辛 博

(河北省地礦局第三地質(zhì)大隊 張家口 075000)

滲透系數(shù)是綜合體現(xiàn)含水層性質(zhì)的重要參數(shù),它能夠反映地下水流動和溶質(zhì)運移的能力,是評價地下水資源和推算井出水量,確定合理開發(fā)利用程度的重要參數(shù)之一。從達西公式V=K*I中可以表明滲透系數(shù)的物理意義： 水力坡度(I)、滲透速度(V)及滲透系數(shù)(K)的關(guān)系,它具有速度單位,常用m/d表示。

生產(chǎn)實踐中常用穩(wěn)定流裘布依公式計算滲透系數(shù),但不少計算結(jié)果與《工程地質(zhì)手冊》中的經(jīng)驗值不相符。造成K 值不準的原因除施工質(zhì)量,如抽水孔壁泥漿未徹底清洗；濾水管外填礫不合規(guī)格等等外,尚有選用計算公式與抽水試驗引起的地下水運動規(guī)律不符所致,主要表現(xiàn)在不少抽水試驗的邊界條件與推導裘布依公式的邊界條件不同。

滲透系數(shù)獲取的主要方式是抽水試驗、壓水試驗、注水試驗、滲水試驗、室內(nèi)滲透測試、modflow、matlab、曲線擬合法等。盡管以上的試驗方法和理論都相對成熟,但在實際工作中仍以鉆孔抽水試驗為主。已往鉆探工作耗時耗資,為取得經(jīng)濟效益與受地層條件限制難以隔離含水層并分層測試。

本次在針對潛水—承壓混合水開展了抽水試驗進行求參,基于圖解法原理確定了各層含水層的靜止水位,分層計算了各含水層的滲透系數(shù)?；谒目譍Y1、GY2、GY3的獨特性,對計算結(jié)果的準確性進行了對比分析,與數(shù)學判別模型的嘗試為混合水分層計算提供了寶貴的參考依據(jù)。

1 現(xiàn)狀分析

混合水為地層中具有多個含水巖組,成井過程中未單獨布置工作手段而綜合利用的水。混合抽水所求取K 值為平均值,即整個鉆孔實驗段平均值,針對不同區(qū)域地層所計算K 值及影響半徑R 值與實際出入較大、實際工作中K 值及R 值與實際不相符的情況,技術(shù)人員一般會參照《水文工程地質(zhì)手冊》或《巖土工程地質(zhì)手冊》的經(jīng)驗值作為試驗數(shù)值,但經(jīng)驗數(shù)值巖土類別取值與實際地層巖性嚴重不相符,K 值相差數(shù)十倍之多。地下水類型分為潛水、承壓水,含水介質(zhì)分為孔隙水、裂隙水、巖溶水等組合方式,各類計算公式近30種(水利水電工程抽水試驗規(guī)程SL320-2005)僅有適用條件如承壓水單孔完整井,并未考慮各類含水層主要水文地質(zhì)類型,也未結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地貌條件與水文地質(zhì)特征,分析不同地貌區(qū)域物質(zhì)堆積特征與構(gòu)造帶破碎規(guī)模和相態(tài)動態(tài)特征,從而導致經(jīng)驗K 值偏差數(shù)十倍之多。

工作中已往的分層抽水需進行單井結(jié)構(gòu)設(shè)計,封堵無效利用段或鉆進過程中多次變徑、分時段成井,對施工工藝與地層要求較高、耗時較長,礫料因重力因素往往在成井1個月內(nèi)多次沉降,導致封堵層位不準確。而裘布依公式是在理想狀態(tài)下建立,未考慮三維流、天然水力坡度(傾斜含水層)、頂?shù)装甯羲?、紊流、濾水管位置等因素,從而導致水文參數(shù)產(chǎn)生誤差。

2 試驗區(qū)概況

本次試驗區(qū)域為沽源縣雙井子村附近,共4個試驗孔,分別為GY1、GY2、GY3、GY4。試驗區(qū)屬于中朝準地臺(Ⅰ1)、內(nèi)蒙古地軸(Ⅱ12),其三級構(gòu)造單元屬沽源陷斷束,構(gòu)造形跡以斷裂為主,附近的大型斷裂構(gòu)造主要有沽源—張北區(qū)域斷裂,位于試驗區(qū)西北。所屬水文地質(zhì)單元為壩上內(nèi)陸河系統(tǒng),地下水的補給來源主要是大氣降水入滲補給,其次是河水入滲補給,由于受地形地貌及水文地質(zhì)條件等因素的制約,區(qū)內(nèi)地下水徑流條件差導致地下水交替作用滯緩,濃縮作用強烈,地下水的排泄主要靠地表蒸發(fā)來完成。主要含水層為： 中粗砂、礫石、氣孔狀玄武巖、礫巖,隔水層為粘土。

