚含水層可采用非完整井。觀測孔深應(yīng)盡量與抽水孔一致。4.1

4、.4 抽水試驗準(zhǔn)備工作(1 除單孔抽水試驗外,均應(yīng)編制抽水試驗設(shè)計任務(wù)書;(2 測量抽水孔及觀測孔深度,如發(fā)現(xiàn)沉淀管內(nèi)有沉砂應(yīng)清洗干凈;(3 做一次最大降深的試驗性抽水,作為選擇和分配抽水試驗水位降深值的依據(jù);(4 在正式抽水前數(shù)日對所有的抽水孔和觀測孔及其附近有關(guān)水點進(jìn)行水位統(tǒng)測,編制抽水試驗前初始水位等水位線圖,如果地下水位日變化很大時,還應(yīng)取得典型地段抽水前的日水位動態(tài)曲線;(5 為防止抽出水的回滲,在預(yù)計抽水影響范圍內(nèi)的排水溝必須采取防滲措施。當(dāng)表層有3 m以上的粘土或亞粘土?xí)r,一般可直接挖溝排水。(6 需要對多層含水層地下水進(jìn)行分層評價時,應(yīng)分層進(jìn)行抽水試驗,或用井中流速、流量儀解決

5、分層抽水問題。4.2抽水試驗孔布置要求4.2.1 抽水孔的布置要求抽水孔的布置應(yīng)符合下列要求:(1 對勘察區(qū)水文地質(zhì)條件具有控制意義的典型地段,應(yīng)布置單孔抽水試驗孔,根據(jù)單孔抽水試驗資料計算的水文地質(zhì)參數(shù)編制參數(shù)分區(qū)圖;(2 多孔抽水試驗孔組,一般參照導(dǎo)水系數(shù)分區(qū)圖,并結(jié)合水文地質(zhì)條件布置,每個有供水意義的參數(shù)區(qū)至少布置一組,其抽水試驗資料所求參數(shù)可作為該區(qū)計算參數(shù)(不用平均參數(shù);(3 群孔干擾抽水試驗和試驗性開采抽水試驗應(yīng)在擬建水源地范圍內(nèi),選擇有代表性的典型地段,并結(jié)合開采生產(chǎn)井布置。4.2.2 觀測孔的布置要求觀測孔的布置應(yīng)符合下列要求:(1 為了計算水文地質(zhì)參數(shù),在抽水孔的一側(cè)宜垂直地

6、下水的流向布置23個觀測孔。(2 為了測定含水層不同方向的非均質(zhì)性或確定抽水影響半徑,可以根據(jù)含水層的不同情況,以抽水孔為中心布置14條觀測線;如有兩條觀測線,一條垂直地下水流向,另一條宜平行地下水流向。(3 群孔干擾抽水試驗和試驗性開采抽水試驗應(yīng)在抽水孔組中心布置一個觀測孔;為查明相鄰已采水源地的影響,應(yīng)在連接兩個開采中心方向布置觀測孔。為確定水位下降漏斗形態(tài)和補(bǔ)給(或隔水邊界,應(yīng)在邊界和外圍一定范圍內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的觀測孔。(4 多孔抽水孔組的第一個觀測孔應(yīng)盡量避開三維流的影響,相鄰兩觀測孔的水位下降值相差不小于0.1m,最遠(yuǎn)觀測孔的下降值不宜小于0.2m,各觀測孔應(yīng)在對數(shù)數(shù)軸上呈均勻分布。

7、(5 在半承壓水含水層進(jìn)行抽水試驗時,宜在觀測孔附近覆蓋層(半透水層或弱含水層中布置副觀測孔。(6 在進(jìn)行試驗性開采抽水試驗時,應(yīng)在水位下降漏斗范圍內(nèi)的重要建筑物附近增設(shè)工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)觀測點。4.3穩(wěn)定流抽水試驗要求4.3.1 水位降深穩(wěn)定流抽水試驗一般進(jìn)行三次水位降深,最大降深值應(yīng)按抽水設(shè)備能力確定。水位降深順序,基巖含水層一般宜先大后小,松散含水層宜按先小后大逐次進(jìn)行。4.3.2涌水量及水位變化在穩(wěn)定延續(xù)時間內(nèi),涌水量和動水位與時間關(guān)系曲線在一定范圍內(nèi)波動,而且沒有持續(xù)上升或下降的趨勢。當(dāng)水位降深小于10m,用壓風(fēng)機(jī)抽水時,抽水孔水位波動值不得超過1020cm;用離心泵、深井泵等抽水時

8、,水位波動值不超過5cm。一般不應(yīng)超過平均水位降深值的1%,涌水量波動值不能超過平均流量的3%。注意:當(dāng)有觀測孔時,應(yīng)以最遠(yuǎn)觀測孔的動水位判定;應(yīng)考慮自然水位影響;在濱海地區(qū)應(yīng)考慮潮汐對動水位的影響。4.3.3 觀測頻率及精度要求(1 水位觀測時間一般在抽水開始后第1、3、5、10、20、30、45、60、75、90min 進(jìn)行觀測,以后每隔30min觀測一次,穩(wěn)定后可延至1h觀測一次。水位讀數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確到厘米(cm;(2 涌水量觀測應(yīng)與水位觀測同步進(jìn)行;當(dāng)采用堰箱或孔板流量計時,讀數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確到毫米(mm;注意:為保證測量精度要求,可根據(jù)流量大小,選用不同規(guī)格的堰箱。當(dāng)流量小于10L/s時,堰箱斷面

