第三章-水文地质试验

第三章水文地质试验,吉林大学环境与资源学院地下水科学与工程系梁秀娟水工楼207,3.1野外抽水试验的任务及布置,一、抽水试验的目的、任务,（1）直接测定含水层的富水程度和评价井（孔）的出水能力；（2）抽水试验是确定含水层水文地质参数（、*、a）的主要方法；（3）为取水工程设计提供所需水文地质数据，如单井出水量、单位出水量、井间干扰系数等，并可根据水位降深和涌水量选择水泵型号；（4）通过抽水试验，可直接评价水源地的可（允许）开采量；（5）可以通过抽水试验查明某些其它手段难以查明的水文地质条件，如地表水与地下水之间及含水层之间的水力联系，以及边界性质和强径流带位置等,图31山东莱芜某岩溶水源地抽水条件下地下水流场图1抽水孔组；2泉水，抽水试验后期干枯；3结晶灰岩、灰岩和白云质灰岩（含水组）；4燕山期闪长岩；5抽水试验前的地下水等水位线（m）；6抽水试验水位稳定时的地下水等水位线；7压性断层，抽水条件下为阻水断层；8张扭性断层，抽水条件下，F3为阻水断层，F4为透水断层；9地下水流向,F1,F2,F3,F4,5,3f-O1,图32吉林省长岭县城北郊新第三系泰康组含水层抽水钻孔水位降深等值线示意图,二抽水试验的分类,三、各种抽水试验方法的应用,抽水试验的目的主要是获取含水层具代表性的水文地质参数和富水性指标一般选用单孔抽水试验。需要取得含水层渗透系数和涌水量时，一般多选用稳定流抽水试验；需要获得渗透系数、导水系数、释水系数及越流系数等更多的水文地质参数时，须选用非稳定流的抽水试验方法。已有观测孔不能满足要求时，则需开凿专门水位观测孔。在专门性地下水资源调查的详勘阶段，为获得开采孔群（组）设计所需水文地质参数（如影响半径、井间干扰系数等）和水源地允许开采量（或矿区排水量）时，则须选用多孔干扰抽水试验。当设计开采量（或排水量）远小于地下水补给量时，可选用稳定流的抽水试验方法；反之，则选用非稳定流的抽水试验方法。,四、抽水孔和观测孔的布置要求,为求取水文地质参数的抽水孔：一般应远离含水层边界，布置在含水层的导水及贮水性质、补给条件、厚度和岩性条件等有代表性的地方；探采结合的抽水井：要求布置在含水层（带）富水性较好或计划布置生产水井的位置上；查明含水层边界性质、边界补给量的抽水孔：应布置在靠近边界的地方。在布置带观测孔的抽水井时，尽量利用已有水井作为观测孔。抽水孔附近不应有其它正在使用的生产水井或其它与地下水有联系的排灌工程。抽水井附近应有较好的排水条件，抽出的水能无渗漏地排到抽水孔影响半径区以外。,五、水位观测孔的布置要求,（1）为求取含水层水文地质参数的观测孔：应和抽水主孔组成观测线，所求参数应具有代表性。均质各向同性、水力坡度较小的含水层：在与地下水流向垂直方向上布置一条观测线。均质各向同性、水力坡度较大的含水层：垂直地下水流向布一条观测线，在上、下游方向上各布一条观测线。均质各向异性的含水层：水位观测线应沿着不同贮、导水性质的方向布置。观测孔数目：只为求参数，1个即可；提高参数的精度则需2个以上；欲绘制漏斗剖面，则需23个。观测孔距主孔距离：愈近主孔距离应愈小，愈远离主孔距离应愈大；第一个观测孔距主孔的距离一般应约等于含水层的厚度；最远的观测孔，要求观测到的水位降深应大于20cm；相邻观测孔距离，亦应保证两孔的水位差必须大于20cm。,（2）查明含水层的边界性质和位置观测线应通过主孔、垂直于欲查明的边界布置，并应在边界两侧附近都要布置观测孔。（3）建立地下水流数值模拟模型应将观测孔比较均匀地布置在计算区域内，以便能控制整个流场的变化和边界上的水位和流量，应考虑每个参数分区内都要观测孔，便于流场拟合。（4）查明垂向含水层之间的水力联系应在同一观测线上布置分层的水位观测孔。（5）观测孔深度要求揭穿含水层，至少深入含水层1015m。,3.2抽水试验的主要技术要求,一、稳定流单孔抽水试验的主要技术要求,1.水位降深三次不同水位降深的抽水对松散孔隙含水层，抽水水位降深的次序可由小到大进行；对于裂隙含水层，抽水降深次序可由大到小进行。最大水位降深值（Smax）的选择：潜水含水层，Smax（1/31/2）H，H为潜水含水层厚度承压含水层，Smax承压含水层顶板以上的水头高度。当进行三次不同水位降深抽水试验时，其余两次试验的水位降深，应分别等于最大水位降深值的1/3和1/2。当Smax降深值不太大时，相邻两次水位降深之间的水头差值也不应小于lm。