（岩土工程专业论文）孔中测渗技术研究与系统设计.pdf

摘要 堤坝渗漏破坏给国民经济带来了巨大的损失。如何探测岩土体的渗透性质，及在非汛 期低水位条件下探测堤坝的渗漏，以便预测高水位条件下的堤坝渗漏及渗透破坏，有很大 的理论意义和现实意义。 人工示踪方法已在堤坝渗漏探测中得到广泛应用。本文首先回顾了近年来国内外渗流 探测方法，对这些方法进行了综合评价。论文重点讨论了各种测试手段和方法的优缺点， 从而证明孔中测渗是直接有效的方法。 传统的点稀释法由于垂向流的干扰无法测定渗透流速。针对这一状况，本文在深入研 究了前人的理论后，对垂向流干扰下的水平流测试进行了研究，提出一系列经验公式。同 时，对同位素测渗过程中探头影响及同位素半衰期等影响进行分析，提出了误差修正公式。 文中对探测方法进行了探讨，设计出一种同时在孔中测量垂向流和水平流速的测量探 头、满足测试理论和测试条件的测量系统、控制系统以及数据处理分析软件。在测量与控 制系统的硬件中，重点研究了放射性测量中的随机信号以及弱电流脉冲信号的测量技术， 文中还对测控系统的可靠性设计进行了研究。软件系统在专家知识库及分析策略的基础 上，结合测量数据，可以计算出岩土体的渗流状况、渗漏的位置、通道发育和影响范围， 并分析渗漏形成原因，还可以对堤坝的抗渗能力作出判断。 论文最后介绍了一个工程实例。利用综合示踪探测技术，与文中的试验方法和测量系 统进行现场测试，计算出渗漏通道的位置、埋深和渗漏量，与其它资料进行了对比分析， 验证了系统的可靠性。 关键词：渗流测试示踪技术渗漏测量系统专家系统 a b s t r a c t i th a sg e ta h u g el o s e st on a t i o n a le c o n o m y b e c a u s eo f s c 印a g ef a i l u r e i ti ss i g n i f i c a n tt o d e t e c tt h ed a m d y k el e a k a g ea n ds e e p a g ei nr o c ka n ds o i l n o to n l yi nt h e o r e t i cb u ta l s oi n p r a c t i c a lm e a n i n g u n d e rt h el o w 1 e v e l - w a t e rc o n d i t i o ni nn o n ef l o o ds e a s 0 1 1 , f o rf o r e c a s t i n g s e e p a g ed e f o r r n a t i o na n ds e c d a g ef a i l u r ea th i g h - w a t e r - l e v e ld u r i n gf l o o ds e a s o n t r a c e rm e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di ns e e p a 2 ei n v e s t i g a t i o n a tt h ef i r s tp a r to f t h i st h e s i s ， t h em e 也o d sa n dt e c h n o l o g i e si nt h i sf i e l di nt h ew o r l dh a sb e e nd e s c r i b e da n dc o m p a r e d d i s c u s s i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h o s et h e o r i e sa n dm e t h o d s , b o r e h o l et e s ti sp r o v e d m a ti ti st h e o n l ym e t h o d t om e a s u r es e e p a g ef l o wd i r e c t l yi nt h e d a m d y k es e e p a g e i n v e s t i g a t i o n s w h i l e n om e t h o dc a nd ob e t t e rt h a ni s o t o p e st o d a y t r a d i t i o n a ld i l u t i o nt h e o r yc a n n o tm e a s u r et h ev e l o c i t yp r e c i s e l yo f s e c d a g ef l o wf o rt h e i n t e r f e r e n c eo fv e r t i c a lf l o wi nt h em u l t i a q u i f e r s a i ma tt h i sc o n d i t i o n a f t e rs t u d i e dm a n y t h e o r i e sa n dm e t h o d