9、面積應(yīng)大于25dm2(即0.5×0.5m;流量為1050L/s時,堰箱斷面面積應(yīng)大于100dm2(即1×1m;流量為50100L/s時,堰箱斷面面積應(yīng)大于200dm2 (即1×2m。(3 水溫、氣溫宜24h觀測一次,讀數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確到0.5,觀測時間應(yīng)與水位觀測時間相對應(yīng)。4.3.4 恢復(fù)水位觀測要求停泵后應(yīng)立即觀測恢復(fù)水位,觀測時間間隔與抽水試驗要求基本相同。若連續(xù)3h 水位不變,或水位呈單向變化,連續(xù)4h內(nèi)每小時水位變化不超過1cm,或者水位升降與自然水位變化相一致時,即可停止觀測。試驗結(jié)束后應(yīng)測量孔深,確定過濾器掩埋部分長度。淤砂部位應(yīng)在過濾器有效長度以下,否則,

10、試驗應(yīng)重新進(jìn)行。4.4非穩(wěn)定流抽水試驗要求4.4.1 鉆孔涌水量鉆孔涌水量應(yīng)保持常量,其變化幅度不大于3%。4.4.2 抽水延續(xù)時間抽水延續(xù)時間除滿足表4-1的要求外,并可結(jié)合最遠(yuǎn)觀測孔水位下降與時間關(guān)系曲線S(或h2-lgt來確定。(1 當(dāng)S(或h2-lgt曲線至拐點后出現(xiàn)平緩段,并可以推出最大水位降深時,抽水方可結(jié)束;注意:在承壓含水層中抽水,采用S-lg t曲線,在潛水含水層中抽水采用h2-lgt 曲線。h2是指潛水含水層在自然情況下的厚度H和抽水試驗時的厚度h的平方差,即h2=H2-h2。(2 當(dāng)S(或h2-lgt曲線沒有拐點或出現(xiàn)幾個拐點,則延續(xù)時間宜根據(jù)試驗的目的確定。4.4.3

11、觀測頻率及精度要求觀測頻率及精度應(yīng)符合下列要求:(1 水位觀測宜按第0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、10、12、15、20、25、30、40、50、60、75、90、105、120 min進(jìn)行觀測,以后每隔30 min觀測一次,其余觀測項目及精度要求可參照穩(wěn)定流抽水試驗要求進(jìn)行;(2 抽水孔與觀測孔水位必須同步觀測;(3 抽水結(jié)束后,或試驗期間因故中斷抽水時,應(yīng)觀測恢復(fù)水位,觀測頻率應(yīng)與抽水時一致,水位應(yīng)恢復(fù)到接近抽水前的靜止水位。4.4.4 群孔干擾抽水試驗要求群孔干擾抽水試驗除按非穩(wěn)定流抽水要求進(jìn)行外,還應(yīng)滿足下列要求:(1 干擾孔之間的距離,應(yīng)保證一孔抽水

12、,使另一孔產(chǎn)生一定的水位削減;(2 水位降深次數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)計目的而定,一般應(yīng)盡抽水設(shè)備能力做一次最大降深;(3 各干擾孔過濾器的規(guī)格和安裝深度應(yīng)盡量相同;(4 各抽水孔抽水起、止時間應(yīng)該相同;(5 試驗過程中,宜同時對泉和可能受影響的地表水點進(jìn)行水位、流量和水溫的觀測。4.4.5 試驗性開采抽水試驗試驗性開采抽水試驗除按群孔干擾抽水要求進(jìn)行外,還應(yīng)滿足下列要求:(1 抽水試驗一般在枯水期進(jìn)行;(2 抽水鉆孔總涌水量盡量接近設(shè)計需水量;(3 水位下降漏斗中心水位穩(wěn)定時間不宜少于一個月;(4 若水位不能達(dá)到穩(wěn)定,應(yīng)及時調(diào)節(jié)總涌水量,使其達(dá)到穩(wěn)定。4.5抽水試驗資料整理及參數(shù)確定方法4.5.1 抽水試

13、驗資料整理試驗期間,對原始資料和表格應(yīng)及時進(jìn)行整理。試驗結(jié)束后,應(yīng)進(jìn)行資料分析、整理,提交抽水試驗報告。單孔抽水試驗應(yīng)提交抽水試驗綜合成果表,其內(nèi)容包括:水位和流量過程曲線、水位和流量關(guān)系曲線、水位和時間(單對數(shù)及雙對數(shù)關(guān)系曲線、恢復(fù)水位與時間關(guān)系曲線、抽水成果、水質(zhì)化驗成果、水文地質(zhì)計算成果、施工技術(shù)柱狀圖、鉆孔平面位置圖等。并利用單孔抽水試驗資料編繪導(dǎo)水系數(shù)分區(qū)圖。多孔抽水試驗還應(yīng)提交抽水試驗地下水水位下降漏斗平面圖、剖面圖。群孔干擾抽水試驗和試驗性開采抽水試驗還應(yīng)提交抽水孔和觀測孔平面位置圖(以水文地質(zhì)圖為底圖、勘察區(qū)初始水位等水位線圖、水位下降漏斗發(fā)展趨勢圖(編制等水位線圖系列、水位下

