第四章 水文地质试验

第四章水文地质试验水文地质试验分：野外试验和室内试验。野外试验有：抽水试验、注水试验、渗水试验、流速和流向的测定、连通试验、示踪试验、弥散试验等。水文地质试验是获取含水层参数的主要手段。第一节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（K、T、μ、μ*、K'/m'、a）的主要方法；（3）抽水试验可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）研究水力联系（地表水与地下水之间、含水层之间的水力联系，边界性质、位置，以及地下水补给通道和强径流带位置）。（6）进行开采模数和疏干模拟。第二节抽水试验的分类1.按所依据的井流理论，可分为稳定流抽水试验和非稳定流抽水试验。稳定流抽水试验，要求流量和水位降深都是相对稳定的。可以查明的问题：（1）确定含水层的水文地质参数（K、T）；（2）确定单井的涌水量和单位涌水量；（3）研究含水层之间及含水层与地表水之间的水力联系；（4）研究含水层（或含水体）边界位置及性质；（5）确定水井的Q-S曲线类型。非稳定流抽水试验，要求流量和水位其中一个稳定。可以查明的问题：（1）确定含水层和越流层的水文地质参数；（2）确定单井的涌水量和单位涌水量；（3）研究含水层之间及含水层与地表水之间的水力联系；（4）研究含水层（或含水体）边界位置及性质；（5）群孔非稳定流抽水，可研究地下水补给通道和强径流带位置；（6）群孔非稳定流抽水，可进行开采或疏干模拟。2.按抽水试验时所用井孔多少，可分为单孔、群孔和开采性抽水试验。单孔抽水试验，只在一个抽水孔中进行的不带或带观测孔的抽水试验。可以查明的问题：（1）确定含水层和越流层的水文地质参数；（2）确定单井的涌水量和单位涌水量；（3）研究含水层之间及含水层与地表水之间的水力联系；（4）研究含水层（或含水体）边界位置及性质。群孔抽水试验，两个或两个以上的抽水孔同时抽水，各孔的水位和水量有明显相互影响的抽水试验。可以查明的问题：（1）研究含水层之间及含水层与地表水之间的水力联系；（2）研究含水层（或含水体）边界位置及性质；（3）研究地下水补给通道和强径流带位置；（4）求取水工程的干扰出水量；（5）求井间干扰系数和合理井距。开采性抽水试验，按开采条件或接近开采条件要求进行的抽水试验。可以查明的问题：（1）研究含水层之间及含水层与地表水之间的水力联系；（2）研究含水层（或含水体）边界位置及性质；（3）研究地下水补给通道和强径流带位置；（4）进行开采模数和疏干模拟。（5）求水源地允许开采量；（6）暴露和查明水文地质条件；（7）建立地下水流模拟模型。3.按试验段所包含的含水层情况，可分为分层、混合抽水试验。分层抽水试验，在单个含水层中进行抽水的试验，求单个含水层的水文地质参数。混合抽水试验，在多个含水层中进行抽水的试验，求多个含水层综合的水文地质参数。第三节抽水孔和观测孔的布置要求一、抽水孔的布置要求抽水孔的布置应根据勘察阶段、抽水试验的任务和目的、水文地质条件和地下水资源评价方法等因素确定。1.考虑勘察阶段的要求详查阶段，在可能富水的地段均宜布置抽水孔。勘探阶段，在含水层（带）富水性较好和拟建取水构筑物的地段均宜布置抽水孔。抽水孔占勘探孔（不包括观测孔）总数的百分比（%）宜不少下表的规定。2.考虑抽水试验的任务和目的的要求（1）为求取水文地质参数，抽水孔应远离含水层的边界，应布置在含水层的导水系数及贮水性质、补给条件、厚度和岩性条件等有代表性的地方。（2）对于探采结合的抽水井，要求布置在富水性较好或计划布置生产井的位置上。（3）为了查明边界性质、边界补给量，抽水孔应布置在靠近边界的地方。3.考虑水文地质条件的要求一般在水文地质条件较好的地段布置的密一些。4.考虑地下水资源评价方法的要求均衡法，主要是确定各个边界流入均衡域的水量及参数，抽水孔布置在边界附近。