si nt h i sf i e l d ，a l le x p e f e n c e df o r r n u l ah a sb e e nd r a w no u tt os i m p l e rt h e s e e p a g ec a l c u l a t i o n ，a n dm o d i f i e d c i t o r sc o u r s e db yt h ep r o b ea n dh a l f - l i f eo f i s o t o p et r a c e r s a t i e rs t u d i e dm a n yd e t e c t i o nm e t h o d s ，an e wp r o b e ，ac o n t r o ls y s t e ma n das e to fd a t a c o l l e c t i v e a n a l y s i s s o f t w a r eh a v e b e e n d e v e l o p e dt om e a s u r et h e h o f i z o n t a la n dv e n i c a lv e l o c i t y o f s e e p a g e f l o wi nt h eb o r e h o l e ，t h eh a r d w a r e d e s i g ne m p h a s i sr a n d o m - w e a k s i g n a l m e a s u r e m e n ti ni s o t o p et r a c e rm e t h o d a n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e di nt h e t h i r dp a r to ft h i st h e s i s b yt h ee x p e r tr e p o s i t o r ya n da n a l y z e ri ns o f t w a r e ，e x p e r ts y s t e mc a n a n a l y z es e e p a g ec o n d i t i o na n dt h er e a s o no fl e a k a g ea n df i n d o u tt h el e a k a g ep l a c e ，d e p t h ， d i s t r a c t i o na r e a ，a n dp o s s i b l ed e v e l o p m e n t t h e n ，d r a wc o n c l u s i o n so fd a m d y k e sa b i l i t yt o b u r d e ns e e p a g ed e f o r m a t i o n a tt h e1 a s tp a r to ft h i st h e s i s ，af i e l dt e s ti si n t r o d u c e d t h o u 曲t r a c e rm e t h o d ，w l 也t h e t h e o r ya n dm e a s u r e m e n ts y s t e md e s c r i b e di nt h i sp a p e r , t oc o l l e c tl e a k a g ei n f o r m a t i o ni nf i e l d ， c a l c u l a t et h el e a k a g ep a r a m e t e r s t h ea u t h o rf i n d st h er e a lr e a s o no fl e a k a g e ，血u sv a l i d a t e st h e m e n t i o n e dt h e o r ya n ds y s t e m k e y w o r d s ：s e e p a g ei n v e s t i g a t i o n t r a c e rm e t h o d l e a k a g e m e a s u r e m e n ts y s t e m e x p e r t s y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 水患是纵横华夏大地，横亘中国历史的大患。为治理水患，我国在建国后修复、修 建了大量的水利设施。迄今为止，我国现有大中型水库8 万余座，江河湖泊堤防2 6 万 余公里，这些堤防及水库在国民经济及社会发展中产生了巨大的社会、经济和环境效益。 水库和堤防建设是治理水灾的一个重要举措，但因受修建时候的技术、经济和环境条件 的限制，而且加之已运行多年，这些工程不同程度地存在一些隐患，在洪水期间极易形 成渗水、管涌、漏洞、散浸、跌窝等险情，严重威胁整个水利工程的安全，进一步威胁 下游人民生命和财产的安全。如何快速有效地探找隐患及渗漏通道，有的放矢地对堤坝 工程进行除险加固处理，一直是防洪工程管理的重要课题。 