萬偉鋒，李清波，蔡金龍，曾 峰

(1.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司博士后科研工作站，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司巖土工程事業(yè)部，河南 鄭州 450003)

微水試驗(slug test)是一種簡便且相對快速測定水文地質參數(shù)的野外試驗方法，它起源于國外，其譯名各異，如重錘試驗、鉆孔振蕩試驗、沖擊試驗、定容積瞬時抽(注)水試驗等[1]。與傳統(tǒng)試驗相比，微水試驗不僅更簡便、經(jīng)濟，而且精度高，可以滿足實際巖土體滲透參數(shù)測定的需要，同時，試驗不會對地下水環(huán)境產(chǎn)生二次污染[2]。微水試驗在國外研究較早，20世紀50年代，Hvorslev等學者首次應用微水試驗對土體的滲透系數(shù)進行現(xiàn)場測定，并開發(fā)了相應的數(shù)學模型用于求解[3]。此后，許多專家學者致力于微水試驗理論研究，針對不同含水層性質和水文地質條件，建立了不同的理論和數(shù)學模型，比較常用的除Hvorslev模型外，還有CBP模型、Bouwer-Rice模型、Kipp模型等，并對這些求解模型和方法不斷進行改進和修正。

國內微水試驗研究比國外開始的晚，國內最早研究微水試驗的是長春地質學院(現(xiàn)吉林大學)水工系干旱半干旱水文地質研究室，在1979年提出了用瞬時抽水試驗測定水文地質參數(shù)的方法[4]，對其理論模型和求解方法進行了推導，此后的20年間研究熱度較低；2000年以后，隨著微水試驗在工程中的應用，研究成果逐漸增多，如季純波等推導了專門應用于潛水井裸井的微水試驗數(shù)學模型[5]，高彬等開展了花管與潛水面相交下的微水試驗模型研究[6]，趙燕容建立了不同傾角的室內裂隙物理模型，并修正了Kipp模型提出的標準曲線[7]。周志芳等提出了基于單孔分段振蕩式微水試驗確定巖體滲透系數(shù)張量和裂隙貯水率的計算模式[8]。到目前為止，國內外微水試驗的求解模型和方法達50種之多。這些模型中，從多孔均質的承壓微水試驗理論模型發(fā)展到潛水微水試驗模型，從不考慮瞬間水位變化的慣性效應指數(shù)衰減到考慮慣性效應的欠阻尼衰減，并發(fā)展到考慮井壁效應的理論模型，近些年一些學者開始從多孔均質介質逐漸轉向裂隙巖體的研究[2]。微水試驗在理論和求解方法方面已較為成熟。

在應用方面，微水試驗很早就被作為一種原位試驗方法廣泛應用于水文地質、環(huán)境地質等領域的巖土體參數(shù)的測試中，并有相應的標準和規(guī)范。在國際上流行的含水層求參軟件Aquifer Test中，有專門的微水試驗求參模塊。在國內，也有科研機構和生產(chǎn)單位研發(fā)的專門用于微水試驗的設備，并在實際中進行了一些工程應用，和其他試驗方法進行了對比研究[9～11]。在國內的一些教材、手冊和規(guī)程中，微水試驗已被列為水文地質試驗之一[12～13]。

縱觀微水試驗的研究歷程和成果，多集中在理論模型建立與改進、求解方法及其在實際工程勘察中應用等方面，對試驗具體過程、方法及研究較少，不同激發(fā)方式的激發(fā)水頭或激發(fā)強度對試驗結果的影響鮮有報道，在實際工程應用中對試驗水頭尚無統(tǒng)一和明確的要求或標準。本文通過室內物理模型試驗，模擬不同的激發(fā)方式下不同激發(fā)強度的微水試驗，分析激發(fā)強度對試驗結果的影響，以期獲取微水試驗較為適宜的激發(fā)強度，為今后微水試驗在實際工程勘察中的應用提供借鑒和參考。

1 微水試驗基本原理和常用激發(fā)方式

1.1 微水試驗基本原理

微水試驗的實質是通過一定激發(fā)手段(如瞬時抽水或注水、氣壓泵、振蕩棒等)使得井孔內水位發(fā)生瞬時變化，通過觀測和記錄鉆孔水位隨時間的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，并與相應的理論數(shù)學模型的標準曲線擬合，進而計算試驗孔附近的水文地質參數(shù)。根據(jù)試驗過程，又可分為降水頭微水試驗(使水位瞬時上升，然后記錄水位下降恢復)和升水頭微水試驗(使孔內水位瞬時下降，然后等待水位上升恢復)，見圖1。

圖1 微水試驗過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the slug test process