GY1孔地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙承壓水、基巖裂隙孔洞水(氣孔狀玄武巖),該井同時揭穿五個含水巖組。其中,0～30 m 以細砂粗砂為主,巖組中含泥量較少、透水性較好,為第一含水巖組,屬潛水層；30～50 m 為粘土夾細沙互層,河流沖洪積相,為第二含水巖組,屬潛水層；120～154m 為礫石夾細砂,礫石磨圓度較好為第三含水巖組,屬承壓水層；154～160m 為氣孔狀玄武巖,氣孔結(jié)構(gòu)松散,孔洞內(nèi)水流痕跡明顯,為第四含水巖組,屬承壓水層；243～277.65m 為黃褐色角礫巖,伴隨少許泥質(zhì)膠結(jié)為風化殼基巖裂隙水,為第五含水巖組,屬承壓水層。各含水巖組有微弱水力聯(lián)系,利用天然有效隔水層對124m 以淺進行止水,僅利用三、四、五含水巖組。

GY2位于GY1井南側(cè)500 m 處,垂直地下水主流向,地層與GY1基本一致,成井后發(fā)現(xiàn)各個含水巖組有水力聯(lián)系,不具承壓性,水位與附近民井水位相近,分析原因是止水過程中下料過快導致未有效止水,地下水為多層混合水。

GY3位于GY1東側(cè)500 m 處,經(jīng)物探用電阻率垂向電測深方法與鉆探驗證發(fā)現(xiàn)一不明性質(zhì)斷層,無基巖脈狀水賦存。0～150m 基本與GY1地層相同；150～200m 為紅色至淺綠色粘土層為火山灰堆積物,現(xiàn)為有效隔水層；200～275 m 為致密玄武巖體,終孔深度275 m；0～130 m 粘土球封孔止水,含水層有效利用段僅為130～150m 砂礫石層。

為對GY1、GY2、GY3孔出水量與基礎(chǔ)水文參數(shù)計算,而進行單次最大降深抽水試驗,抽水前觀測GY1、GY2、GY3試驗孔靜水位分別為9.11m、3.22 m、8.74m(圖1)。

圖1 試驗區(qū)高程數(shù)字模型

3 抽水試驗參數(shù)計算

3.1 單孔抽水試驗

分別對GY1、GY2、GY3進行單次大降深抽水試驗,概略求得含水層如下參數(shù)。

(1)GY1井為完整井承壓水類型,濾水管長度等于有效含水層長度,計算公式為：

其中,k—滲透系數(shù)(m/d)；

Q—抽水井涌水量(m3/d)；

m—含水層厚度(m)；

S—抽水井水位下降值(m)；

R—影響半徑(m)；

r—抽水井半徑(m)。

計算結(jié)果為K=1.1(m/d)III+IV+V 含水巖組,參照水文工程地質(zhì)手冊中各巖層經(jīng)驗值,數(shù)值嚴重偏小。

(2)GY2井為完整井承壓水類型,濾水管長度等于有效含水層長度,計算公式同①,計算結(jié)果K=1.5(m/d)I+II+III+IV+V 含水巖組。

(3)GY3井為完整井承壓水類型,濾水管長度等于有效含水層長度,計算公式同①,計算結(jié)果K=1.4(m/d)III含水巖組。

3.2 多孔抽水試驗

利用水文孔GY1、GY2進行觀測孔抽水試驗,較為準確的求得水文地質(zhì)參數(shù)和含水層不同方向滲透性及邊界條件。

(1)GY2抽水,GY1作為觀測孔概化為無越流承壓完整井,采用穩(wěn)定流半對數(shù)圖解法計算,計算公式為：

其中,R—影響半徑(m)；

S—抽水孔降深(m)；

S1—觀測孔降深(m)；

r—利用段鉆孔半徑(m)；

r1—觀測孔至抽水孔中心距離(m)。

計算結(jié)果為K=1.35(m/d)I+II+III+IV+V含水巖組。

(2)GY3抽水,GY1、GY2分別作為觀測孔概化為無越流承壓完整井,采用穩(wěn)定流半對數(shù)圖解法計算影響半徑,計算后K值取值1.2(m/d)III含水巖組。

4 分層計算探究

4.1 補排均衡水位分層法

當多個含水層被揭穿后,高水位含水層泄水,低水位含水層吸水,其靜止水位等于I含水巖組+II含水巖組+III含水巖組+IV 含水巖組……

當水流量達到穩(wěn)定時,高水位含水層的泄水量與低水位含水層的吸水量相等,及進行混合抽水試驗時,鉆孔總涌水量等于各含水層涌水量之和。

依據(jù)鉆孔天然地層屬性,在有兩個含水層的情況下,只需要對上一層進行單獨抽水試驗,再對兩個含水層進行混合抽水試驗即可根據(jù)圖解法求出下一含水層水位(圖2)。