1 1 研究现状 无论混凝土坝，还是土石坝，堤坝的渗透稳定性问题是堤坝渗流研究的首要问题， 而渗透变形问题5 3 在防洪问题上最为突出，图1 1 基本反映了渗透变形发生的各种 情况。 ( a ) 大面积渗水 芦7 7 7 巧万万力 _ 二 一 ：1 7 7 芗7 7 习7 _ 叼 ( b ) 局部地面隆起 ( c ) 集中喷水冒砂( d ) 断层引起的集中喷水冒砂 翥篇 ( e ) 岩溶引起的集中喷水冒砂 ( f ) 基岩强风化引起的集中喷水冒砂 图1 1 堤基渗透变形发生条件与形式示意 渗透变形的形式及其发生发展过程与地质条件、岩土体的渗透性质、水力条件、防 排水措施等因素有关。 第一章绪论 岩土体的强度、变形和渗透性之间有着密切的联系，在所有渗透变形的因素中，只 有清楚地知道岩土体的渗透性质才能够对堤坝的其它运行条件做出更好的设计，所以岩 土体的渗透性质的研究是岩土工程渗流理论中极其重要的一环。 9 8 年长江中、下游流域超大型水灾后，我国政府投入大量的人力物力进行堤坝的加 固改造建设，有效地提高了堤坝的防洪能力。与此同时，专家学者们根据9 8 大洪水出 现的新情况新问题进行了大量分析、试验和研究等富有成效的工作，发表了许多文章和 著作，其中不少涉及岩土体渗透性研究以及堤防的渗漏探测问题“6 ”啪1 。 1 2 岩土体渗透性的确定方法 1 2 1 无粘性土的渗透性 无粘性土的渗透系数的确定有实验和计算两种方法。渗透系数的计算是岩土工程问 题中的一项重要的研究课题，因为它不仅可以给出工程实用的计算方法，而且可以揭示 渗透系数的物理意义，以及影响渗透系数的各个影响因素，如孔隙直径，等效粒径等。 因此半个世纪以来，许多研究者投入了这方面的研究工作，采用实验和经验相结合的方 法，取得了一定成绩。 达西定律中的渗透系数，最初只是经实验确定的经验参数，多年来，许多学者采用 量纲分析、毛细模型、水力半径、孔隙平均直径模型和统计模型理论来推导。 1 2 2 岩体渗透性参数确定方法：裂隙采样测量法 对于地表出露的岩体，或者钻孔勘探的坝基，采用采样测量法比较经济方便。采样 测量法的最大特点是在野外只要测得裂隙的产状、隙宽和间距，就可求得渗透系数和作 为连续介质考虑的渗透张量。采样时可根据精度要求布置一定间隔的格网测点进行裂隙 数据的采样，并可利用岩体的自然露头，施工阶段的勘探钻孔和岩芯以及开挖坑洞等表 面进行数据采集。经过统计分析求得裂隙的平均宽度、间距和方位。为了使渗透张量计 算中的数据便于引用地质资料，一般多采用与裂隙面垂直的法线量，把裂隙面交角改为 法线与坐标系的夹角以便于引用裂隙组的产状( 倾向和倾角) 。 1 2 3 野外压水试验方法1 3 7 i 1 3 8 1 14 - 3l 单孔压水试验。 单孔压水试验是指在压水试验孔周围岩体中不设观测孑l ，只有一个单孔进行压水试 验的方法。该方法不能确定岩体渗透的各向异性参数，而只是求岩体的平均渗透性。 14 3 2 三段压水试验。 为了取得岩体各向异性的渗透性，l o u i s 建议定向钻孔进行压水试验，就是在渗透 张量的三个正交主方向钻三个孔，各在每一个孔单独进行压水试验测量主渗透性，然后 根据每组裂隙的产状把渗透系数迭加起来就可得到岩体总的渗透张量。路易斯( l o u i s ， 1 9 7 4 ) 要求钻一个试验孔和两个监测孔的轴线都平行于其他两组裂隙的交线，仅垂直于 所测试的裂隙组：而且必须使监测孔与试验孔的连线各平行于其他两个主方向( 图卜2 ) 。 将水力三段测试装置放入试验孔，隔开为三个试验段并在中段和作为屏蔽的上下保 卫段同时压注水。此时中段水流可视为径向辐射流型看待，并在两个监测孔中被长止水 塞隔丌的很短监测段测记压力的增加值，就可算得与试验孔垂直方向的两个主渗透系 2 第一章绪论 两个主渗透系数进行计算。 1 2 4 反演法推求渗透性参数 图1 - - 2 l o u is 的水力试验钻孔型式 1 4 4 1 直接法。 直接法就是指在地下水流动微分方程( 或描述地下水流动的数值模型) 中，将水头 值作为己知量，将代求的参数( 往往包括源汇项及边界流量) 等作为未知量，直接求解 未知参数的方法。可利用最优化方法求超定方程组从而得到参数值。 1 4 4 2 间接法。 间接方法的基本思想是先给待定的水文地质参数假设一组初值通过解正演问题计 算相应的水头分布，然后将计算水头值与实测水头值进行对比，看二者拟合程度如何， 如果不好，则修改参数，重新计算，直到拟合较好为止。间接方法很多，如试估一校正 法，根据研究区水文地质条件和已有的抽水试验资料初步拟订一组参数值，通过正演问 题计算出各结点各时刻的水头值，然而将计算水头值与实测水头值拟合对比，如拟合不 好，则对给出的参数初值进行调整，再按正演问题计算。重复这一过程，直到计算水头 值与实测水头值之差足够小为止。该法没有一个自动调整、修改参数的方案，各组参数 需要一一试算，当待求参数很多时，反复调整的过程可能延续很长。这是试估一校正法 的一个不足。其次，这种方法缺乏一个收敛准则，很难求得最优参数。 最优化方法可以弥补上述方法的不足。它是从间接方法原理出发，用最优化方法求 得一组参数值，使计算水头值与实测水头值之差在莫种意义下达到极小。 