14、降漏斗剖面圖、水位恢復(fù)后的等水位線圖、觀測孔的S-t、S-lg t曲線、各抽水孔單孔流量和孔組總流量過程曲線等。注意:要消除區(qū)域水位下降值;在基巖地區(qū)要消除固體潮的影響;傍河抽水要消除河水位變化對抽水孔水位變化的影響。多孔抽水試驗、群孔干擾抽水試驗和試驗性開采抽水試驗均應(yīng)編寫試驗小結(jié),其內(nèi)容包括:試驗?zāi)康摹⒁?、方法、獲得的主要成果及其質(zhì)量評述和結(jié)論。第一章 用單位出水量計算滲透系數(shù)的可行性研究概況在鐵路建設(shè)中,為了提高預(yù)測生產(chǎn)井出水量的精度,同時不使用觀測孔,又節(jié)省勘探費(fèi)用和縮短勘探周期。本文在搜集國內(nèi)外關(guān)于單孔抽水試驗計算滲透系數(shù)的理論公式和經(jīng)驗公式,重點分析裘布依公式的基本假定和適用范圍

15、,找出影響傳統(tǒng)計算方法精度的主要因素,結(jié)合鐵路一般供水站用水量較小的特點,尋求單孔抽水試驗計算水文地質(zhì)參數(shù)簡單可行的新方法。該方法主要根據(jù)勘探孔的抽水試驗資料,建立Q S 拋物線方程,用數(shù)值方法求算S=1m 時的單位出水量q 值,然后求算滲透系數(shù)K 值,再代入裘布依公式中求算引用補(bǔ)給半徑R 值。在計算過程當(dāng)中,使用了數(shù)理統(tǒng)計方法。此外,還使用了基姆公式,以便解決只做一次水位降深時求算S=1m 時的近似單位出水量q 值。從而用小口徑(146mm 勘探試驗孔的水文地質(zhì)參數(shù)K ,R 值,預(yù)測大口徑(>146mm 生產(chǎn)井(大口井、管井、結(jié)合井、干擾井、滲渠即水平集水管等的出水量。第二章 滲透系數(shù)

16、和影響半徑傳統(tǒng)計算公式與存在問題第一節(jié) 裘布依公式的假設(shè)條件和使用范圍自1863年法國水力學(xué)家裘布依提出潛水井和承壓水井公式以來歷經(jīng)百余年,至今仍然被廣泛使用著。實踐證明,該公式誕生以來,在指導(dǎo)人類開發(fā)地下水資源方面起到了舉足輕重的作用,促進(jìn)了社會進(jìn)步并獲得了經(jīng)濟(jì)效益。但是長期以來在使該公式時,由于種種原因,常常忽視了該公式的適用范圍和條件,因而造成系列誤差,影響了滲透系數(shù)和引用補(bǔ)給半徑的計算成果。 一裘布依公式1,承壓水完整孔 r R MS Q K ln 2=(2-12,潛水完整孔 r R h H Q K ln 22-=( (2-2式中 K 含水層滲透系數(shù)(m/d ;Q 鉆孔出水量 (m 3

17、/d;S水位降深(m;M承壓含水層厚度(m;H天然情況下潛水含水層厚度(m;h潛水含水層在抽水試驗時的孔內(nèi)剩余厚度(m;R含水層半徑,即應(yīng)用補(bǔ)給半徑(m;r過濾管半徑(m。二、裘布依公式的假設(shè)條件抽水孔內(nèi)水頭上、下一致,即地下水沿過濾管進(jìn)入孔內(nèi)時是均勻的(二維流;(1在半徑為R的圓柱體外保持常水頭;(2抽水前地下水是靜止的,即天然水力坡度為零;(3承壓水的頂、底板是水平的隔水層;潛水的底版是水平的隔水層,抽水時孔邊水力坡度不大于1/4;(4含水層是均質(zhì)水平的。三、裘布依公式的基本假定與實踐的關(guān)系當(dāng)抽水孔的出水量達(dá)到一定的數(shù)量(一般為大降深時,孔壁周圍含水層將產(chǎn)生如下問題:(一 孔壁邊界條件1、

18、孔壁及其周圍含水層中產(chǎn)生三維流由于過濾管壁的摩阻,地下水沿過濾管運(yùn)動必然產(chǎn)生水頭損失,因而沿過濾管的水頭為深度Z的函數(shù),這種邊界變化影響到含水層內(nèi)部,使孔周圍的地下水由二維平面流變?yōu)榫哂衂方向分速的三維流,致使在同一半徑r處不同深度Z的水頭不等。事實上在三維流區(qū)即b1.6倍含水層厚度的范圍(b為距抽水孔的距離,裘布依公式就不適用。2、孔周圍產(chǎn)生紊流在含水層中進(jìn)行抽水時,水力坡度增大到一定數(shù)值時,流速和水力坡度不再保持線性關(guān)系(簡稱層流,此時達(dá)西定律不再有效,從而使在該基礎(chǔ)上推導(dǎo)的所有公式包括裘布依公式也就失效;在粗顆粒地層,流速和水力坡度一開始抽水就呈非線性關(guān)系而符合拋物線或指數(shù)關(guān)系(簡稱紊流