1.2 微水試驗常用激發(fā)方式

為了使井、孔內的地下水位快速上升或者下降一定值，微水試驗常用以下幾種激發(fā)方式：

(1)注水式

注水式微水試驗是快速向井、孔內注入一定體積的水，以達到使孔內的地下水位瞬間上升的目的，然后觀測地下水位的恢復曲線，激發(fā)的強度基本可根據(jù)實際情況由人為注入的水量大小控制。注水式微水試驗類似于降水頭注水試驗。

(2)提水式

提水式微水試驗和注水式微水試驗的激發(fā)形式相反，是從孔內瞬間提出一定體積的水，以達到孔內的地下水位瞬間下降的目的。試驗激發(fā)的強度基本由提水器的容積確定。

(3)沖擊式(也稱沉入或提出重物式、震蕩棒式)

通過沉入或者從孔內水位以下提出一定體積的重物是實際工作中較為常用的一種激發(fā)方式，一些文獻中也稱這種方式為沖擊式或震蕩棒式[7]，其激發(fā)方式見圖1，其沉入過程(升水頭過程)類似于注水式微水試驗，待其水位恢復后，提出過程(降水頭過程)類似于提水式微水試驗，所不同的是，由于重物(或稱震蕩棒)的體積是一定的，其激發(fā)的水頭上升或者下降的幅度也是一定的，只能通過更換不同體積的重物(或稱震蕩棒)來改變激發(fā)強度。這種激發(fā)方式的優(yōu)點是不需要用水、用電，可以很容易地實現(xiàn)水位瞬間上升、水位瞬間下降的兩種類型的微水試驗，并且可以將兩種類型的試驗進行對比分析，以相互驗證試驗結果。

(4)瞬間抽水式

瞬間抽水式微水試驗是通過抽水設備從井、孔內在極短時間內抽取出一定體積的水，以達到井、孔內水位快速下降的目的，也稱為快速抽水試驗法。這種方法的激發(fā)強度主要靠抽水設備功率大小和抽水時間長短來確定，但需要注意的是，由于微水試驗強調水位的快速變化，抽水應控制在較短時間內完成。

(5)氣壓式

氣壓式微水試驗是通過對鉆孔孔口進行密封，通過氣泵向孔內加壓，利用氣壓使孔內地下水位下降一定幅度，然后打開孔口排氣閥門瞬間釋放孔內壓力，觀測水位恢復過程曲線求取水文地質參數(shù)的一種微水試驗。該方法也稱為鉆孔震蕩式滲透試驗或鉆孔自由震蕩法試驗，在《水電水利工程鉆孔抽水試驗規(guī)程(DL/T 5213—2005)》的附錄C中[13]，有關于該方法的詳細操作過程和技術要求。由于靠氣壓改變孔內水位，這種方法激發(fā)的水位變化值有限，一般在數(shù)厘米到數(shù)十厘米不等。

2 微水試驗物理模型平臺

2.1 試驗平臺概況

微水試驗的物理模型外部由墻體四面合圍，墻體厚度38～40 cm，內部形成4 m×4 m的正方形池子，池子四周及底部均做防水處理，外圍墻體高度為2.2 m?；诘叵滤畡恿W的裘布衣圓島理論的假設，以及微水試驗理論的假設條件，將池內的孔隙含水層設置為圓形，圓形含水層模型的直徑為3.8 m，距離水池四周墻壁最近約10 cm，圓形周邊采用鋼筋骨架+鋼絲網(wǎng)+尼龍濾網(wǎng)進行固定。含水介質采用顆粒級配均勻水洗中細砂，砂層鋪設厚度為1.5 m，均勻鋪設完成后，經(jīng)3次反復飽水、釋水使其自由密實。

本次模擬的是潛水含水層，含水層厚度為1.3 m，通過模型側壁上距離底部1.3 m處的溢水孔實現(xiàn)含水層邊界處水位的穩(wěn)定，模型示意圖見圖2。

圖2 物理模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the physical model

試驗平臺中心設置試驗主孔，在兩個相互垂直方向上不同距離設置了8個觀測孔，以觀測微水試驗的影響范圍和程度。為分析微水試驗在不同孔徑的鉆孔中的適用性，物理模型試驗考慮了3種主孔孔徑，分別是110 mm、160 mm和200 mm。

2.2 微水試驗類型

本次開展了注水式、提水式、瞬間抽水式和氣壓式4種類型的微水試驗，其中注水式20組，提水式19組，瞬間抽水式14組，沖擊式9組，氣壓式11組。由于氣壓式微水試驗孔口封閉裝置要求較高，僅在110 mm孔徑中進行。

