自由振荡法试验在地层渗透性评价中的应用与探讨

崔中涛，徐海洋，郭劲松

(中国电力建设集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都610072)

摘要：自由振荡法试验就是通过一定激发手段使得钻孔内水位发生瞬时变化，获得水位-时间响应数据来确定含水层的渗透系数。该方法在地层渗透性评价中得到广泛的应用，多采用的是气压法激发水头的方式。考虑到与气压式激发水头的方式相比，注水式则只需往孔内注入一定量的水就可以实现孔内的水头差，且需要设备少，操作简单，因此，尝试将注水式激发水头的自由振荡法试验应用于某工程，并进行研究对比。通过注水式振荡试验、气压式振荡试验、标准抽水试验优缺点的比较，认为注水式振荡试验最为简便快捷，但部分实验数据出现偏差。分析试验数据出现偏差的原因，提出改进的方法，并论证该试验方法的可行性，以期在今后的工作中对改进的方法进行验证，达到此方法能推广的目的。

关键词：渗透系数 ；自由振荡法试验；注水式；激发水头；标准抽水试验

中图分类号：TV139.14;TU411.4文献标志码：A

收稿日期：2014-12-11；修回日期：2015-01-04

基金项目：国家自然科学

作者简介：胡志强(1984 -)，男，山西太原人，硕士研究生，主要从事地质灾害治理及预测预报方面的研究，(电话)18636615201(电子信箱)515935047@qq.com。

通讯作者：肖诗荣(1963 -)，男，湖北监利人，副教授，博士，主要从事地质工程教学、科研、生产方面的研究，(电话)13339781863(电子信箱)416315671@qq.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.017

收稿日期：2014-05-19；修回日期：2014-06-15

基金项目：湖北省自然科学基金重点项目(2012FFA047)

作者简介：唐谦(1977-)，男，湖北武汉人，高级工程师，博士，研究方向为岩土工程数值模拟方法与应用，(电话)027-67883120(电子信箱)tangqiancug@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.016

1自由振荡法试验方法及原理

1.1　基本概念和原理

自由振荡法试验即通过一定激发手段使得孔内水位发生瞬时变化，在水头差的作用下，钻孔中水位逐渐恢复到静止状态，测量水位随时间的变化，获得水位-时间响应数据，利用响应数据来确定含水层的渗透系数，这一过程就叫做自由振荡法试验[1-6]。

试验装置主要包括3个系统：水头激发系统、探测系统、数据采集系统，见图1。自由振荡法试验主要包括3个过程：①钻孔水位发生瞬时变化；②获得水位-时间数据；③依据相关理论，推导出地层渗透系数。

图1　自由振荡法试验仪器装置简图 Fig.1　Sketch of the instrument for free oscillation test

1.2　地层适用条件

自由振荡法试验受水头激发方式的限制，其影响的半径相对常规的抽、注水试验较小，因此，要求自由振荡法试验中影响半径内的地层能够代表整个地层的基本渗透特性。对于潜水层要求其为均质且各向异性的多孔介质，符合定水头有限直径圆岛形的边界条件，同时要求忽略含水介质的弹性储水效应。对于承压含水层的要求为：含水层等厚，含水层顶板及底板隔水，含水层均质，承压含水层各向同性。

2自由振荡法试验应用简介

20世纪90年代初，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院(现中国电力建设集团成都勘测设计研究院有限公司)进行了相关方面的试验和研究，1994年完成了题为《自振法抽水试验与地下水长观监测系统》的“八五”国家科技攻关项目，其采用的是气压式激发水头的自由振荡法试验[7-8]。该试验先后在锦屏、桐子林等水电站进行了生产试验的对比，取得了令人满意的成果。此外，岷江十里铺电站、安徽巢湖电厂、白鹤滩水电站等工程也应用了此方法，同样取得了成功[9]。

广义的自由振荡法试验激发水头的方式还有注水式、抽水式等，其原理与气压式一样。相比气压式激发水头的方式，注水式则只需往孔内注入一定量的水就可以实现孔内的水头差，且需要设备少，操作简单，作者认为注水式更为简便快捷。为什么如此简捷的试验方法不能在生产试验中进行研究呢？因此，在本工程中尝试用注水式自由振荡法试验进行研究对比。

3自由振荡法试验在某水电站的应用

3.1　某水电站坝址区适宜条件分析

该水电站坝址共布置勘探孔32个钻孔，据钻孔揭示，坝址覆盖层层次结构相对稳定。河床覆盖层从上至下分为4大层，6小层。第④层主要为砂卵砾石层，厚10.77～22.90 m；③-3亚层主要由含砾中粗砂、中细砂组成，厚度一般38.16～56 m；③-2亚层为粉质黏土层、砂质粉土层，厚11.10～22.87 m；③-1亚层主要由含砾中粗、中细砂组成，厚159.25～176.64 m；第②层为灰色含(块)碎(卵)砾石砂层，厚31.50～80.70 m；第①层为块碎石土及含砂的块碎砾石土组成，该层厚85.90～149.02 m。地层具体分布见图2。