,2.抽水试验流量的设计,由于水井流量的大小主要取决于水位降深的大小，因此一般以求得水文地质参数为主要目的的抽水试验，勿须专门提出抽水流量的要求。但为保证达到试验规定的水位降深，试验进行前仍应对最大水位降深时对应的出水量有所了解，以便选择适合的水泵。其最大出水量，可根据同一含水层中已有水井的出水量推测，或根据含水层的经验渗透系数值和设计水位降深值估算，也可根据洗井时的水量来确定。欲作为生产水井使用的抽水试验钻孔，其抽水试验的流量最好能和需水量一致。,3.抽水试验稳定状态的确定抽水孔和观测孔水位或流量无微小而有趋势性的变化。抽水试验地段水位虽出现匀速的缓慢下降，其下降的速度又与受抽水影响地段的含水层水位的天然下降速度基本相同，则可认为抽水试验已达到稳定状态。,4.水位降深和流量观测时间要求,（1）水位和流量观测时间的总要求抽水主孔的水位和流量与观测孔的水位，应同时进行观测。水位和流量的观测时间间隔，应由密到疏，停抽后还应进行恢复水位的观测，直到水位的日变幅接近天然状态为止。（2）稳定后延续时间的要求稳定延续时间须从抽水孔的水位和流量均达到稳定后起算；抽水试验的目的仅为获得含水层的水文地质参数，水位和流量的稳定延续时间达到24h即可；抽水试验的目的，确定出水井的出水能力，则水位和流量的稳定延续时间至少应达到4872h或者更长。当抽水试验带有专门的水位观测孔时，距主孔最远的水位观测孔的水位稳定延续时间应不少于24h。,二、非稳定流抽水试验的主要技术要求,1.对抽水流量值的选择要求在定流量的非稳定流抽水中，水位降深是一个变量，故不必提出一定的要求，而对抽水流量值的确定则是重要的。在确定抽水流量值时，应考虑两种情况：对于主要目的在于求得水文地质参数的抽水试验，选定抽水流量时只需考虑：对该流量抽水到抽水试验结束时，抽水井中的水位降深不致超过所用水泵的吸程；对于探采结合的抽水井，可考虑按投计需水量或按设计需水量的1/31/2的强度来确定抽水量；可参考勘探井洗井时的水位降深和出水量来确定抽水流量。,2.对抽水流量和水位的观测要求,当进行定流量的非稳定流抽水时，要求抽水量从自始至终均保持定值，而不只是在参数计算取值段的流量为定值。对定降深抽水的水位定值要求亦如此。同稳定流抽水试验要求一样，流量和水位观测应同时进行；观测的时间间隔应比稳定流抽水小；抽水停抽后恢复水位的观测，应一直进行到恢复水位变幅接近天然水位变幅时为止。由于利用恢复水位资料计算的水文地质参数，常比利用抽水观测资料求得的可靠，故非稳定流抽水恢复水位观测工作，更有重要意义,3.抽水试验延续时间的要求,(1)求含水层的水文地质参数只要水位降深（s）时间对数（lgt）曲线的形态比较固定和能够明显地反映出含水层的边界性质即可停抽。从参数计算的结果考虑，以求参为目的的非稳定流抽水试验的延续时间，一般不必超过24h.用配线法和直线图解法求解参数。则要求slgt曲线的直线段至少能延续2个以分钟为单位的对数周期，故总的抽水延续时间达到3个对数周期，即达1000min。如有多个水位观测孔，则要求每个观测孔的水位资料均符合此要求。用拐点法计算参数，抽水至少应延续到能可靠判定拐点（smax）为止。利用稳定状态时段的资料，则水位稳定段的延续时间应符合稳定流抽水试验稳定延续时间的要求。,(2)确定水井的涌水量试验延续时间应尽可能长一些，最好能从含水层的枯水期末期开始，一直抽到雨季初期；或抽水试验至少进行到slgt曲线能可靠地反映出含水层边界性质为止。如为定水头补给边界，抽水试验应延续到水位进入稳定状态后的一段时间为止；有隔水边界时，Slgt曲线的斜率应出现明显增大段；当无限边界时，Slgt曲线应在抽水期内出现匀速的下降。,三、大型群孔干扰抽水试验的主要技术要求,（1）大型群孔干扰抽水试验的抽水量（2）对大型群孔干扰抽水试验水位降深的要求（3）抽水试验类型（4）抽水时间安排（5）抽水延续时间,3.3抽水试验资料的整理,一、现场资料整理目的,及时掌握抽水试验是否按要求正常地进行，水位和流量的观测成果是否有异常或错误，并分析异常或错误现象出现的原因。通过所绘制的各种水位、流量与时间关系曲线及其与典型关系曲线的对比，判断实际抽水曲线是否达到水文地质参数计算的要求，并决定抽水试验是否需要缩短、延长或终止。,二、稳定流抽水试验现场资料整理的要求,绘制出Qt和St曲线，Qt、St曲线可及时帮助我们了解抽水试验是否正常；绘制出QS和qS关系曲线。