第四章水文地質試驗

1、第四章 水文地質試驗 水文地質試驗分：野外試驗和室內試驗。 野外試驗有：抽水試驗、注水試驗、滲水試驗、流速和流向的測定、連通試驗、示蹤試驗、彌散試驗等。 水文地質試驗是獲取含水層參數(shù)的主要手段。第一節(jié) 抽水試驗的目的任務 （1）直接測定含水層的富水程度和評價井（孔）的出水能力； （2）抽水試驗是確定含水層水文地質參數(shù)（K、T、*、K/m、a）的主要方法； （3）抽水試驗可為取水工程設計提供所需水文地質數(shù)據(jù)，如：單井出水量、單位出水量、井間干擾系數(shù)等；并可根據(jù)水位降深和涌水量選擇水泵型號； （4）通過抽水試驗，可直接評價水源地的可（允許）開采量； （5）研究水力聯(lián)系（地表水與地下水之間、含水層之

2、間的水力聯(lián)系，邊界性質、位置，以及地下水補給通道和強徑流帶位置）。 （6）進行開采模數(shù)和疏干模擬。第二節(jié) 抽水試驗的分類 1. 按所依據(jù)的井流理論，可分為穩(wěn)定流抽水試驗和非穩(wěn)定流抽水試驗。 穩(wěn)定流抽水試驗，要求流量和水位降深都是相對穩(wěn)定的。 可以查明的問題： （1）確定含水層的水文地質參數(shù)（K、T）； （2）確定單井的涌水量和單位涌水量； （3）研究含水層之間及含水層與地表水之間的水力聯(lián)系； （4）研究含水層（或含水體）邊界位置及性質； （5）確定水井的Q-S曲線類型。 非穩(wěn)定流抽水試驗，要求流量和水位其中一個穩(wěn)定。 可以查明的問題： （1）確定含水層和越流層的水文地質參數(shù)； （2）確定單井的

3、涌水量和單位涌水量； （3）研究含水層之間及含水層與地表水之間的水力聯(lián)系； （4）研究含水層（或含水體）邊界位置及性質； （5）群孔非穩(wěn)定流抽水，可研究地下水補給通道和強徑流帶位置； （6）群孔非穩(wěn)定流抽水，可進行開采或疏干模擬。 2. 按抽水試驗時所用井孔多少，可分為單孔、群孔和開采性抽水試驗。 單孔抽水試驗，只在一個抽水孔中進行的不帶或帶觀測孔的抽水試驗。 可以查明的問題： （1）確定含水層和越流層的水文地質參數(shù)； （2）確定單井的涌水量和單位涌水量； （3）研究含水層之間及含水層與地表水之間的水力聯(lián)系； （4）研究含水層（或含水體）邊界位置及性質。 群孔抽水試驗，兩個或兩個以上的抽水孔同

4、時抽水，各孔的水位和水量有明顯相互影響的抽水試驗。 可以查明的問題： （1） 研究含水層之間及含水層與地表水之間的水力聯(lián)系； （2）研究含水層（或含水體）邊界位置及性質； （3）研究地下水補給通道和強徑流帶位置； （4）求取水工程的干擾出水量； （5）求井間干擾系數(shù)和合理井距。 開采性抽水試驗，按開采條件或接近開采條件要求進行的抽水試驗。 可以查明的問題： （1） 研究含水層之間及含水層與地表水之間的水力聯(lián)系； （2）研究含水層（或含水體）邊界位置及性質； （3）研究地下水補給通道和強徑流帶位置； （4）進行開采模數(shù)和疏干模擬。 （5）求水源地允許開采量； （6）暴露和查明水文地質條件； （7

5、）建立地下水流模擬模型。 3. 按試驗段所包含的含水層情況，可分為分層、混合抽水試驗。 分層抽水試驗，在單個含水層中進行抽水的試驗，求單個含水層的水文地質參數(shù)。 混合抽水試驗，在多個含水層中進行抽水的試驗，求多個含水層綜合的水文地質參數(shù)。第三節(jié) 抽水孔和觀測孔的布置要求一、抽水孔的布置要求 抽水孔的布置應根據(jù)勘察階段、抽水試驗的任務和目的、水文地質條件和地下水資源評價方法等因素確定。 1. 考慮勘察階段的要求 詳查階段，在可能富水的地段均宜布置抽水孔。 勘探階段，在含水層（帶）富水性較好和擬建取水構筑物的地段均宜布置抽水孔。 抽水孔占勘探孔（不包括觀測孔）總數(shù)的百分比（%）宜不少下表的規(guī)定。