1 2 5 现场试验方法 1 2 5 1 地球物理方法。 是一种对天然存在或人工建立的地球物理场进行探测的方法，包括电法、磁法、地 震勘探等，建立在这些传统理论上的现代化探测仪器很多，如高密度电法仪、地质雷达 等，有钻孔资料对比时它们对探测大尺度的物性差异场方面能起到一定的作用，但对小 尺度的物性差异场或深埋通道的探测效果不明显，如由微小裂隙引起的坝基渗漏，由深 部断裂引起的堤基渗漏等。 1 2 5 2 示踪方法m ” 1 2 5 2 1 温度示踪。 国内外在二十世纪五十年代就开始了利用地下水温度差异进行渗水堤坝的研究以 及用温度测井资料确定透水层位等。地下水的温度受补给水源温度、地温和循环交替条 件控制，浅层地下水的温度还会受气温影响。短周期的气候变化仅对地表水的温度影响 既快又明显，在几天内水的温度就有相当大的变化，而堤坝基地下水的温度变化表现为 第一章绪论 比较平滑的曲线。补给水源的温度和地下水强烈的循环交替条件将严重影响堤坝基地下 水温度的变化幅度和速度，这就是利用地下水温度分析堤坝基渗漏的主要依据。传统的 地下水温度依靠钻孔、水井等通过温度传感器或在基础内埋设大量热敏温度计获得不连 续的温度资料。近年来分布式光钎温度系统被广泛应用。它是通过埋设在建筑物或基础 内的光缆实现对沿程各连续测量点进行实时温度采集，并能对测量点进行空间定位。 1 _ 2 5 2 2 放射性同位素示踪。 1 9 5 7 年德国科学家m o s e r 首次提出采用放射性示踪剂测定含水层渗透流速的稀释 测井法。国外自7 0 年代开始将同位素示踪技术引入坝基渗流场的监测之中。 7 0 年代到8 0 年代的十多年间，测速法已从实验室走向生产实践，世界许多国家都 已成功地用这种方法解决了各种水文地质问题。利用同位素示踪技术探测岩体裂隙网络 渗流的试验开始于德国的w d r o s t 和西班牙的p l a t ab a d a m a r ，他们利用在钻孔中探测 到的垂向流来判定大坝是否存在基岩裂隙渗漏，并应用这种技术解决了水库的渗漏问 题。土耳其的克班坝对其灌浆帷幕进行效果检查时也应用了同位素示踪技术，在沿灌浆 帷幕布置的观测孔中进行了示踪探测，得到了关于水平流、垂向流、渗漏深度等渗流资 料，为灌浆帷幕的处理提供了依据。我国在8 0 年代才实际开始引进相应技术方法，并 发展很快，目前已处于国际领先行列。 1 2 5 3 水文地球化学方法m 卜“3 。 地下水具有天然的物理性质和化学成分，其化学成分的形成是水岩间相互作用的产 物，它包含了地下水的历史以及岩土方面的许多信息，是分析地下水补给排的重要依据。 在堤基渗漏评价时，也可以利用地下水化学成分特征分析堤坝基渗漏的部位、强度等。 1 2 6 渗透性确定方法小结 虽然各种确定岩土体渗透性质的方法各自具有一定特点和适用条件，但是无疑现场 试验方法是最为准确的。 1 3 现场试验方法的比较 堤防的渗漏探测常用的现场试验方法以及各自的特点如下： 1 3 1 地电勘探技术 地电勘探技术主要包括直流电阻率法、激发极化法、自然f 苞场法等。工程中往往采 用其中一种或几种方法的结合，无需钻孔就可达到在原体探测浸润面、集中渗漏通、强 透水砂砾石以及地下水的流向。在洪水期由于水位高，水土作用明显，常用来测定渗漏 险情位置。 大地电阻率探测方法主要根据堤防填筑材料的电导率是否存在异常区来判断堤防 是否存在渗漏隐患。其探测隐患的纵向分辨率一直是一个悬而未决的问题。有人据电法 勘探的理论，推测电法探测洞穴的纵向极限分辨率最多只能探测洞径与埋深之比为1 ： 1 0 的洞，现有的任何电法勘探仪器都不可能突破这一极限。高密度电法也不例外，因为 它与常规电法相比，并无原理上的创新。背景值的大小也是影响探测的纵向分辨率的重 耍因素之一，分辨率跟测点距也与之息息相关。 电法探测其缺点是深向分辨率较低，难以发现深部或体积较小的异常体。自然电位 法虽然可以直接确定地层的渗漏通道，但是该方法针对的是较强的集中渗漏，探测深度 4 第一章绪论 很浅，只能反应松散层的情况，对散浸或渗漏量较小的渗流反映不明显。松散层的渗漏 正常情况很少是集中渗漏，自然电位法能反应出的渗漏，堤防已经处于危险阶段。 激发极化效应是地下介质中所含水溶液在电流作用下产生的电化学极化的结果。通 过观测堤防ip 效应的强弱和衰减的快慢，可分析判断堤防渗漏的部位和规模、形态。 但是，目前就产生ip 效应的机理尚无定论。 地电勘探技术的缺点还有：对于具有几何形状的堤坝探测理论及测试方法还有一些 不尽完善的地方，资料的解释也有待从定性、半定量提高到定量阶段。 建国来，有关单位对堤防隐患电法探测问题的考察、试验和研究工作基本上没有间 断过，历经许多曲折、反复，耗去大量人力物力，取得了一些成果，但均没有重大突破。 因此必须寻找其他更有效的方法。 1 3 2 电磁法探测技术 电磁法探测技术没有插入地下的电极，不受接地电阻变化影响，操作简便迅速，测 量时间短。探测洞穴、裂缝堤防隐患能力方面，瞬变电磁法优于频率域电磁法；而在松 散区隐患探测方面，频率域电磁法显示出优势。电磁法由于受地层介电参数影响，要结 合准确地质情况来分析探测数据。同时，对应具体的地质隐患，该方法无法确定具体的 渗漏是否存在。 