数值法，除确定边界参数外，还要求确定模型参数，既要在边界上布置，也要在内部区域上布置，同时要关注到群抽的主抽水区。5.其它方面的考虑（1）抽水井离现有水井近一些，以便利用现有井做观测孔。（2）抽水井附近不应有其它开采井和排灌工程。（3）抽水井附近要有较好的排水条件。二、水位观测孔的布置要求（一）布置抽水试验水位观测孔的意义1.利用观测孔的水位观测数据，可以提高井流公式所计算出的水文地质参数的精度。（1）观测孔中的水位不受抽水孔水跃值和抽水孔附近三维流的影响；（2）观测孔水位波动小，精度较高；（3）有观测孔时，求参精度高，可避开未知R的影响。2.利用观测孔的水位，可用多种方法求参数。如稳定流，非稳定流（配线法、直线图解法）。3.利用多个观测孔水位，可绘制出抽水的人工流场图，判断边界位置和性质，径流带等水文地质条件。（二）水位观测孔的布置原则1.求水文地质参数的观测孔布置（1）均质各向同性、水力坡度较小的含水层，其抽水降落漏斗的平面形状大体为圆形，因此在与地下水流向的垂直方向上布置一条观测线即可。（2）均质各向同性、水力坡度较大的含水层，抽水一般形成椭圆形降落漏斗，因此除垂直地下水流向布置一条观测线外，还应在上、下游平行地下水流向各布置一条观测线。（3）均质各向异性含水层，应沿两个主渗透方向布置观测线。每条观测线上观测孔个数取决于试验目的和所采用的计算公式。（4）观测孔数目的要求，若只为求参数，布1个观测孔即可；为提高参数的精度则需2个以上；如欲绘制降落漏斗形状，则每条观测线上需布2～3个观测孔。（5）观测孔距主孔的距离接近主孔，观测孔间距应小，远离主孔，观测孔距离应大。第一观测孔距主孔的距离一般应约等于含水层的厚度，至少应大于10m。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，亦应保留两孔的水位差必须大于20cm。2.当抽水试验的目的是查明含水层的边界性质时，观测线应垂直边界布置，在边界两侧都要布置观测孔。3.为地下水流数值模拟而进行的大型抽水试验，应将观测孔比较均匀地布置在评价区域内，以便能控制整个流场的变化及边界上的水位和流量。4.为查明垂向含水层之间的水力联系时，在同一观测线上布置分层的水位观测孔。5.观测孔的深度，一般要求揭穿试验层，至少深入含水层10～20m。第四节抽水试验的技术要求一、稳定流单孔抽水试验的主要技术要求（一）对水位降深的要求1.降深的次序稳定流抽水试验一般要求进行三次不同水位降深（落程）的抽水。对松散含水层，为有助于在抽水孔周围形成天然反滤层，抽水水位降深次序可由小到大(即正向抽水)。对于裂隙和岩溶含水层，为了有利于裂隙和溶隙中的细粒物质吸出，增加裂隙的导水性，抽水水位降深次序应由大到小(反向抽水)。对于透水性较差的含水层或非开采含水层可只做一次最大降深的抽水试验。2.水位降深的要求潜水含水层，可以抽到底。承压含水层，Smax小于或等于承压含水层顶板以上的高度。其余两次降深值分别为1/3最大降深和2/3最大降深。当抽水设备达不到上述要求时，相邻两次水位降深的水头差值也不应小于1m。（二）抽水试验流量的设计1.求水文地质参数的抽水试验对流量不做要求。2.进行三次不同水位降深的抽水，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估算。3.作为生产井使用的抽水试验钻孔，抽水量最好能和需水量一致。（三）对稳定延续时间的要求抽水试验的稳定延续时间，宜符合下列要求：（1）卵石、圆砾和粗砂含水层为8h。（2）中砂、细砂和粉砂含水层为16h。（3）基岩含水层（带）为24h。当有观测孔时，最远观测孔水位稳定延续时间应不少于2—4h。根据含水层的类型，补给条件、水质变化和试验目的等因素，稳定延续时间可适当调整。（四）水位和流量观测时间的总要求1.抽水孔的流量观测和各观测孔的水位观测，应同时、同步进行。2.观测时间间隔，应先密后疏。宜在抽水开始后的第5、10、15、20、25、30min各测一次，以后每隔30min或60min测一次。