6、2. 考慮抽水試驗的任務和目的的要求 （1）為求取水文地質參數(shù)，抽水孔應遠離含水層的邊界，應布置在含水層的導水系數(shù)及貯水性質、補給條件、厚度和巖性條件等有代表性的地方。 （2）對于探采結合的抽水井，要求布置在富水性較好或計劃布置生產井的位置上。 （3）為了查明邊界性質、邊界補給量，抽水孔應布置在靠近邊界的地方。 3. 考慮水文地質條件的要求 一般在水文地質條件較好的地段布置的密一些。 4. 考慮地下水資源評價方法的要求 均衡法，主要是確定各個邊界流入均衡域的水量及參數(shù)，抽水孔布置在邊界附近。 數(shù)值法，除確定邊界參數(shù)外，還要求確定模型參數(shù)，既要在邊界上布置，也要在內部區(qū)域上布置，同時要關注到群抽

7、的主抽水區(qū)。 5. 其它方面的考慮 （1）抽水井離現(xiàn)有水井近一些，以便利用現(xiàn)有井做觀測孔。 （2）抽水井附近不應有其它開采井和排灌工程。 （3）抽水井附近要有較好的排水條件。二、水位觀測孔的布置要求 （一）布置抽水試驗水位觀測孔的意義 1. 利用觀測孔的水位觀測數(shù)據(jù)，可以提高井流公式所計算出的水文地質參數(shù)的精度。 （1）觀測孔中的水位不受抽水孔水躍值和抽水孔附近三維流的影響； （2）觀測孔水位波動小，精度較高； （3）有觀測孔時，求參精度高，可避開未知R的影響。 2. 利用觀測孔的水位，可用多種方法求參數(shù)。如穩(wěn)定流，非穩(wěn)定流（配線法、直線圖解法）。 3. 利用多個觀測孔水位，可繪制出抽水的人工

8、流場圖，判斷邊界位置和性質，徑流帶等水文地質條件。（二）水位觀測孔的布置原則 1. 求水文地質參數(shù)的觀測孔布置 （1） 均質各向同性、水力坡度較小的含水層，其抽水降落漏斗的平面形狀大體為圓形，因此在與地下水流向的垂直方向上布置一條觀測線即可。 （2）均質各向同性、水力坡度較大的含水層，抽水一般形成橢圓形降落漏斗，因此除垂直地下水流向布置一條觀測線外，還應在上、下游平行地下水流向各布置一條觀測線。 （3）均質各向異性含水層，應沿兩個主滲透方向布置觀測線。每條觀測線上觀測孔個數(shù)取決于試驗目的和所采用的計算公式。 （4）觀測孔數(shù)目的要求，若只為求參數(shù)，布1個觀測孔即可；為提高參數(shù)的精度則需2個以上；

9、如欲繪制降落漏斗形狀，則每條觀測線上需布23個觀測孔。 （5）觀測孔距主孔的距離 接近主孔，觀測孔間距應小，遠離主孔，觀測孔距離應大。 第一觀測孔距主孔的距離一般應約等于含水層的厚度，至少應大于10m。 最遠的觀測孔，要求觀測到的水位降深應大于20cm。 相鄰觀測孔距離，亦應保留兩孔的水位差必須大于20cm。 2.當抽水試驗的目的是查明含水層的邊界性質時，觀測線應垂直邊界布置，在邊界兩側都要布置觀測孔。 3.為地下水流數(shù)值模擬而進行的大型抽水試驗，應將觀測孔比較均勻地布置在評價區(qū)域內，以便能控制整個流場的變化及邊界上的水位和流量。 4.為查明垂向含水層之間的水力聯(lián)系時，在同一觀測線上布置分層的

10、水位觀測孔。 5.觀測孔的深度，一般要求揭穿試驗層，至少深入含水層1020m。第四節(jié) 抽水試驗的技術要求一、穩(wěn)定流單孔抽水試驗的主要技術要求 （一）對水位降深的要求 1.降深的次序 穩(wěn)定流抽水試驗一般要求進行三次不同水位降深（落程）的抽水。 對松散含水層，為有助于在抽水孔周圍形成天然反濾層，抽水水位降深次序可由小到大(即正向抽水)。 對于裂隙和巖溶含水層，為了有利于裂隙和溶隙中的細粒物質吸出，增加裂隙的導水性，抽水水位降深次序應由大到小(反向抽水)。 對于透水性較差的含水層或非開采含水層可只做一次最大降深的抽水試驗。 2. 水位降深的要求 潛水含水層，可以抽到底。 承壓含水層， Smax小于或

