抽水试验

第四章水文地质试验水文地质试验水文地质试验是对地下水进行定量研究的重要手段。水文地质试验包括野外试验(或称现场试验)和室内试验两类。抽水试验放水试验连通试验渗水试验注水试验压水试验地下水流速流向测定土的颗粒分析岩土物理性质、水理性质测定岩土和水的化学分析电镜扫描差热分析x光衍射微孔结构分析野外试验室内试验第一节抽水试验的目的、任务及类型水文地质抽水试验是以地下水井流理论为基础，通过在实际井孔中抽水时，水量和水位变化的观测来获取水文地质参数，评价水文地质条件，为预计矿井涌水量和评价地下水允许开采量等提供依据。抽水试验的主要任务确定含水层及越流层的水文地质参数；确定抽水井的实际涌水量及其与水位降深之间的关系；研究降落漏斗的形状、大小及扩展过程；研究含水层之间及含水层与地表水体之间的水力联系；确定含水层的边界位置及性质；进行含水层疏干或地下水开采的模拟，以确定井间距、开采降探、合理井径等群井设计参数。断层F2F1F4F3山东莱芜某岩溶地下水源地抽水条件下地下水流场图井泉吉林省长岭县城北郊新第三系太康组含水层抽水钻孔水位降深等值线示意图K1K1K2K3K1〉K2〉K3导水断层（阻水）地质条件解释示意图泥岩粉砂岩砂砾岩二、抽水试验的类型井孔数量单孔抽水试验多孔抽水试验干扰井群抽水试验井流理论稳定流抽水试验非稳定流抽水试验井的类型完整井抽水试验非完整井抽水试验包含的含水层情况分层抽水试验分段抽水试验混合抽水试验抽水顺序正向抽水试验反向抽水试验补：按抽水试验任务分试验抽水一次降深稳定流单孔抽水，试验性的抽水概略评价含水层富水性抽水试验２－３次降深稳定或非稳定流单孔抽水试验求水文地质参数，确定Ｑ－Ｓ关系一般开采性抽水试验和生产性群孔大型抽水试验求水源地允许开采量，或求水文地质参数，或判明水文地质条件单孔抽水试验布孔：只有一个抽水孔，不另外布置专门的观测孔优点：它方法简单、成本较低。缺点：不能直接观测降落漏斗的扩展情况，一般只能取得钻孔涌水量Q及其与水位降探S的关系和概略的渗透系数K。适用：只用于稳定流抽水，在普查和详查阶段应用较多。多孔抽水试验布孔：一个主孔抽水，另外专门布置一定数量的水位观测孔。优点：能够完成抽水试验的各项任务，可测定不同方向的渗透系数、影响半径R的大小、降落漏斗的形态及发展情况，以及含水层之间及其与地表水之间的水力联系等，所取得的成果精度也较高。缺点：需布置专门的观测孔，成本相对较高，适用：多用于精查阶段。1．根据抽水试验井孔数量划分：干扰井群抽水试验布孔：多个抽水孔同时抽水，另外布置若干观测孔。抽水时，造成降落漏斗相互重叠干扰，又称互阻井群抽水试验。按抽水试验的规模和任务，又分为一般干扰井群抽水试验和大型群孔抽水试验。一般干扰井群抽水试验是为了研究相互干扰井的涌水量与水位降深的关系；或因为含水层极富水、单个抽水孔形成的水位降深不大、降落漏斗范围太小，而需在较近的距离内打几个抽水孔，组成一个孔组同时抽水；或为了模拟开采或疏干，需在若干井孔内同时抽水，观测研究整个流场的变化。特点：试验成本高适用：水文地质条件复杂地区的精查阶段或开采(疏干)阶段使用。大型群孔抽水试验布孔：一般由数个乃至数十个抽水孔组成若干井组，观测孔很多优点：分布范围大，可进行大流量、大降深、长时间的大型抽水，形成一个大的人工流场，以便充分揭露边界条件和整个流场的非均质状况。缺点：花费巨大的人力和财力，须慎重采用适用：仅用于涌水量很大、边界条件不清、水文地质条件复杂的矿区，近年来多用在一些岩溶大水矿区水文地质精查阶段(或专题性勘探)中。例如，1980年在邯郸矿务局王风矿进行了一次包括38个抽水孔、82个观测孔，抽水量达135200m3／d(1．57m3／s)的大型奥灰岩溶含水层群孔抽水试验。单孔抽水试验多孔抽水试验2．按抽水试验所依据的井流理论稳定流抽水试验要求：抽水时的流量和水位降深都相对稳定，即不随时间改变。优点：方法比较简单。缺点：自然界大都是非稳定流，只在补给水源充沛且相对稳定的地段抽水时才能形成相对稳定的似稳定流场，故其应用受到一定限制。