19、。因而裘布依公式也不宜應(yīng)用。3、潛水中裘布依假定的失效在潛水中目前通用的公式均在流線傾角的正弦用正切代替的基礎(chǔ)上推導(dǎo)的,當(dāng)潛水的水力坡度大于1/4時,該假定就失效,此時滲流場內(nèi)的勢分布與裘布依公式描述的完全不同。(二、含水層的“影響半徑”裘布依公式的影響半徑實質(zhì)上是含水層的補(bǔ)給半徑,在此邊界上始終保持常水頭。如我國陳雨孫先生在<<單井水力學(xué)>>一書中介紹裘布依公式中R的含義時指出的:1、R不是實際地下水面下降的邊界,不是降落漏斗,在抽水時水面下降可以波及到整個含水層一直到補(bǔ)給邊界;2、與出水量Q和水位降深S無關(guān),即Q、S或大或小,R值都是固定的;3、R與含水層的滲透性(

20、滲透系數(shù)k的大小無關(guān);4、R與孔徑(r大小無關(guān),但出水量與孔徑密切相關(guān),孔徑愈大愈接近裘布依公式;5、R時含水層補(bǔ)給條件的參數(shù),R愈小,補(bǔ)給條件愈好,反之R愈大,補(bǔ)給條件愈差;6、R的大小受下列三個條件控制:(1含水層形狀;(2鉆孔在含水層中的位置;(3補(bǔ)給源的類型和補(bǔ)給的強(qiáng)弱。7、為區(qū)別傳統(tǒng)“影響半徑R”的概念,本文用“引用補(bǔ)給半徑R”來表示裘布依公式中的R值;8、假設(shè)的“引用補(bǔ)給半徑R”是圓形的,但在自然界中的含水層中,進(jìn)行抽水實驗時,實際形成的降落漏斗很少有圓形的。(三頂、底板的隔水層裘布依公式假定潛水含水層的底板和承壓含水層的頂,底板都是絕對隔水的,然而實際隔水層如粘性土卻并非絕對隔水

21、,在抽水試驗或水源地開采時,?？捎^測到表層粘性土中潛水位下降甚至疏干,這表明上覆“隔水層”的潛水已向下臥含水層進(jìn)行補(bǔ)給。在具有越流滲流補(bǔ)給時,通過不同半徑圓柱面的流量不等。因此,當(dāng)有垂直補(bǔ)給時,只有在b0.178R時,裘布依公式才能適用。第二節(jié)以往滲透系數(shù)和影響半徑的計算方法及其存在的問題一影響半徑R值的確定從公式(2-1和(2-2可看出,裘布依公式中有R和K兩個未知數(shù),應(yīng)首先求出引用補(bǔ)給半徑R值,方能求出滲透系數(shù)k值。裘布依公式假定含水層是一個半徑為R的圓柱體,在該圓柱體的外周解保持一個常水頭H,構(gòu)成含水層一個邊界條件,除此之外,再無其它補(bǔ)給來源。(一群孔抽水試驗當(dāng)單孔在含水層中抽水,出水量

22、和水位降深均達(dá)到穩(wěn)定時,說明含水層的補(bǔ)給能力滿足單孔抽水的需要,因而也就必然存在著一個具體的數(shù)“R”來反映含水層對鉆孔的補(bǔ)給能力。但是,單孔抽水試驗時,不能從含水層動水位的測量中直接得出。因此,以往采用設(shè)置觀測孔的方法求算影響半徑R值。根據(jù)有關(guān)規(guī)范,觀測孔的設(shè)置應(yīng)符合如下要求:(1以抽水孔為原點,布置12條觀測線;(1每一條觀測線上的觀測孔一般為3個;(2距抽水孔進(jìn)的第一觀測孔,應(yīng)避開三維流的影響;(3 各觀測孔的過濾器長度宜相等,并安置在同一含水層和同一深度上;(4 抽水試驗前和抽水試驗過程中,必須同步測量抽水孔和觀測孔的靜止水位和動水位。從上述規(guī)定可看出設(shè)置觀測孔的條件是比較嚴(yán)格的,尤其是

23、觀測孔距抽水孔的距離,應(yīng)考慮避開三維流的影響。抽水后實際下降漏斗,在距抽水孔很近的范圍內(nèi)(即b 0.178R 屬對數(shù)關(guān)系,當(dāng)觀測孔聚居抽水孔的b 0.178R 后就變?yōu)樨惾麪柡瘮?shù)關(guān)系,貝塞爾函數(shù)的斜率較對數(shù)函數(shù)為少,因此當(dāng)觀測孔越遠(yuǎn)時,計算的K值越大。如前所述,三維流區(qū)在b1.6倍含水層厚度范圍內(nèi)。當(dāng)含水層的厚度、補(bǔ)給能力、滲透性、過濾官場度、半徑和出水量等各種因素配合得當(dāng),或采用小降深抽水,在滲流場中可以找到部首孔比邊界條件也不隨含水層補(bǔ)給條件影響的一個區(qū)域,即在1.6Mb0.178R范圍內(nèi),進(jìn)行群孔抽水試驗,可以獲得符合裘布依假定條件的引用補(bǔ)給半徑R值。進(jìn)行群孔抽水試驗,勘測成本高、周期長