1 3 3 弹性波探测技术 很多探测结果表明，当深度小于3 0 m 时，频散曲线与地层弹性界面有较好的对应关 系，可直接推断地层界面，还可以根据异常幅值大小，可判断软弱层的强度性质和大小 范围。但是，该方法若要探测几十米的深度需较大的激发能量，系统的发射探头阵必须 与地面耦合好，否则能量传不下去，无法得到有效的结果。 1 3 4 温度监测技术 温度监测的原理基于坝内渗流的存在必将对热环境产生明显影响，因为水的热传导 系数和比热与岩土不同，岩土中如有渗水其热学参数必然会改变。如果地下水不流动， 这种影响一般很小，而流动的地下水会产生冷却的效果，因此地温相对低的部位有可能 存在流动的地下水。国f 4 ； i - 的研究表明，定期测温既可以监测坝体渗流变化，又可以作 为确定渗流区域的一种手段。该技术的主要缺点是：定点测量的温度测头布设复杂，费 时费力，并且受定点测量的限制，它实际是一种局部监测方法，对数千里的堤坝进行快 速探测一般不易实现。而便携温度测量仪器的稳定性难以保证，常规温度传感器温度漂 移较大，而温度受地质条件的影响也很大，需要结合其它方法综合分析探测结果。 1 3 5 示踪技术 示踪技术是借助示踪剂运移在渗流场中不同部位的不同表现，进而推断其渗流特征 的一种手段。相对于其它探测手段，示踪技术是最直接探测渗流的手段，不需要结合其 它资料，直接测量出地层的渗漏参数。我国很多堤坝和基坑曾应用该技术探测渗流情况。 该技术的主要缺点是：需要在岩体钻孔，同时因为此方法直接测量渗流，所以对渗漏现 象和隐患的原因推断需要通过其它物理现象来解释 篓二生_ 笪笙 1 3 6 c t 技术 该技术7 0 年代末开始在地球物理探测中应用，利用地震波进行地层层析成像，8 0 年代申期开始在水利工程中应用。c t 技术目前主要适合子对混凝土大坝的检测，少见在 土坝特别是江河堤坝隐患探测中实际应用。其缺点是成本高，操作困难，数据解释复杂。 1 4 堤坝渗流探测方法的发展趋势 无论哪种技术，都不是完美无缺的。但是示踪技术由于是对渗流介质一水”进行 直接测量，所以得到的渗流参数最为准确，但是对所得到的结果的解释却处于在完善阶 段。 1 , 4 1 基础理论发展 由于堤坝渗漏以及隐患的复杂性，岩土体物性参数受多种因素的影响，边界条件复 杂，任何探测都很难作出严格的、定量的结论，都需要结合其他多种方法进行验证和定 量分析。 渗漏的间接测试方法如电法、电磁法等都需要对探测数据进行更精确的解释，区分 地质条件的干扰，加强对微弱异常的分析。 直接测渗方法如孔中示踪则要加强数据分析、渗漏的成因分析以及渗流场的地质条 件吻合分析。 理论分析法如流场法的模型过于理想，而对于复杂的岩土体，必须结合现有的地质 资料以及探测数据，建立更真实的渗流场。 综合示踪理论是通过多种手段对渗流参数进行验证、分析解释，最终确定渗流通道 的可靠方法。这种理论目前正处于完善阶段。 1 4 2 探测仪器的发展 探测仪器的采集工作模式主要分为两类：类是串行读取式：另一类是并行读取式。 并行读取的成本很高，一般较少采用。而串行读取在老式仪器中一般采用循环读取，随 着电子芯片的发展，中断读取方式越来越多地被采用。一般说来，快速采集、高速运算、 大存储量、大屏幕彩色显示和多媒体输出是探测仪器的发展趋势。探测仪器在野外可做 到实时采集处理，快速评判渗漏的存在或隐患性质和位置，低水位条件下的渗漏探测以 及为汛期防洪抢险提供现场实测资料。 在仪器设计工艺上，仪器将以小型轻便为主，可充电电池供电，供电以恒流为主， 野外作业为“滚动式”作业。仪器将是多参数、多通道同时采集，开关一般采用全密封 工艺，带屏蔽抗拉电缆，接头有防水工艺处理。测量的数据采集过程中自动寻址。随着 设计成本的增加，现场仪器的抗压、抗震、防水工艺的要求也越来越高。 在与控制主机的通信方面以及控制主机的控制界面设计方面，实时传输数据和资料 的无线数据通讯接口开始被采用，以便必要时进行网络通讯。仪器在保留普通探测器功 能的基础上，仪器自身采集处理能力越来越强，不再需要数据回放：多种传感器的数据 格式得到统一。对数据传输的纠错技术也得到了一定的发展。 6 第一章绪论 1 4 3 分析系统趋势 探测仪器的后处理程序目前尚未得到较好的发展。对测量数据以及地质资料进行联 合分析，以获得工程质量和稳定性进行安全预报目前只处于研究阶段。堤防渗漏探测和 相关资料结合专家系统对堤防安全性评价进行专家系统分析是目前渗漏探测发展的趋 势。 对于探测数据的预处理采用数字滤波提高信噪比，使数据更真实；利用各种算术增 益函数突出重要地层构造。采用图像识别采用诸如模板匹配方法、时间序列建模方法、 不变矩方法、高阶神经网络方法提取描述目标结构的特征，并建立目标特征与目标类别 之间的对应关系。结合多种方法确定岩土体或堤坝的内部结构。数据编辑将重要项目信 息以文件形式永久性存贮，并进行标准数据库管理、录入知识库。数据和结果摆脱数据 报表的古老格式，以项目报告、图形或专家分析报告的方式输出。 1 5 1 本章小结 1 5 本章小结以及本文的主要工作 本章的主要目的和内容是本文研究的必要性、意义。 