二、非稳定流抽水试验的主要技术要求（一）对抽水量选择的要求1.求水文地质参数的抽水试验，考虑抽水结束时，抽水井的水位降深不超过所用水泵的吸程。2.探采结合的抽水，可考虑设计需水量或按设计需水量的1/3～1/2。3.可参考勘探井洗井时的水位降深和出水量来确定抽水量。（二）对抽水流量和水位的观测要求流量和水位的观测应同时进行，观测的时间，宜在抽水开始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各测一次，以后可每隔30min观测一次。抽水停抽后，应进行恢复水位的观测，一直进行到恢复水位变幅接近天然水位变幅为止。（三）抽水试验延续时间的要求1.求水文地质参数抽水试验的延续时间一般是24小时。有时也要考虑求参方法的要求：如配线法只用抽水的前期资料，抽水时间可短。直线图解法求取参数，只要求s—lgt曲线的直线段（即参数计算取值段）能延续两个以分钟为单位的对数周期即可，故总的抽水延续时间一般为3个对数周期，即1000min。拐点发求越流系数时，抽水至少应延续到能可靠判定拐点为止。2.确定井的涌水量抽水时间应长一些，以反应出边界的性质为止。如为定水头补给边界，抽水应延续到水位进入稳定状态后一段时间；如为隔水边界，应使斜率出现明显增大段；当为无限边界，曲线应在抽水期内出现匀速下降后即可停止抽水试验。三、大型群孔干扰抽水试验的主要技术要求1.对抽水量的要求大型群孔干扰抽水试验的抽水量，应尽可能接近水源地的设计开采量。当设计开采量很大(如5×104m3以上)或抽水设备能力有限时，抽水量至少也应达到水源地设计开采量的1/3以上。2.对降深的要求即尽可能地接近水源地设计的水位降深，一般或至少应使群孔抽水水位下降漏斗中心处达到设计水位降深的1/3。特别是当需要通过抽水时，对地下水流场分析，以查明某些水文地质条件时，更必须有较大的水位降深要求。3.可以是稳定流的，也可以是非稳定流的获得水源地的稳定出水量，一般多进行稳定流的开采抽水试验。此稳定出水量，可以通过改变抽水强度直接确定出水源地最大降深时的稳定出水量（适用于地下水资源不太丰富的水源地）；也可通过进行三次水位降深的稳定流抽水试验，据流量（Q）—水位降深（S）关系曲线方程，下推设计条件下的稳定出水量。4.为提高水源地允许开采量的保证程度，抽水试验最好在地下水枯水期的后期进行5.抽水试验延续时间，一般应大于1个月。第五节抽水试验资料整理一、稳定流单孔抽水试验现场资料整理的要求1.整理的内容Q－t曲线、Ｓ－t曲线、Q-S曲线、q-S曲线。2.曲线的判定Q－t、Ｓ－t曲线，帮助我们了解抽水试验进行的是否正常。Q-S、q-S曲线，帮助我们了解曲线形态是否正确地反应了含水层的类型和边界性质。如图，Ⅰ表示承压井流；Ⅱ表示潜水或承压转无压的井流；Ⅲ表示从某一降深起，涌水量随降深的加大而增加很少；Ⅳ表示补给衰竭或水流受阻；Ⅴ表示试验有错误，但可表示被堵塞的裂隙、岩溶通道突然被疏通。二、非稳定流单孔抽水试验现场资料整理的要求整理的内容：主要是水位降深与时间的各类关系曲线。三、群孔干扰抽水试验现场资料整理的要求整理的内容：抽水孔和各观测孔的S-t、S-lgt曲线；抽水孔流量、群孔总流量过程线；抽水前的等水位线图、不同抽水时刻的等水位线图等。第六节过滤器及测水用具一、过滤器过滤器主要由过滤骨架和过滤层组成。骨架起支撑作用，有两种结构：一为带网眼的管子；二为用钢筋间隔排列而成的管状物。骨架的孔隙率应不小于抽水含水层的空隙率。一般，钢管的孔隙率可达30～50%；铸铁管的孔隙率可达20～30%；水泥管的孔隙率可达10～15%；缝隙式钢管骨架过滤器的孔隙率可达40～45%；钢筋骨架过滤器的孔隙率可达60～70%；过滤器的类型：骨架过滤器；网状过滤器；缠丝过滤器；砾石过滤器；（填砾过滤器、笼状和筐状过滤器）。管外填砾规格、缠丝间距也有规定。二、测水用具测水用具包括水位计和