24、、難度大。當(dāng)觀測孔的設(shè)置不符和上述規(guī)定隨意布置時,獲得的值仍然是降落漏斗半徑,而不是應(yīng)用補(bǔ)給半徑。(二單孔抽水試驗鐵路供水,一般用水量較小,在水文地質(zhì)勘察中往往采用單孔抽水試驗,而不設(shè)置觀測孔。一般采用如下經(jīng)驗式計算影響半徑: R=2S HK (2-3 R=10S K (2-4從公式(2-3和(2-44中看出,影響半徑R是依水位降滲S變化的,這與裘布依假定的條件是相矛盾的。也與上述陳雨孫先生對R的論述發(fā)生了矛盾。二 滲透系數(shù)K 值計算滲透系數(shù)計算的方法和公式很多,主要分為利用水位下降資料或利用水位恢復(fù)資料計算。利用水位下降資料計算又分為穩(wěn)定流抽水試驗和非穩(wěn)定流抽水試驗;進(jìn)一步分為承壓水和潛水、

25、單孔和群孔、完整孔和非完整孔、有界和無界等等。(一 利用群孔抽水試驗資料計算K 值1 穩(wěn)定流抽水試驗計算K 值承壓水完整孔:有一個觀測孔時(lg (lg 366.011S S M Q K w rw r -=(2-5 有兩個觀測孔時 (lg lg 366.02112S S M Q K r r -=( (2-6潛水完整孔:有一個觀測孔時,(2(lg lg 73.0111S S S S H Q K w w rw r -=( (2-7 有兩個觀測孔時(2(lg (lg 73.02112S S S S H Q K w rw r -= (2-8 式中 w S 抽水孔水位降深(m ;1S 、2S 1、2號觀

26、測孔的水位降深(m ; w r 抽水孔的半徑(m ; r1、r21、2號觀測孔距抽水孔的距離(m ;其他符號同上。2 利用非穩(wěn)定流抽水實驗資料計算K 值完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗,有降深時間(S lgt 量板法、降深距離(S lgr2量板法、直線解析法、水位恢復(fù)法和直線斜率法等計算滲透系數(shù) 的方法。上述方法均采用觀測孔的水位降深和水位恢復(fù)資料計算。群孔抽水試驗的觀測孔,應(yīng)嚴(yán)格按前述的有關(guān)規(guī)定布置。不難看出,無論穩(wěn)定穩(wěn)定流抽水試驗還是非穩(wěn)定流抽水試驗,該方法勘測成本高、周期長、采用觀測孔的水位資料進(jìn)行計算,尤其是穩(wěn)定流抽水試驗,應(yīng)以觀測孔的水位達(dá)到要求的穩(wěn)定延續(xù)時間,抽水才能結(jié)束,這就延長了抽水歷時

27、時間,有時抽水需幾天甚至更長。(二利用單孔抽水試驗資料計算滲透系數(shù)鐵路一般的給水站和生活供水站用水量較小,多采用單孔抽水試驗資料計算K 值,當(dāng)完整井時常常采用公式(2-1、(2-2與公式(2-3或(2-4聯(lián)立求解。用經(jīng)驗公式計算的R 值代入裘布依公式,其結(jié)果有一個R 值,就有一個對應(yīng)的K 值,這與裘布依公式中把R 視為常數(shù)的假定條件發(fā)生了矛盾,即使考慮了三維流和紊流的影響,仍然會在不同出水量時得出不同K 值的不合理結(jié)果。這是以往計算滲透系數(shù)時往往被忽視的一個問題。對于單孔抽水試驗,在水位相同的情況下,由于鉆孔結(jié)構(gòu)不同所計算的滲透系數(shù)K 值也不同,如無過濾管K 值也不同,填礫過濾器比不填礫的K

28、值大等等。第三章 單孔抽水計算滲透系數(shù)新方法研究利用群孔抽水試驗方法計算含水層滲透系數(shù)K 和引用補(bǔ)給半徑R,雖然能符合裘布依公式的假定條件,但勘測周期長、成本高,很難適應(yīng)當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)形勢的需要。而結(jié)合鐵路一般供水工程用水量小,多采用小孔徑鉆探、單孔抽水試驗的方法,因而迫切需要解決水文地質(zhì)參數(shù)計算中的這一矛盾,研究可操作性強(qiáng)、精度符合要求的新方法。第一節(jié) “單位出水量法”的研究一 國內(nèi)外發(fā)表的計算滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式在收集的大量國內(nèi)外既有計算方法和研究成果中,有針對性地選擇幾個計算滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式進(jìn)行研究,國內(nèi)外發(fā)表的經(jīng)驗公式如下:(一”單位出水量法”,原蘇聯(lián)捷年鮑姆和格林鮑姆的經(jīng)驗公式潛水含水