本章在开头首先对渗漏的现状进行了简单的阐述，讨论了水患危害的严重性和认识 的困难，所以必须采取手段来研究岩土体的渗透性质： 其次从岩土体的性质来讨论了渗漏产生危害的本质以及根源，强调了岩土体的渗透 性质是对洪水灾害的根本决定因素； 再次叙述了目前对岩土体渗透性质的获取方法及手段，强调现场试验的重要性； 然后介绍了各种渗漏或者隐患探测的现场试验方法；叙述了各种探测方法的特点， 同时对各种探测方法的优缺点进行对比分析。介绍了孔中测渗方法以及示踪方法直接测 量渗流参数的重要性： 最后，对各种探测方法的发展趋势进行了统一阐述。 1 5 2 本文的主要工作 ( 1 ) 在前人研究的基础上，系统地阐述了获取岩土体渗透参数的重要性，总结了各种渗 透性确定方法的优缺点，提出了自己对各种岩体渗透测试方法的评价； ( 2 ) 建立孔中渗流探测模型。利用示踪技术，对地层的渗透性进行探测和理论分析。研究 多含水层情况下的孔中测渗公式较准确的形式。研究均匀介质断面渗流量的计算方法。 对测量过程中误差的各种来源进行分柝，讨论误差对测量结果的影响，针对放射性示踪 剂，研究其半衰期误差的规律； ( 3 ) 结合研究的渗流探测模型，设计一种可行的测量仪器，仪器的传感器件以及机械、 电子等器件及功能的设计均要满足理论研究的需要，能够获取足够的参数，而测量的结 果满足稳定性、可靠性； ( 1 ) 针对渗流模型以及探测仪器，研究对应的数据处理软件和分析软件，功能要求能够 对探测仪器的所有数据能够识别、计算，同时对计算结果进行分析，以良好的人机界面 进行交互； ( 5 ) 将所建立的模型以及设计的探测仪器与软件系统测试，对测试的结果进行分析研究。 第二章孔中测治理论研究 第二章孔中测渗方法研究 所有的渗透性确定方法中，不同于其它用测量出的地层隐患一地质缺陷一来“推测” 渗漏存在可能的电法或电磁法等方法，示踪方法对渗流的测量最为直接，所得到的数据 最准确。所以，示踪方法的研究在国内外一直没有停止。 2 1 孔中测渗理论概述 示踪法对渗流场的测定涉及到多含水层地下水系统，目前主要理论基础是裘布依与 泰斯分别于1 9 0 6 年和1 9 3 5 年提出的稳定流和非稳定流抽水试验。对于该理论与方法， 以色列著名地下水水力学专家j b e a r 在多孔介质流体动力学中有较为深入的论述。 孔中渗流测量一般分单孔测量与多孔测量，由于坝体或地层的渗流速度较地表水流 速小几个甚至十几个数量级，无法直接动态获得，最普遍的孔中测渗方法是单孔稀释法 测量和多孔示踪测速。单孔稀释法测定的是地下水的渗透流速，多孔示踪测速法测定的 是平均实际流速，或通常称为平均孔隙流速。一般工程中，单孔稀释法比较普遍、易行。 无论哪种方法，都不是完美无缺的，示踪方法也不例外，陈建生教授首先提出综合 示踪理论，力图用多种方法交互验证来保证数据结果以及解释的准确与合理性。 2 1 1 地下水渗流的基本概念 地下水在含水层中的运动速度概念常用的有渗透速度、实际速度。 地下水实际流速则是水流在含水层孔隙中的真实流动速度。如图2 1 所示，孔隙中 的真实水流路径是十分复杂的。由于孔隙的大小形状不同，水流所受阻力有差别，故水 流在含水层中不同位置的实际流速是不等的，也是难以测定的。 ( 。产面积j 州1 _ i l d 2 ( b ) 形 图2 1 流速的概念 由于实际流速的意义不大，而且极其复杂，所以工程中一般采用渗透流速。对于过 水断面爿，渗透流速可由下式表式 _=号(2-1) 其中妫通过断面a 的流量。 篷三兰垦! 塑望墨笙堡茎 在定量计算中常用地下水渗透流速来反推实际流速： 。：堡 n 式中刀为孔隙率。 2 1 2 单孔稀释法1 3 7 1 1 3 8 l 如果将一定量的示踪剂投放到钻孔中，假定选取的示踪剂和地下水的性质不同而又 随着地下水一起运动，同时示踪剂在水中的浓度是可以测量的。随着地下水的渗流，钻 孔中的示踪剂被补给到钻孔中的“新鲜水”稀释，从而浓度降低，显然示踪剂浓度降低 的速度与地下水渗透流速有关，测量出示踪剂浓度的变化，根据一定关系可以求出渗透 流速。由于这种方法投放示踪剂和观测其浓度变化都在同一孔中进行，渗透流速的计算 也只需要单孑l 的数据，所有通常称为单孔稀释法。 以下是稀释定理的推导过程。 设示踪剂稳定，即同位索的半衰期与试验时间相比长得多；示踪剂在稀释水柱内， 从试验丌始和延续过程中均匀混合：滤水管的轴线与含水层整个厚度中的水流流线正 交；通过滤水管的水平流连续均匀稳定；无垂直水流的干扰，则该段稀释水柱内的示踪 剂是被水平流过滤水管的地下水量稀释。示踪剂浓度的递减可用下述基本方程式表式： c = c 。p 一” ( 2 3 ) 式中， r 一时间t = - o 时示踪剂浓度； p _ f 时间f 时示踪剂浓度； 助系数。 在本假设条件下，曰为常数，即口：垒，q 为单位时间流经井的水量，即q = 2 圪； v 矿为井内稀释水柱体积，即 v = 积2 h( 2 - - 4 ) 为滤水管内半径，h 为稀释水柱高度，圪为流经井的流速。因此： b ：2 r l h v ：丝 ( 2 5 ) 册：2 h瑞 又因为圪= 口以，式中a 因滤水管在含水层中的存在引起的流场畸变的校正系 数。n 为渗透速度，即含水层中达西渗透速度，所以： b ：2 a v i 忍 即 _ = 旦2 m l 每 式( 4 9 ) 即为单孔稀释指数定律，或渗透速度的计算公式。 