11、等于承壓含水層頂板以上的高度。 其余兩次降深值分別為1/3最大降深和2/3最大降深。 當抽水設備達不到上述要求時，相鄰兩次水位降深的水頭差值也不應小于1m。 （二）抽水試驗流量的設計 1.求水文地質參數(shù)的抽水試驗對流量不做要求。 2.進行三次不同水位降深的抽水，其最大出水量，可根據(jù)同一含水層中已有水井的出水量推測，或根據(jù)含水層的經(jīng)驗滲透系數(shù)值和設計水位降深估算。 3.作為生產井使用的抽水試驗鉆孔，抽水量最好能和需水量一致。 （三）對穩(wěn)定延續(xù)時間的要求 抽水試驗的穩(wěn)定延續(xù)時間，宜符合下列要求： （1）卵石、圓礫和粗砂含水層為8h。 （2）中砂、細砂和粉砂含水層為16h。 （3）基巖含水層（帶）為

12、24h。 當有觀測孔時，最遠觀測孔水位穩(wěn)定延續(xù)時間應不少于24h。 根據(jù)含水層的類型，補給條件、水質變化和試驗目的等因素，穩(wěn)定延續(xù)時間可適當調整。 （四）水位和流量觀測時間的總要求 1. 抽水孔的流量觀測和各觀測孔的水位觀測，應同時、同步進行。 2. 觀測時間間隔，應先密后疏。宜在抽水開始后的第5、10、15、20、25、30min各測一次，以后每隔30min或60min測一次。二、非穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求 （一）對抽水量選擇的要求 1. 求水文地質參數(shù)的抽水試驗，考慮抽水結束時，抽水井的水位降深不超過所用水泵的吸程。 2. 探采結合的抽水，可考慮設計需水量或按設計需水量的1/31/2。

13、 3. 可參考勘探井洗井時的水位降深和出水量來確定抽水量。 （二）對抽水流量和水位的觀測要求 流量和水位的觀測應同時進行，觀測的時間，宜在抽水開始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各測一次，以后可每隔30min觀測一次。 抽水停抽后，應進行恢復水位的觀測，一直進行到恢復水位變幅接近天然水位變幅為止。 （三）抽水試驗延續(xù)時間的要求 1. 求水文地質參數(shù) 抽水試驗的延續(xù)時間一般是24小時。 有時也要考慮求參方法的要求： 如配線法只用抽水的前期資料，抽水時間可短。 直線圖解法求取參數(shù)，只要求slgt曲線的直線段（即參數(shù)計算取值段）能

14、延續(xù)兩個以分鐘為單位的對數(shù)周期即可，故總的抽水延續(xù)時間一般為3個對數(shù)周期，即1000min。 拐點發(fā)求越流系數(shù)時，抽水至少應延續(xù)到能可靠判定拐點為止。 2.確定井的涌水量 抽水時間應長一些，以反應出邊界的性質為止。 如為定水頭補給邊界，抽水應延續(xù)到水位進入穩(wěn)定狀態(tài)后一段時間； 如為隔水邊界，應使斜率出現(xiàn)明顯增大段； 當為無限邊界，曲線應在抽水期內出現(xiàn)勻速下降后即可停止抽水試驗。 三、大型群孔干擾抽水試驗的主要技術要求 1.對抽水量的要求 大型群孔干擾抽水試驗的抽水量，應盡可能接近水源地的設計開采量。當設計開采量很大(如5104 m3以上)或抽水設備能力有限時，抽水量至少也應達到水源地設計開采量

15、的1/3以上。 2.對降深的要求 即盡可能地接近水源地設計的水位降深，一般或至少應使群孔抽水水位下降漏斗中心處達到設計水位降深的1/3。 特別是當需要通過抽水時，對地下水流場分析，以查明某些水文地質條件時，更必須有較大的水位降深要求。 3.可以是穩(wěn)定流的，也可以是非穩(wěn)定流的 獲得水源地的穩(wěn)定出水量，一般多進行穩(wěn)定流的開采抽水試驗。 此穩(wěn)定出水量，可以通過改變抽水強度直接確定出水源地最大降深時的穩(wěn)定出水量（適用于地下水資源不太豐富的水源地）；也可通過進行三次水位降深的穩(wěn)定流抽水試驗，據(jù)流量（Q）水位降深（S）關系曲線方程，下推設計條件下的穩(wěn)定出水量。 4.為提高水源地允許開采量的保證程度，抽水試