29、層:H q K 3.1=(3-1承壓水含水層: Mq K 3.1= (3-2 式中 K 含水層滲透系數(shù)(m/d; q 水位降深S=1m 時的單位出水量(m 2/d ;H 潛水含水層厚度(m ;M 承壓含水層厚度(m 。(二水文地質(zhì)工程地質(zhì)1973年第4期鄧厚基單孔抽水試驗確定滲透系數(shù)的新方法一文,經(jīng)驗公式承壓水或承壓潛水100*M q K =(3-3 潛水100*Hq K = (3-4 式中 q 單位出水量 (L/s·m ;其他符號同上。(三1977年前蘇聯(lián)<<取水井設(shè)計和鉆探簡明手冊>>中的經(jīng)驗式mq K 130= (3-5 式中m 含水層厚度(m ;其他(

30、四 1973年日本地下水資源學(xué)中的經(jīng)驗式穩(wěn)定流抽水試驗: K=100*H q (3-6 式中符號含義同上。非穩(wěn)定流抽水試驗 K=m q 22.1 (3-7式中q 單位出水量(·/3m d m其它符號同上。二.本課題采用的“單位出水量(q 法”以搜集的原始資料作為研究、分析、計算的基礎(chǔ),用求算的K 、R 值預(yù)測供水工程得出水量,并與實際取水工程的出水量相比較,進(jìn)行誤差分析和修正后,推出了用“單位出水量法”計算滲透系數(shù)K 值的新方法。捷年鮑姆和格林鮑姆用20個抽水試驗孔的資料進(jìn)行了驗證,其中含水層的水力性質(zhì)有潛水含水層8個和承壓含水層12個;由單孔抽水試驗合群孔抽水試驗;有17個孔進(jìn)行了

31、3次水位降深,3個孔2次水位降深。揭露的含水層厚度為11.030.8m 。在研究中我們對20個鉆孔驗證資料進(jìn)行了統(tǒng)計,比較表明用“單位處水量法”計算的滲透系數(shù)K 值,同用單孔和群孔抽水試驗計算的K 值誤差最小者為0.00%,最大者為±15.45%,平均誤差為±7.07%。在這些誤差中,超過10%的有6孔,經(jīng)分析認(rèn)為這可能適用巖芯鑒定方法確定的含水層厚度有偏差所致。因此,可認(rèn)為用“單位出水量法”計算的K 值誤差較小。第二節(jié) 消除井損的方法一 消除井損的必要性裘布依公式中的S ,它代表流量Q 經(jīng)過含水層輸送到過濾管外壁的水頭損失,而鉆孔抽水試驗中測定的水位降深S 往往是在過濾管

32、內(nèi)進(jìn)行的,由于過濾管壁的摩阻,地下水沿流程運(yùn)動必然產(chǎn)生水頭損失(包括“水躍值” H 。地下水脫離含水層進(jìn)入過濾管開始,直到離開過濾管進(jìn)入抽水管為止的這段流程內(nèi)產(chǎn)生的全部水頭損失,由幾部分組成:(1 水流的摩阻損失,它包括水流通過過濾管纏絲或包網(wǎng)間隙的水頭損失和水流通過管壁圓孔的水頭損失。同時,還應(yīng)考慮纏絲或包網(wǎng)孔眼堵塞的影響。(2 水流的增量加速度運(yùn)動引起的水頭損失。(3 水流進(jìn)入過濾管后流向偏轉(zhuǎn)引起的水頭損失以及在過濾管內(nèi)水質(zhì)點碰撞的動量水頭損失。當(dāng)采用填礫過濾器時,水頭損失還應(yīng)包括含水層和濾層間接觸界面的水頭損失;濾層和過濾管間接觸界面的水頭損失;濾層的水頭損失。為此,鉆孔抽水試驗測定的水

33、位降深,在計算水文地質(zhì)參數(shù)時必須進(jìn)行水頭損失亦即井損修正,才符合裘布依公式的基本假定,否則計算的K 值則偏小。二 消除井損的方法按國家標(biāo)準(zhǔn)供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范GBJ2788第7.2.1條規(guī)定有Q S 多項式法和作圖截距法。(一 Q S 多項式法當(dāng)Q S (或2h 關(guān)系曲線呈曲線時,可采用插值法得出Q S 代數(shù)多項式,即+=221Q a Q a s ······n n Q a + (3-8式中 a 1、a 2······a n 待定系數(shù)。公式(3-8中的一次項系數(shù)a 1、可表達(dá)

34、為:a 1=rR KM lg 21 (3-9 a 1宜按均差表求得后,以1/ a 1代換裘布依公式(2-1中的Q/S 和公式(2-2中的Q/(22h H -,分別計算滲透系數(shù)K 值。Q S 多項式的階數(shù),一般只要34階,即能準(zhǔn)確地描述Q S 資料的函數(shù)關(guān)系。在作均差表時,要求抽水段落在Q S 曲線上均勻分布,否則需要在Q S 曲線上取等距離作均差表。(二作圖截距法當(dāng)S/Q (或H 2/Q Q 關(guān)系曲線呈直線時,可采用作圖截距法求出a 1后,以1/ a 1代換裘布依公式(2-1中的Q/S 和公式(2-2中的Q/(22h H -,分別計算滲透系數(shù)K 值。作圖截距法,其使用條件是很嚴(yán)格的,既要求Q