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章孔中测渗理论研究 2 1 3 单孔中的垂向流 当钻孔的轴线与地下水流线不相垂直时，或者当一个钻孔揭穿承压含水层时，由于 各含水层的渗透压力差异，将产生越流补给，在钻孔中表现为垂向水流。 如图2 2 所示，对于渗流层面倾斜的地层，由于钻孔的揭露，在钻孑l 周围流线和等 热线产生畸变，结果在滤水管上部流入量大于流出量，而在下部，流出量大于流入量。 这样便产生垂向水流，滤水管中地下水最大流速与含水层渗透流速的关系如下 ( k r o t z ，s c h m a r ，1 9 6 6 ：b e r g m a n n ，1 9 7 0 ) ： 矿，：堡婴鱼：f 2 - 8 ) i f ( g ) s i n 8 、? ， 式中，艿= l ： 爿 ，一滤水管中最大垂向流速； 卢滤水管与等势线的交角； f ( 6 ) 当g = o 1 、鼬。f ( 6 ) 一q 5 ； 发生垂向水流的滤水管高度。 等 图2 2 水流渗过滤水管的垂直剖面流网 图2 - - 3曲线流场中的滤水管 在有些情况下流线是曲线形，随着流线向滤水管倾斜状况的不同，可发生向上或向 下的垂向水流( 图2 3 ) 。 如果地下水流受注水或抽水的干扰，滤水管便构成流场的源或汇。当承压水通过井 流入另一含水层时，便属于此类情况；在这种条件下：源或汇的强度是流线密集程度的 函数，因而与渗透流速成正比( p o l u b a r i n o v a ，1 9 6 2 ) ： v：丝一r1(2-9) 7 a hb 式中，竺包在4 臆水管高度上垂向流量的变化： 日 6 含水层中源或汇流场的宽度。 渗流的口角和流场宽度6 通常是未知的。因此，常用的做法是在钻孔中使用可以隔 离滤水管限制填砾部分的垂向水流( k a u f m a n n 和t o d d ，1 9 6 2 ；k r a t z ，s c h m a r 和 l u c k n e r 。1 9 6 6 ：g e b h e r d t ，1 9 7 1 ) ，使流线的形态符合稀释定理的假定。 o 蔓三童塾主型望里量婴壅 对于经典的稀释法测量，为了避免钻孔中的垂向水流，在测量过程中将测量段用栓 塞隔离封闭，同时在上下栓塞中各安装一个探测器以监测滤水管外部可能发生的垂向水 流( d r o s t ，1 9 7 2 ) 。 如果不用上述方法避免垂向流，一般认为，只有当垂向流量和水平流量相比微不足 道时，才可以用稀释法测量渗透流速。但是，因为测量水柱的垂直高度经常远大于水平 宽度，所以，即使垂向流速昨与水平渗速”为同一数量级时，对测定k 也不会产生显著影 响( d r o s t 等，1 9 6 8 ) 。 2 , 1 4 单孔稀释法测定流向 单孔中的流向测量只能采用放射性示踪剂。投入钻孔中的放射性示踪剂将主要沿着 水流方向以一定的流散角被地下水带出n 孑l # b 的含水层中去。流散角与流速、含水层结 构和颗粒粒径等有关。漂移到含水层中的示踪剂放射性晕反射回来的放射性强度在孔内 各不相同，最强的方向与地下水流出滤水管的方向相对应，最弱的方向与流入滤水管的 方向相对应。这就可根据对孔周测得的计数率确定地下水的流向。m a i r h o f e r ( 1 9 8 6 ) 、 d k l o t z 、s c h m a r 和k i c h t e r ( 1 9 6 3 ) 曾先后叙述了这种方法。随后b o r o w a z y k 等( 1 9 6 4 ) 在 波兰用这种方法解决野外问题。近来的研究涉及测量装置和示踪剂的选择。常用的测量 装置是瞄准闪烁计数器，测得各方向的计数率，按比例作成图( 图2 4 ) 即可以求得地 下水的流向。 2 1 4 综合示踪理论 w h 3 5 5 蕊习 么3 s 图2 4 同位素测定流向示意图 e 为了保证测量结果的准确性，一般采用综合示踪理论，用多种方法相互验证。同位 索综合示踪测试的技术路线图如下。 第二章孔中测渗理论研究 图2 - - 5 综合示踪方法技术路线图 2 2 垂向流影响下的渗透流速测量 由于采用栓塞的设备的使用很不方便，操作复杂，而且不能够完全隔绝垂向流，所 以，以陈建生等人一直在研究考虑垂向流影响的渗流测试理论 2 2 1 广义稀释公式 经典的单孑l 稀释定理只适用于无垂直水流干扰的情况，稀释水柱内的示踪剂仅被水 平流过滤水管的地下水量稀释。陈建生教授潜心研究，提出了同时考虑水量和垂向查鎏 的广义稀释公式，即当被测含水层中存在垂向流干扰时，仍可以考虑全孔标记示踪剂进 第二章孔中测渗理论研究 h b _ 曲 一 笙 。l v 图2 6 广义稀释公式推导图示 假设：( 1 ) 将全孔标记示踪剂的含水层高度为h 的稀释柱等厚分割成n 个薄层单元柱，并 连续探测包括a 、b 两点在内的示踪剂的浓度变化，及a 、b 两点的垂向流速v 。和矿。； ( 2 ) 每个薄层单元柱内各点的示踪剂浓度均匀，其体积为a q ，示踪剂质量为m 。 考察某薄层单元柱，任意时刻、任意薄层单元柱内均有： 塑；一堕 ( 2 1 0 ) a m d m 各式颠倒分子和分母并相加，则得： 翌堕 a q由 因为 m = m ， n q = q 所以 虿m = 一等( 2 - - 1 3 ) 因为 g = 2 r 日x v 。