16、驗最好在地下水枯水期的后期進行 5.抽水試驗延續(xù)時間，一般應大于1個月。第五節(jié) 抽水試驗資料整理一、穩(wěn)定流單孔抽水試驗現(xiàn)場資料整理的要求 1.整理的內容 Qt曲線、t曲線、Q-S曲線、q-S曲線。 2.曲線的判定 Qt、t曲線，幫助我們了解抽水試驗進行的是否正常。 Q-S、q-S曲線，幫助我們了解曲線形態(tài)是否正確地反應了含水層的類型和邊界性質。如圖，表示承壓井流；表示潛水或承壓轉無壓的井流；表示從某一降深起，涌水量隨降深的加大而增加很少；表示補給衰竭或水流受阻；表示試驗有錯誤，但可表示被堵塞的裂隙、巖溶通道突然被疏通。二、非穩(wěn)定流單孔抽水試驗現(xiàn)場資料整理的要求 整理的內容：主要是水位降深與時間

17、的各類關系曲線。三、群孔干擾抽水試驗現(xiàn)場資料整理的要求 整理的內容：抽水孔和各觀測孔的S-t、S-lgt曲線；抽水孔流量、群孔總流量過程線；抽水前的等水位線圖、不同抽水時刻的等水位線圖等。 第六節(jié) 過濾器及測水用具一、過濾器 過濾器主要由過濾骨架和過濾層組成。 骨架起支撐作用，有兩種結構：一為帶網(wǎng)眼的管子；二為用鋼筋間隔排列而成的管狀物。 骨架的孔隙率應不小于抽水含水層的空隙率。 一般，鋼管的孔隙率可達3050%；鑄鐵管的孔隙率可達2030%；水泥管的孔隙率可達1015%；縫隙式鋼管骨架過濾器的孔隙率可達4045%；鋼筋骨架過濾器的孔隙率可達6070%； 過濾器的類型： 骨架過濾器； 網(wǎng)狀過濾

18、器； 纏絲過濾器； 礫石過濾器；（填礫過濾器、籠狀和筐狀過濾器）。 管外填礫規(guī)格、纏絲間距也有規(guī)定。二、測水用具二、測水用具 測水用具包括水位計和流量計。測水用具包括水位計和流量計。 1. 水位計水位計 目前有：電測水位計、半自動測井儀、自記水位目前有：電測水位計、半自動測井儀、自記水位計。計。 2. 流量計流量計 目前常用的有：堰箱（或堰板）、流量流速儀等。目前常用的有：堰箱（或堰板）、流量流速儀等。第七節(jié)第七節(jié) 其他水文地質野外試驗其他水文地質野外試驗一、滲水試驗一、滲水試驗 1. 目的目的 研究包氣帶巖石垂向透水性。研究包氣帶巖石垂向透水性。 2. 原理原理 如圖：基準面取地表。進行試驗

19、，滲水達到地下如圖：基準面取地表。進行試驗，滲水達到地下水位時，滲水量趨于穩(wěn)定，這是根據(jù)達西定律：水位時，滲水量趨于穩(wěn)定，這是根據(jù)達西定律：式中：式中：HK：包氣帶土層的毛細上升高度；包氣帶土層的毛細上升高度； Z水層厚度；水層厚度； l 下滲的深度下滲的深度llZHKKJVK 當水層厚度當水層厚度Z較小時，可以忽略不計。當水滲入到較小時，可以忽略不計。當水滲入到潛水面或滲入深度較大時，潛水面或滲入深度較大時，HK也可忽略不計。所以也可忽略不計。所以 V=K 如果我們能求出下滲速度，也就是包氣帶巖石垂直如果我們能求出下滲速度，也就是包氣帶巖石垂直滲透系數(shù)。滲透系數(shù)。內環(huán)面積；水量，可以實測；W

20、QWQV 3. 滲水試驗的類型滲水試驗的類型 （1）滲坑滲水試驗）滲坑滲水試驗 （2）單環(huán)滲水試驗）單環(huán)滲水試驗 （3）雙環(huán)滲水試驗）雙環(huán)滲水試驗 說明優(yōu)缺點說明優(yōu)缺點 4. 試驗方法 （1）試驗過程中流量隨時間的變化 由于開始滲水時，水要消耗在包氣帶內側和外側，所以開始流量大，然后逐漸趨于穩(wěn)定；（圖） （2）流速觀測方法（圖） 維持試驗環(huán)內的水位不變觀測流量，比如，定時觀測水量的變化，求水量，在除以內環(huán)的面積，得流速。二、鉆孔注水試驗二、鉆孔注水試驗 注水試驗與抽水試驗相反。形成的漏斗是反漏斗。注水試驗與抽水試驗相反。形成的漏斗是反漏斗。 注水試驗一般都是穩(wěn)定流注水試驗。求參數(shù)公式還注水試驗一般都是穩(wěn)定流注水試驗。求參數(shù)公式還是用抽水時的是用抽水時的Dupuit公式。如潛水，抽水時公式為：公式。