3 試驗結果分析

3.1 求解方法

潛水含水層微水試驗通常采用Bouwer-Rice模型進行計算，Bouwer-Rice模型適用條件是：非承壓含水層，均質各向異性多孔介質，定水頭有限直徑圓島形邊界條件，忽略含水介質的彈性儲水效應，即Ss=0。其幾何模型見圖3。

圖3 Bouwer-Rice幾何模型Fig.3 The Bouwer-Rice geometric model

Bouwer and Rice推導得到滲透系數(shù)K的表達式為：

式中：y0——鉆孔中的最大水位變化值/m；

yt——t時刻鉆孔中水位和初始水位的差值/m；

t——時間/s；

Re——試驗影響半徑/m；

rw——過濾管半徑/m；

rc——鉆孔套管半徑/m；

Kr——含水層徑向滲透系數(shù)/(m·s-1)；

Lk——試驗段濾管長度/m。

對于ln(Re/rw)的計算，在給定井孔和含水層幾何特性如rw、H、D的條件下，注水流量Qt與Lk呈線性關系，Bouwer和 Rice通過試驗研究得到與井孔和含水層幾何特性相關的經(jīng)驗公式，該模型一般可以通過直線圖解法求解，本次直接利用國際上流行的含水層試驗軟件Aquifer Test進行求解，該軟件中包含微水試驗模塊，且有多種微水試驗模型可以選擇。

3.2 試驗結果分析

不同試驗孔徑的微水試驗結果見表1～表3，表中列出了各組試驗的水頭激發(fā)高度。表中，高度激發(fā)強度用激發(fā)水頭高度占含水層厚度的百分比表示。

表1 110 mm孔徑不同類型微水試驗

表2 160 mm孔徑不同類型微水試驗

表3 200 mm孔徑不同類型微水試驗

從表1～3可以看出，不同孔徑、不同激發(fā)方式計算出滲透系數(shù)K值的平均值為7.47～10.24 m/d。沖擊式微水試驗計算結果較其他方式略偏大，其主要原因是沖擊式微水試驗在重物墜入孔內地下水面時，造成的水面波動以及水花飛濺作用給試驗帶來了一定的影響，氣壓式微水試驗僅在110 mm孔徑中進行，由于加壓過程干擾以及孔口密封性等原因，其結果離散性較大，其它類型的微水試驗成果較為接近且相對穩(wěn)定。不同孔徑微水試驗的成果也略有差異，其主要原因是在進行完一種孔徑的微水試驗后，需要將主孔周圍的含水介質砂挖出，更換完主孔后再重新填實，重新填實后的砂層和原砂層的密實度存在差異，進而造成了試驗結果的差異。

從表中還可以看出，同一激發(fā)方式下，計算出的K值較為接近，離散度較小，表明水頭的激發(fā)強度對試驗結果影響并不明顯。但需要注意的是，激發(fā)強度越小，由于水位變化幅度小，對水位恢復過程中的水位觀測精度、抗干擾等要求也較高，激發(fā)強度越大，計算結果相對穩(wěn)定。

另外，對試驗過程中觀測孔的觀測水位變化結果表明，激發(fā)強度越大，試驗的影響范圍也相對大，在本次試驗中，在激發(fā)強度小于50%時，試驗的影響范圍約為0.7～1.0 m，大于50%時，影響范圍擴展到大于1.0 m，最大激發(fā)強度達到70%以上時，影響范圍已接近含水層的圓島邊界，根據(jù)圓島邊緣的G4觀測孔觀測數(shù)據(jù)，影響幅度0.05～0.15 cm。研究表明，激發(fā)強度越大，計算結果所能代表的試驗孔周邊含水層范圍越大，對實際勘察工作越有利。這也給今后微水中激發(fā)強度的選擇指明了方向，在現(xiàn)場具備快速水頭變化條件的情況，應選擇較大的激發(fā)強度。

4 結論

(1)本次利用多孔均質介質物理模型平臺開展了不同形式不同水頭激發(fā)高度(水頭激發(fā)高度未超過含水層厚度)的微水試驗，試驗結果顯示激發(fā)強度對試驗結果有一定影響，但影響并不明顯。

(2)在多孔均質含水層中，激發(fā)強度越大，微水試驗的計算結果越穩(wěn)定。激發(fā)強度越小，由于水位變化幅度小，對水位恢復過程中的水位觀測精度、抗干擾等的要求也較高。

(3)激發(fā)強度越大，微水試驗的影響范圍也相對大，在現(xiàn)場具備快速水頭變化條件的情況，應選擇較大的激發(fā)強度。