35、、S 值宜小,且需分度,抽水試驗 資料關(guān)系曲線應(yīng)為拋物線型,即S/Q Q 或H 2/Q Q 呈曲線,則該資料包括Q的高次方項,且曲線的“截距”存在隨意性。另外,當(dāng)鉆孔施工過程中采用泥漿鉆進(jìn),孔壁上的泥皮沖洗不凈時,則對鉆孔出水量有一定影響。作圖截距法不能消除泥漿的影響。(三其他方法國內(nèi)許多學(xué)者對消除井損提出了不同的方法,其中有拋物線方程法。陳雨孫在單井水力學(xué)一書中指出,濾水管內(nèi)的流量(或水力坡度與濾水管深度Z 的三次方成函數(shù)關(guān)系,導(dǎo)出濾水管內(nèi)水位降深與流量的關(guān)系式。該關(guān)系式表明,抽水井的降深S,是流量Q的一,二,三,四次方的函數(shù)。對于特定抽水井濾水管位置固定,Z變?yōu)榇_定值,關(guān)系式可寫成:S=A

36、Q+BQ2+CQ3+DQ4(3-10式中A、B、C、D-待定系數(shù);其它符號相同。由于S與井半徑 rw 及抽水流量Q有關(guān),當(dāng)rw不很小或Q不很大的情況下,公式(3-10的后兩項可以忽略,即變?yōu)槌Ｒ姷膾佄锞€方程。三消除井損失計算滲透系數(shù)方法存在的問題Q-S多項式法和做圖截距法國家標(biāo)準(zhǔn)供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范GBJ27-88中規(guī)定的消除井損的方法,在適用的條件下是可行的。但是,結(jié)合本課題經(jīng)深入研究,認(rèn)為存在兩個問題。1以1/ a1代換裘布依公式(2-1中的Q/S和公式(2-2中的Q/(22hH 。這樣,該方法中仍然出現(xiàn)K和R兩個未知數(shù),仍然需要先知其一,然后才能求解該式。2鉆孔抽水試驗可以用上述方法消除

37、井損,生產(chǎn)井出水量和水位降深也要求采用同一方法消除井損,才能進(jìn)行驗證、對比和誤差分析。但是,根據(jù)規(guī)范要求,生產(chǎn)井竣工抽水試驗一般只做一次水位降深,無法消除井損。四本課題采用消除井損方法經(jīng)反復(fù)分析研究,本課題選用拋物線方程法計算s=1m時的單位出水量方法來消除井損。第三節(jié)單位出水量q 確定方法的研究日本和我國的學(xué)者也提出了捷年鮑姆和格林鮑姆相近的經(jīng)驗公式,但經(jīng)分析研究和驗證,計算的誤差均較大,原因是單位出水量q的取值問題,常采用下式計算:q=Q/S (3-11利用抽水試驗資料和(3-11式計算,有幾次水位降深,就有相應(yīng)的幾個q值,同樣可以得出幾個滲透系數(shù)K值,并且q與S成反比,S愈大,q值愈小,

38、這與裘布依公式中K是常量的基本假定相矛盾。本課題采用S=1m時的單位出水量q計算滲透系數(shù)K。裘布依公式基本假定(2 -3,抽水前地下水是靜止的,即天然水力坡度為零。在潛水中目前通用的公式均在流線傾角的正弦用正切代替的基礎(chǔ)上推導(dǎo)的,當(dāng)潛水的水力坡度大于1/4時,該假定就失效。潛水水力坡度用dy/dx代替dy/dI,即tan a=sin a(a為抽水穩(wěn)定時降落曲線與水平線的夾角。這種假定(簡化雖然方便了潛水公式的推導(dǎo),但卻限制了裘布依公式的使用范圍。表3-1 三角函數(shù) 從表3-1可知,只有夾角為6時,tan a=sin a,誤差可視為零,如果允許有3.5%的誤差,最大夾角也只能達(dá)到15。國內(nèi)外學(xué)者

39、們認(rèn)為,當(dāng)抽水孔內(nèi)水位降深S=1m 時,其夾角a 值大部分不超過15。孔內(nèi)水位降深S=1m時,過濾管內(nèi)外的水位降深可看作是一致的,可忽視“水躍”值H、三維流及紊流等的井損。因此,取S=1 m 時的出水量Q即單位出水量q,計算的滲流系數(shù)K和影響半徑R值接近裘布依公式的基本假定。單位抽水試驗,當(dāng)進(jìn)行2次以上水位降深時,QS關(guān)系均可以用拋物線方程表達(dá)。其基本原理是:在沒有井管紊流損失的條件下,承壓井的出水量曲線Q=f(S應(yīng)為一個通過直角坐標(biāo)原點的直線,其方程式為:S=aQ (3-12在有井管紊流損失存在的條件下,必須有附加降深才能相應(yīng)的紊流損失相抵消,獲得應(yīng)有的水量,即S=a Q+b Q2 (3-1