將GY1概化為III+IV(V 泥質(zhì)膠結(jié)可忽略),GY3概化為III,III+IV 靜水位=9.11m,III靜水位12m,靜水位差值為混合水注入補給流量。根據(jù)抽水試驗流量與降深數(shù)據(jù)分別繪制Q-s曲線于同一底圖,與標準曲線平移配比,此交點為IV 靜止水位。已知下部靜水位高于上部靜水位,因此在此混合達到平衡時IV 排泄地下水III吸收地下水,Q-s曲線交點處造平行線與分別靜水位與混合水位平行,即當混合抽水時平均靜水位III+IV(9.11m)下降至III(12 m)時,Q 為IV 靜水位-III靜水位體積,即圖解流量,利用裘布依公式反算K值等于1.2 m/d,與經(jīng)驗值相差不大(圖3)。

圖2 水位分層示意圖

圖3 圖解法示意圖

4.2 數(shù)學判別函數(shù)法

K值不適用范圍： 基巖脈狀水、巖溶區(qū)地下水。

滲透系數(shù)K是綜合反映巖土體滲透能力的一個指標,主要受孔隙度、裂隙度、自重、粘滯性所影響,影響因素眾多。根據(jù)分析羅列出各種影響到K值變化的關(guān)鍵因素,根據(jù)各個因素影響程度的大小確定權(quán)數(shù),再按K值對各關(guān)鍵因素的有效反應(yīng)程度對各關(guān)鍵因素進行評分,最后算出K值的總加權(quán)分數(shù)。

數(shù)學判別函數(shù)法只是一個初步構(gòu)想,需多次試驗與矯正,數(shù)據(jù)賦值量化仍需一段過程,在此不做賦值打分與試驗數(shù)據(jù)做比較。

5 滲透系數(shù)驗證

5.1 經(jīng)驗值驗證

運用補排均衡水位分層法計算得IV 含水層K值滲透系數(shù)為1.2m/d符合經(jīng)驗值,但氣孔狀玄武巖經(jīng)驗值取值范圍差異較大,不具代表性。

5.2 水位恢復(fù)法計算K 值

在區(qū)域附近找尋相關(guān)IV 綜合水文地層柱狀圖,運用水位恢復(fù)法來計算K值。在瞬時由定流量Q1變化為Q2,在觀測孔中會有不同的水位變化,根據(jù)水位變化求取不同試驗段K值。

其中,t—停抽前抽水的總時間；

tβ—從停止開始到測定觀測孔水位恢復(fù)時間；

r1—觀測孔至抽水孔距離；

S1—觀測孔中之水位降低值(從抽水開始算起)；

求得K值1.5m/d。

5.3 擬合曲線法

利用多孔抽水試驗中觀測孔降深歷時數(shù)據(jù),采用利用非穩(wěn)定理論,應(yīng)用泰斯公式的簡化式,即雅柯布方程,計算導水系數(shù)和壓力傳導系數(shù)值,計算方程如下。

S=Q/4πT·lg(2.25at/r2)

μ* =T/a

其中,S—觀測井水位降深(m)；

Q—抽水井穩(wěn)定出水量(m3/d)；

T—導水系數(shù)(m2/d)；

a—壓力傳導系數(shù)(m2/d)；

t—抽水延續(xù)時間(d)；

r—觀測孔距開采井的距離(m)；

μ*—熱儲層彈性釋水系數(shù),無量綱。

相關(guān)系數(shù)0.997,決定系數(shù)0.995曲線擬合完好,由雅柯布公式求得導水系數(shù)T,除以相對應(yīng)含水層厚度,K為值1.3m/d(圖4)。

圖4 擬合曲線示意圖

6 結(jié)論與討論

本次利用沽源已有抽水試驗數(shù)據(jù),綜合分析驗證提出混合水各層位靜水位埋深原理；提出數(shù)學判別函數(shù)模型設(shè)想,經(jīng)驗證對比具有一定可行性。在針對現(xiàn)狀條件下混合水與復(fù)雜水文地質(zhì)條件下難以求取準確參數(shù)的條件下,提供了技術(shù)支持與理論依據(jù),排除了受鉆探工藝、洗井工藝、抽水試驗設(shè)計、人為因素、計算誤差的影響因素且無局限性,為解決無分層止水求分層參數(shù)的重要水文地質(zhì)問題提供了重要的指導與參考依據(jù)。

此外,K值影響因素眾多,此次只羅列重要幾項內(nèi)外影響因素且量化評分影響權(quán)重未明確說明,需做專項分析研究。表格數(shù)據(jù)權(quán)重需認真核實方可有效利用,更需結(jié)合野外試驗與室內(nèi)試驗多次對比從而才能獲得準確數(shù)值。