图2　地层简图 Fig.2　Profile of strata

据勘探揭示，该坝基物质主要由较均一的细颗粒物质组成，且厚度较大，达到250 m，坝基地质条件很适合自由振荡法试验的条件，因此在水文地质试验工作中引进了自由振荡法试验，在钻孔ZKm203中实施注水式自由振荡法试验，并且同时实施标准的抽水试验进行对比研究。

3.2　模型选择与试验数据计算

3.2.1Bouwer and Rice模型[10]

根据Bouwer 和Rice的研究，该模型较为简单，适用于非承压含水层；均质各向异性多孔介质；定水头有限直径圆岛形边界条件；忽略含水介质的弹性储水效应。因此该模型可计算③-3亚层灰色含砾中粗砂的渗透系数。

计算岩土体的渗透性参数公式为：

(1)

(2)

式中：rc为孔水位升降段套管半径 ；Re为影响半径；rw为过滤器半径；Lk为试验段长度；y0为水位升高最大值；t为选择曲线任意时间；yt为选择曲线任意t时水位。H为钻孔初始水位距孔底高度；D为钻孔初始水位距隔水顶板高度；A和B为无量纲参数，且均为Lk和rw的函数。

3.2.2Kipp(1985)模型[11]

根据Kipp的研究，该模型适用于含水层等厚；含水层顶、底板隔水；含水层均质、各向同性承压含水层。因此该模型可应用于③-1亚层计算渗透系数。

由下式计算渗透系数：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

3.3　计算结果的对比分析

根据选择的模型，计算出地层的渗透系数，具体见表1。注水式振荡试验与标准抽水试验结果对比见表2。

表1　ZKm203注水式振荡试验计算成果 Table 1　Calculation result of oscillation test with water injection method for borehole ZKm203

根据坝基细颗粒物质实施的抽、注水试验，以及坝基覆盖层大量的室内渗透变形试验得出：③-3和③-1层的含砾砂层渗透系数约为2.7×10-3～2×10-4cm/s，其结果符合砂层渗透系数的一般规律；③-2层的粉质黏土层渗透系数约为4.1×10-6cm/s，其结果符合黏土渗透系数的一般规律。注水式激发水头的自由振荡法试验得到：③-3和③-1层的含砾砂层渗透系数约为1.09×10-2～4.73×10-3cm/s，③-2层的粉质黏土层渗透系数约为7.1×10-7cm/s。因此，作者认为，注水式振荡试验得出的结果③-3和③-1层偏大，基本差0.5 ～1个数量级， ③-2层基本相当。

表2　标准抽水试验与注水式振荡试验成果对比 Table 2　Comparison of the result between standard water pumping test and water injection oscillation test

4试验方法探讨

从注水式自由振荡法试验在本钻孔中实施的情况及数据的对比上看，其在③-2层的数据与标准的抽水和室内试验的数据基本吻合，而在③-3和③-1层中的数据明显偏大。那么为什么注水式振荡试验能在③-2层都取得了成功，而在③-3和③-1层中出现偏差。

4.1　结果偏差的原因分析

4.1.1激发水头差不够

自由振荡法试验水头变化激发程度是试验的关键。本工程采用的是注水式(水桶注水)振荡试验，在注入水量有限、地层渗透性较强的情况下，孔内水头激发程度可能就不够，没能形成足够的水头差，试验所得的时间-水头曲线不具代表性，试验数据就会出现偏差。

4.1.2试验段封闭程度不够

本工程的注水式振荡试验是在实施标准抽、注水试验的孔内进行。因试验的深度较大，标准的抽、注水试验需要下花管，套管势必就要进行多次的起拔，在数次起拔套管之后，孔壁与套管结合就会不紧密，以致形成一个固定的排泄通道。而注水式振荡试验注入的水量较小，从排泄通道流出试验段外的流量相对较大，这样就相当于增加了试验段的长度，导致试验结果偏大。而③-2为粉质黏土层，土体与套管结合较好，不存在封闭不好的问题，得到的试验数据比较真实，也同样说明试验段封闭程度不够造成了试验数据的偏差。

4.2　改进的试验方法效果初步分析

上一节分析了试验数据出现偏差的2个原因，一个是水头激发程度不够，如果在试验中利用功率较大的水泵，往孔内注入足够的水量，形成一个比较理想的水头差，就能采集到理想的试验数据。