非稳定流抽水试验要求：水位和流量中的一个稳定，另一个可随时间变化。一般要求流量稳定，降深变化。优点：接近实际，能研究的因素和测定的参数更多，还能判定简单条件下的边界，并能充分利用整个抽水过程所提供的全部信息。适用：更广泛缺点：解释计算较复杂，观测技术要求较高3．根据抽水井的类型分完整井抽水试验完整井，即钻孔揭穿整个含水层，过滤器长度等于含水层厚度。特点：井流理论较完善，故一般应尽量用完整井做抽水试验。非完整井抽水试验非完整井，即钻孔仅揭穿含水层的一部分，过滤器长度小于含水层厚度特点：当含水层厚度很大，又是均质层时，为了节省费用，或为了研究过滤器的有效长度时进行非完整井抽水试验。非完整井完整井抽水井的类型4、根据试验段所包含的含水层情况分分层抽水每次只抽一个含水层。对不同性质的含水层(如潜水与承压水)应采用分层抽水。对参数、水质差异较大的同类含水层，也应分层抽水，以分别掌握各层的水文地质特征。分段抽水在透水性各不相同的多层含水层组中，或在不同深度透水性有差异的厚层含水层中，对各层段分别进行抽水试验，以了解各段的透水性。有时也可只对其中的主要含水段进行抽水，如厚层灰岩含水层中的岩溶发育段。这时段与段之间应止水隔离，止水处应位于弱透水的部位。混合抽水要求：在井中将不同含水层合为一个试验段进行抽水，各层之间不加以止水特点：较简单，费用较低功能：反映各层的综合平均状况适用：一般只在含水层富水性弱时采用；或当各分层的参数已掌握；或只需了解各层的平均参数；或难于分层抽水时才采用混合抽水试验5．根据抽水顺序分正向抽水抽水时水位降深由小到大，即先进行小降深抽水，后进行大降深抽水。因其有利于抽水井周围天然过滤层的形成，多用于松散含水层中。反向抽水试验抽水时水位降深由大到小。抽水开始时的大降深有利于对井壁和裂隙的清洗，多用于基岩中。初始水位正向抽水反向抽水第二节抽水试验的技术要求一、抽水试验的场地布置二、稳定流抽水试验的技术要求三、非稳定流抽水试验的技术要求四、大型群孔干扰抽水试验的主要技术要求一、抽水试验的场地布置布置抽水试验的场地，主要是抽水孔（主孔）与观测孔的配置。根据抽水试验的任务和当地的水文地质条件，首先要选定抽水孔的位置，然后进行观测孔布置。（一）抽水孔的布置（二）观测孔的布置(一)抽水孔的布置１、布置抽水孔的主要根据是抽水试验的任务和目的，目的任务不同其布置原则也各异：为求取水文地质参数的抽水孔，一般应远离含水层的透水、隔水边界，应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。对于探采结合的抽水井(包括供水详勘阶段的抽水井)，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，以便为将来生产孔的设计提供可靠信息。欲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，以便观测到边界两侧明显的水位差异或查明两侧的水力联系程度。２、在布置带观测孔的抽水井时，要考虑尽量利用已有水井作为抽水时的水位观测孔；当无现存水位观测井时，则应考虑附近有无布置水位观测井的条件。３、抽水孔附近不应有其它正在使用的生产水井或地下排水工程，以避免干扰。４、抽水井附近应有较好的排水条件，即抽出的水能无渗漏地排到抽水孔影响半径区以外，特别应注意抽水量很大的群孔抽水的排水问题。抽水孔的布置１、布置观测孔的意义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。这是因为：观测孔中的水位，不存在抽水孔水跃值和抽水孔附近三维流的影响，能更真实地代表含水层中的水位；观测孔中的水位，由于不存在抽水主孔“抽水冲击”的影响，水位波动小，水位观测数据精度较高；利用观测孔水位数据参与井流公式的计算，可避开因R值选取不当给参数计算精度造成的影响（二）观测孔的布置布置观测孔的意义（续）利用观测孔的水位，可用多种作图方法求解稳定流和非稳定流的水文地质参数。