40、3式中 a層流阻力系數(shù);b紊流阻力系數(shù).根據(jù)解析幾何的原理,(3-13式為一通過原點的拋物線.拋物線方程,抽水時孔內(nèi)的水位降深S有兩部分組成.一是aQ項,它代表水量Q 經(jīng)過含水層以層流狀態(tài)輸送到過濾管的水頭損失,符合達(dá)西線性定律的水頭損失;另一項bQ2項,它代表因抽水時在孔內(nèi)和孔壁周圍產(chǎn)生的三維流和紊流而引起的水頭損失。本法利用拋物線方程式和最小二乘法原理使抽水試驗中的QS曲線與經(jīng)過坐標(biāo)原點(0,0、Q1,S1、Q2,S2的拋物線擬合的最好,應(yīng)用相關(guān)分析方法檢查其誤差,以相關(guān)系數(shù)r判定相關(guān)程度,當(dāng)誤差超過標(biāo)準(zhǔn)時,進(jìn)行一次或兩次修正,則可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)拋物線的要求。當(dāng)抽水試驗只作一次水位降深且S大于1

41、m時,可采用基姆公式計算S=1m時的單位出水量q。1940年原蘇聯(lián)水文地質(zhì)學(xué)家阿·齊姆,根據(jù)格雷津塔爾地區(qū)潛水井抽水資料,利用裘布依潛水公式提出了預(yù)測鉆孔可能最大出水量公式,一般稱齊姆公式。公式如下:(S max -S 2=(max max max 2Q Q Q S (3-14 式中 S max 抽水試驗中最大水位降深(m ;S 設(shè)計的水位降深(m ;Q max 與S max 對應(yīng)的最大出水量(m3/d ;Q 對應(yīng)于S 的出水量(m3/d 。該式可根據(jù)3個已知數(shù)求算第4個未知數(shù),用于潛水完整孔或非完整孔。當(dāng)S<1m 時,可直接求算 q 值,即Q/S=q 。用單位出水量法計算滲透

42、系數(shù)K 后,代入裘布依公式(2-1或(2-2,即可得出R 值,即為裘布依公式假定的引用補(bǔ)給半徑R 。第四節(jié) 用單位出水量法計算滲透系K 和引用補(bǔ)給半徑R一 用單位出水量法計算滲透系數(shù)K 和引用補(bǔ)給半徑R 的步驟1 利用鉆孔抽水試驗資料,用相關(guān)分析法求出QS 標(biāo)準(zhǔn)拋物線方程式,并求出S=1m 時的單位出水量q 值。2 根據(jù)鉆孔揭露的含水層厚度H 或M ,將q 值代入公式(3-3或(3-4,可求出滲透系數(shù)K 值。3 將求得的K 值代入裘布依公式(2-1或(2-2,可得到引用補(bǔ)給半徑R 值。二 用單位出水量法計算滲透系數(shù)K 和引用補(bǔ)給半徑R 的方法FF1方法:利用鉆孔抽水試驗資料并增加一個坐標(biāo)原點(

43、0,0樣本,建立拋物線方程,當(dāng)相關(guān)系數(shù)r 不合格時,需對S 進(jìn)行修正,以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求為準(zhǔn)。FF2方法:利用鉆孔抽水試驗資料不通過原點建立拋物線方程,對S 不進(jìn)行修正。FF3方法:采用(2-1與(2-3或(2-2與(2-4式聯(lián)立求解的傳統(tǒng)方法求算各次降深的K 、R ,并取其平均值。第四章 單位出水量法工程實例驗證第一節(jié) 包蘭線臨河車站水文地質(zhì)勘探工程實例臨河車站位于黃河左岸沖積平原上,距黃河79km ,含水層為粉細(xì)沙(上部為Q 4、下部為Q 3,定測階段進(jìn)行了勘探工作。一 勘探鉆孔斷面示意圖: 勘探鉆孔抽水試驗資料:表4-1 勘探鉆孔抽水試驗資料表 注:孔狀過濾器骨架管直徑0.127m 注:(1

44、H1和H2,指勘探孔選用的含水層厚度,H1為以鉆鉆孔深度計算的含水層厚度,H2以過濾管底端或抽水后有效孔深(當(dāng)小于過濾管底端深度時計算的含水層厚度,各勘探孔平均后的含水層厚度,H1=59.103m,H2=45.51m.(2本表中LDS-1、LDS-2、LDS-3LDS-5和LDS-7的K、R值,計算中使用了S=aQ +bQ2式。LDS-4和LDS-6的KR值計算中使用了基姆公式。第二節(jié)預(yù)測方法及實例一預(yù)測生產(chǎn)喲凝固管井出水量使用的公式,管井結(jié)構(gòu)和竣工抽水試驗資(一公式:/ ln(22 (r R hHKQ -=式中 Q管井出水量(m3/d;K含水層滲透系數(shù)(m/d;H含水層厚度(m;h抽水時含水層剩余厚度(m;R引用補(bǔ)給半徑(m;r過濾器骨架管半徑(m。(二生產(chǎn)用管井的結(jié)構(gòu)斷面圖如下所示:(三生產(chǎn)井竣工抽水試驗成果: 圖4-2 FF1、FF2、FF3的預(yù)測Q和實際Q對比表1、2FF1預(yù)測的Q值;3、4FF2方法預(yù)測的Q