QS和qS曲线则可帮助我们了解曲线形态是否正确地反映了含水层的类型和边界性质，检验试验是否有人为错误,图44抽水试验的QS曲线,曲线I表示承压井流（或含水层厚度很大、降深相对较小的潜水井流）；曲线表示潜水或承压转无压的井流（或为三维流、紊流影响下的承压井流）；曲线表示从某一降深值起，涌水量随降深的加大而增加很少；曲线表明补给衰竭或水流受阻，随S加大Q反而减少；曲线V通常表明试验有错误，但也可能反映在抽水过程中，原来被堵塞的裂隙、岩溶通道被突然疏通等情况的出现。,图45抽水试验的qS曲线,三、非稳定流抽水试验现场资料整理要求,编绘的是Slgt或lgSlgt曲线；当水位观测孔较多时，需编绘Slgr或Slgt/r2曲线；对于恢复水位观测资料，需编绘出和曲线。其中，S为剩余水位降深，S*为水位回升高度，tp为抽水主井停抽时间，t为从主井停抽后起算的水位恢复时间，t为从抽水试验开始至水位恢复到某一高度的时间。,四、群孔干扰抽水试验现场资料整理的要求,编绘出各抽水孔和观测孔的St（对稳定流抽水试验）、Slgt（对非稳定流抽水试验）曲线和各抽水孔流量、群孔总流量过程曲线编绘试验区抽水开始前的初始等水位线图、不同抽水时刻的等水位线图、不同方向的水位下降漏斗剖面图及水位恢复阶段的等水位线图有时还需编制某一时刻的等降深图。,3.4其它水文地质野外试验,一、渗水试验,渗水试验是一种在野外现场测定包气带土层垂向渗透系数的简易方法，在研究大气降水、灌溉水、渠水、暂时性表流等对地下水的补给时，常需进行此种试验。试验方法：在试验层中开挖一个截面积约0.30.5m2的方形或圆形试坑，不断将水注入坑中，并使坑底的水层厚度保持一定（一般为10cm厚），当单位时间注入水量（即包气带岩层的渗透流量）保持稳定时，则可根据达西渗透定律计算出包气带土层的渗透系数，,图46试坑渗水试验示意图,式中：Q稳定渗透流量，即注入水量；V渗透水流速度；W渗水坑的底面积；I垂向水力坡度，即：,Hk-包气带土层的毛细上升高度（m），可测定或用经验数据；Z-渗水坑内水层厚度（m）；I-水从坑底向下渗入的深度,m可通过试验前在试坑外侧、试验后在坑中钻孔取土样测定其不同深度的含水量变化，经对比后确定。,但在通常情况下，当渗入水到达潜水面后，Hk则等于零。又因Z远远小于l，故水力坡度值近似等于l（I1），于是有：,说明：在上述基本合理的假定条件下，包气带土层的垂向渗透系数（K），实际上就等于试坑底单位面积上的渗透流量（单位面积注入水量），也等于渗入水在包气带土层中的渗透速度（V）。一般要求在试验现场及时绘制出V随时间的过程曲线，其稳定后的V值即为包气带土层的渗透系数（K）。,图47渗透速度与时间关系曲线图（据查依林）,由于直接从试坑中渗水，未考虑注入水向试坑以外土层中侧向渗入的影响（使渗透断面加大，单位面积入渗量增加），故所求得的K值常常偏大。为克服此种侧向渗水的影响，目前多采用双环渗水试验装置，内外环间水体下渗所形成的环状水围幕即可阻止内环水的侧向渗透。渗水试验方法的最大缺陷是，水体下渗时常常不能完全排出岩层中的空气，这对试验必然产生影响。,图48双环法试坑渗水试验装置图1内环（直径0.25m）；2外环（直径0.5m）；3自动补充水瓶；4水量标尺,二、钻孔注水试验,当钻孔中地下水位埋藏很深或试验层为透水不含水时，可用注水试验代替抽水试验，近似地测定该岩层的渗透系数。在研究地下水人工补给或废水地下处置的效率时，也需进行钻孔注水试验。注水试验形成的流场图像，正好和抽水试验相反。抽水试验是在含水层天然水位以下形成上大、下小的正向疏干漏斗；而注水试验则是在地下水天然水位以上形成反向的充水漏斗。,潜水注水井示意剖面图,对于常用的稳定流注水试验。其渗透系数计算公式的建立过程与抽水井的裘布依K值计算公式原理相似。其不同点仅是注入水的运动方向和抽水井中地下水运动方向相反，故水力坡度为负值。对于潜水完整注水井，其注（涌）水量公式为：对于承压完整注水井，其注（涌）水量公式为：,注水试验时可向井内定流量注水，抬高井中水位，待水位稳定并延续到一定时间后，可停止注水，观测恢复水位。稳定后延续时间要求与抽水试验相同。由于注水试验常常是在不具备抽水试验条件下进行的，故注水井在钻进结束后，一般都难以进行洗井（孔内无水或未准备洗井设备）。因此，用注水试验方法求得的岩层渗透系数往往比抽水试验求的小得多。,三、连通试验,连通试验实质上也是一种示踪试验，