利用观测孔水位，可绘制出抽水的人工流场图(等水位线或下降漏斗)，从而可帮助我们判明含水层的边界位置与性质、补给方向、补给来源及强径流带位置等水文地质条件。一般大型孔群抽水试验，可根据观测孔控制渗流场的时、空持征，作为建立地下水流数值模拟模型的基础。２、观测孔的平面布置观测孔的平面布置取决于抽水试验的任务、精度要求、规模大小、含水层的性质，以及资料整理和参数的计算方法等因素。综合因素为准确求参，应根据含水层边界条件、均质程度、地下水的类型、流向及水力坡度等，在抽水孔的一侧宜垂直地下水的流向布置2-3个观测孔。为了测定含水层不同方向的非均质性或确定抽水影响半径,可以根据含水层的不同情况,以抽水孔为中心布置1-4条观测线。如有两条观测线,一条垂直地下水流向,另一条宜平行地下水流向。★观测线观测线的具体布置Ｂ均质各向同性、水力坡度较大的含水层，其抽水降落漏斗形状为椭圆形，下游一侧的水力坡度远较上游一侧大，故除垂直地下水流向布置一条观测线外，应在上、下游方向上布置一条水位观测线。Ａ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为圆形，即在通过抽水孔的各个方向上，水力坡度基本相等，但一般上游侧水力坡度较下游侧为小，故在与地下水流向垂直方向上布置一条观测线即可。若受场地条件限制难于布孔时，也可与地下水流向成45度角的方向布置一排观测孔。ＤＣ对非均质含水层，水力坡度不大时，应布置三排观测孔，其中两排垂直流向、一排平行流向。对非均质各向异性含水层，水力坡度较大时可布置四排观测孔，其中垂直和平行流向各两排。★均质各向异性的含水层，抽水水位降落漏斗常沿着含水层贮、导水性质好的方向发展(延伸为长轴)，该方向水力坡度较小；贮、导水性差的方向为漏斗短轴，水力坡度较大。因此，抽水时的水位观测线应沿着不同贮、导水性质的方向布置，以分别取得不同方向的水文地质参数。Ｄ观测孔平面布置的其他要求对群孔抽水试验，应在抽水孔组中心布置一个观测孔；此外还应能控制整个流场并直到边界，非均质的各个块段。对某些专门目的的抽水试验，观测孔的布置则可不拘形式，以解决问题为原则；研究断层的导水性时，可将观测孔布置在断层的两盘；判别含水层之间的水力联系时，则分别在各个含水层中布置钻孔；研究河水与地下水的关系时，观测孔应布置在岸边。为查明相邻已采水源地的影响，应在连接两个开采中心方向布置观测孔。为确定水位下降漏斗形态和补给(或隔水)边界，应在边界和外围一定范围内布设一定数量的观测孔。在承压水含水层进行抽水试验时，宜在观测孔附近覆盖层(半透水层或弱含水层)中布置副观测孔。在进行试验性开采抽水试验时，应在水位下降漏斗范围内的重要建筑物附近增设工程地质、环境地质观测点。３、观测孔的数量观测孔的数量主要取决于抽水的目的要求和参数计算方法：①用于描述降落漏斗的抽水试验，每条观测线上不应少于3个观测孔。②用于判定水力联系及边界性质的抽水试验，观测孔不应少于2个。③用于求参的抽水试验：Ｓ－1gｔ，每条观测线上仅布置1个孔；Ｓ－1gr，每条观测线可布置1－3个孔，但多数是取3个。４、观测孔的间距观测孔的间距应近主孔者小，远主孔者大，即距抽水孔由近至远，观测孔间距由小到大。近小远大抽水孔观测孔最近：不应小于含水层厚度的1倍最远：能观测到明显的水位下降相邻：应保证其降深差不于小0.1m观测孔间距的一般规律透水性差潜水含水层有垂直补给非稳定流抽水透水性好承压水含水层无垂直补给稳定流抽水水力坡度大水位非线性分水岭水位是变量５、观测孔的深度和孔径孔深：完整井，孔深应达到抽水孔的最大降深以下。非完整井，孔深应达到抽水孔抽水段的中部。孔径：一般不小于55mm原始水位Smax孔深孔深L0.5L最低水位注意：观测孔沉淀管的长度一般不应小于2m观测孔一般应深入试验层5m-10m若查明水力联系，应深入10m-20m以上观测孔的深度抽水管的沉淀管长度二、稳定流抽水