tq = 万2 陋+ t q r 一v b ) 】 其中t 为垂向水流从a 流到b 所经历的时间 n 等2 端2 蕊7 y o d t ih ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 忙弧殍嘻季7 0 嘲k 等 ( 2 _ 1 6 ) 当孔中不存在垂向水流或矿。= 矿。时，式( 2 1 6 ) 转化为精度稀释公式，式( 2 1 6 ) 即为广义稀释公式。它向人们提供了在存在垂向水流这一普遍情形下水平渗透流速的计 ) ) 1 2 1 1 一 一 o 2 ( ( 丝三量 垫主型望里笙竺壅 2 2 2 垂向流的测量 垂向流的测量一般采用峰值法或累计法，其示意图如下： 图2 - - 7 峰值法测定垂向流原理 图2 - - 8 确定滤管内垂向流量装置( f i k 1 9 6 8 ) 峰值法即将四支串联探头放置在井中被测井段，投源器在探头的中部仪表分别记录 各探测器在不同时刻的计数率变化值。假设垂向流向上，可得到如图4 9 n 示的变化曲 线，找出两条曲线的峰值所对应的时间差值4 ，设两探头之间的距离为z s h , 则垂向流 速吒为： 矿：坐 ” 丁 于是通过钻孔断面的水流量为： q = 厅( ，2 一2 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) 式中，、，t 分别为钻孔和探头半径。 累计法则是通过示踪剂通过滤水管中各测点的浓度一时间积分( 累计法) ( h m o s e r 等，1 9 6 3 ；w d r o s t 等，1 9 6 8 ) 来求得垂向流量，进而求得垂向流速。 各测点示踪列的浓度一对间积分为 上c ( t ) d t 。旁 ( 2 1 9 ) 式中，劝示踪剂放射性的活度。 如果将上式写为： f c ( o a t = 芸 式中，伪总计数，f 为测量系统灵敏度，则 qv-百ge(2-20) 即垂向流量q 与总计数n 成反比。 用峰值法确定垂向流量时，不考虑滤水管中两个测点间地下水的水平交替；而在应 片j 累计法时，只要示踪剂不流出滤水管，便可在测点上直接测得流量。总计数下降，则 说明测点之间的井中水柱与含水层发生了水量交换。 4 第二章孔中测渗理论研究 2 2 3 垂向流干扰下的渗透流速计算 前文已经叙述过，钻孔中的垂向流是常见的，而且是无法完全避免的。一般说来， 垂向流速的数量级只要不超过水平流速的数量级就可以完全忽略垂向流的干扰，直接计 算水平流速。当垂向流速不可忽略时，采用栓塞限制垂向流的产生，或者测量出垂向流 速，利用陈建生的广义稀释公式计算水平流速。但是，栓塞的采用固然复杂而且不能够 完全限制垂向流，广义稀释公式的条件在实际测量中也很难实现。般无论是峰值法还 是累计法，由于水平流和垂向流的相互干扰，无法精确得到广义稀释公式所需要的垂向 流速精度，而且广义稀释公式在形式上比较复杂，现场计算的时间花费较大。笔者根据 数十个工程测量的经验，总结出垂向流条件下的经验公式，形式简单，使用方便，而且 和其它方法得到的结果近似。 2 2 3 1 大垂向流情况 对应于较大的垂向流速，由于水的不可压缩性，被示踪剂标记的水柱被水流整体带 动，在测量曲线上表现如下： 图2 - 9 垂向流影响下的测量曲线 此时由于垂向流流速较大，被示踪剂标记的水柱来不及和新鲜水流混和或者可以忽 略忽略，在浓度曲线上体现出曲线的半高宽基本不变，则实际上垂向流的干扰可以在计 算上忽略。此时，渗透流速只能够计算出整个测量段的平均渗透流速： v ，：旦1 n 旦( 2 - - 2 1 ) 。 2 a tc 公式形式没有发生变化，c 。和c 的意义为两次曲线的峰值浓度。 2 2 3 1 小垂向流情况 当垂向流速度较小而又不可以忽略时，被示踪剂标记的水柱被垂向的水稀释，同时 向垂向流方向运动。具体表现类似于下图2 1 0 的曲线。垂向流影响的峰值曲线半高宽 发生明显的变化。此时，既要考虑水平向的稀释作用，又要考虑竖向稀释作用。类似于 j 一义稀释公式的推导过程。 第二章孔中测溶理论研究 一n 3 2 0 0 4 一i 0 2 42 0 ：1 5 ：0 8 一n 4 2 0 0 4 1 0 - 2 42 1 ：1 4 ：4 2 八 、厂一 if 弋一 一 图2 1 0 小垂向流下的测量曲线实例 将整个测试段看作一个整体，假定测量间隔均匀，采用整段累加，测试段内的示踪 剂总量为： = ， m 为段内每个测试点代表的示踪剂量。 ( 2 2 2 ) 由于稀释定理考虑浓度的变化比例，而与具体水柱体积无关，而水平流假定是层流 的，垂向流假定在钻孔外不发生，所以对于任意长度的水柱，即任意长度测试段，其渗 透流速的计算公式形式不变，公式内的浓度值采用累加的示踪剂总量计算的平均浓度， 就可以计算出测试段的平均水平流速。 2 3 单孔稀释法的误差分析 滤水管中示踪剂浓度的降低，不仅取决于透过滤管的渗透流量的影响，还与浓度及 温度差异引起的密度 流( d e n s i t yc u r r e n t ) 、分子扩散、滤水管中地下水的垂向运动， 以及试验过程中的人工搅拌有关。此外，还应考虑浓差渗透(