另外，针对套管连续起拔形成的固定排泄通道问题，如果不和标准的抽水试验在同一个孔内实施，就不涉及到拔管的问题，也就不存在排泄通道。试验过程中可采用清水钻进足够的试验段深度后，在裸孔中实施注水式振荡试验，再跟管至孔底，实施下一循环的工作，这样就可以实现试验段的封闭。

综上所述，如果影响试验结果的2个问题在试验过程中均得到改进，注水式振荡试验在理论上应该是一个能够可行的试验方法。

4.3　试验方法优缺点对比

自由振荡法试验最重要的是水头激发环节。其中水头激发方式有注水、气压等，下面重点就气压式、注水式和标准的抽水试验进行对比，优缺点见表3。

肉牛粪污处理技术模式应根据肉牛场的养殖规模、投资能力、自有种植土地、机械化程度等情况灵活选择，技术路线应围绕“源头减量、清洁生产、资源化综合利用、防止二次污染”的原则。

表3　注水式振荡试验、气压式振荡试验、标准抽 水试验优缺点对比 Table 3　Advantages and shortcomings of water injection oscillation test, pressure oscillation test and standard water pumping test

通过以上的各种方式对比，各种方式都有优缺点。但不难发现，自由振荡法试验要远远优于标准的抽水试验，注水式振荡试验又要优于气压式振荡试验。首先，气压式耗时1.5 ～2.5 h，注水式耗时2 ～15 min，在提高效率上，气压式振荡试验要远远高于标准的抽水试验，而注水式振荡试验在效率上要比气压式振荡试验高出数十倍，由于注水是振荡试验试验过程非常短，因此在孔内可实现连续试验；其次，气压式需要在孔内形成1个封闭的体系，而注水式则是1个开放的体系，试验条件注水式更容易实现；再则，气压式需要1台专门的封闭加压装置，而注水式只需要1台水泵，在投入上要少。因此，注水式振荡试验要优于其他试验方法。

5结论

从现场试验来看，注水式振荡法试验有以下几个方面的优势：

(1) 投入少。试验需要的设备少、操作人员少，在人力资源及物质投入上要优于其他实验方法。

(2) 快捷。完成一个试验段的时间约2 ～10 min，而气压式需要1.5 ～2.5 h，常规抽、注水试验则耗时大于24 h，在快捷程度上优势明显。

(3) 易于实现。标准的抽水试验由于受到设备的制约(水泵的扬程问题、抽水量等问题)，在深厚覆盖层的试验无法实施，气压式振荡试验对试验环境的封闭程度高，实现较困难，而注水式振荡试验无设备上的限制。

(4) 数据采集可靠。试验在数据的采集上与气压式完全相同，依靠仪器，标准的抽水试验靠人工采集数据，可靠度要优于标准的抽水试验。

综上所述，注水式振荡试验优势明显，在提高效率上，气压式振荡试验要远远高于标准的抽注水试验，而注水式振荡试验在效率上要比气压式振荡试验高出数十倍，由于注水式振荡试验过程非常短，因此在孔内连续试验的条件也可实现。针对注水式方法研究试验中出现的的偏差，分析了出现偏差的原因，同时在理论上也分析了改进后的试验方法的可行性，但该方法还需在实际的生产过程中进行验证，方可投入到生产中去。

参考文献：

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(编辑：刘运飞)

Discussion on the Application of Free Oscillation Testin Stratum Permeability Evaluation

CUI Zhong-tao, XU Hai-yang, GUO Jin-song

(Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu610072, China)

Abstract:Free oscillation test is a hydro-geological test which adopts excitation method to make an instantaneous change in borehole water level. Through the test process the water level-time response data will be measured and thus to determine the permeability coefficient of the aquifer stratum. This test has been applied in many engineering projects for stratum permeability evaluation and has an efficient result. Air pressure is usually adopted to excite the water head, while water injection is convenient to excite water head only by injecting a certain amount of water. It

needs less equipment and operates easily. In this research we conducted a free oscillation test with water injection method to evaluate the stratum permeability coefficient and compared the advantages and shortcomings of various test methods (gas pressure and standard water pumping and injection). We found that free oscillation test with water injection method is the most convenient, however, some part of the test data revealed deviations rather than the results derived from the standard water pumping test. We analyzed the causes of the deviation and put forward improvements to demonstrate the feasibility of this test method with the expectation to verify the improved method and achieve popularization of this test method in hydropower station projects.

Key words: permeability coefficient; free oscillation test; water injection；excitation of water head; standard water pumping test

2015,32(04):86-91

2015,32(04):81-85