1.4　冲击试验探测渗透系数研究现状

冲击试验是在试验井中瞬时改变试验井水位,并记录试验井水位随时间变化过程,以推求试验井周围含水层渗透系数的方法。冲击试验的历时时间短、操作简单,广泛应用于确定含水层渗透性、储水系数等[88,94,107-114]。美国在20世纪50年代,就有学者致力于冲击试验的研究[115,116],随后大批学者相继展开冲击试验理论和试验研究,有力地推动了冲击试验的发展[94,117-146]。国内对于冲击试验的研究较少,1983年宿青山曾在吉林做过承压水的冲击试验[147],2008年周志芳设计了利用气压法研究冲击试验的仪器[148],2009年原国红设计研究了利用冲击试验方法的水文地质参数自动监测处理系统[149]。

1.4.1　冲击试验仪器研究

冲击试验必须同时满足以下几点:①确保初始水头是在瞬时变化的,即初始水位的变化是瞬时完成的;②试验仪器能精确、快速地记录不同时刻试验井的水位;③确定试验井内,试验开始前的估计水位与试验井内试验开始瞬间的测量水位。根据以上几点,下面分别介绍瞬时改变试验井水位的方法和测量水位变化的方法与仪器。

1.4.1.1　水头初始化

1.重锤法

重锤法是预先准备一定体积的物体,一般为金属管或PVC管里面装上沙子,快速沉入试验井内(或将物体快速提起),达到瞬时改变试验井水位的方法。该方法操作简单、费用低,且能准确得到估计水头,并且不将水从钻孔内提取出来。该方法主要的缺点是:由于重物的冲击作用,在水位变化的初期,试验井内水位波动比较大;其次,为了准确获得地层的水力传导度,应采用试验后期数据,则需延长试验时间,即要增加重物体积,使钻孔水位变化较大;最后,在不同试验井内使用同一重锤容易引起污染物的传播。

2.虚拟抽(注)水法

虚拟抽(注)水法是快速将一定体积的水注入试验井,或快速将一定体积的水从试验井中提取出来。该方法设备简单,且能准确得到估计水位。该方法的缺点主要有:①若采用快速注入一定体积的钻孔水,在试验井壁上会残留部分水,残留的水不仅会影响初始水头,同时残留水不断往下滴的过程会影响后期水位恢复;②若采用快速从试验井内提取一定体积的水,则提取的水容易引起污染物的传播;③与重锤法类似,该方法同样会引起试验初期的水位波动。

3.气压法

气压法是利用气压泵将空气从试验井中抽出或将空气压入试验井中,通过改变试验井中的气压达到改变试验井中水位的方法。该方法只需要改变试验井的气压,不需要将试验井中的水提取出来,水头初始化快,且在不同试验井试验时仅需要处理电缆和液位传感器。利用该方法可以同时进行升水试验和降水试验。但该方法需要特殊的井口密封装置,传感器电缆与套管之间也要使用密封栓,以防止漏气;利用气压泵加压时,需要注意压力不宜过大,否则可能造成试验井水位在滤管以下,气压直接进入地层而使测量产生误差。

4.密封法

密封法是利用密封栓塞将试验井内水体分成上、下两层,密封栓塞以上水体不受地下水补给。将水注入试验井上层或将上层水取出,改变试验井水位,待水位稳定后,打开密封栓塞使上下层水体连通,达到瞬时改变试验井水头的目的。该方法可以准确获得初始水头,且不会发生水位波动。但该方法操作比较复杂,且密封栓塞比较昂贵,同时在不同试验井使用同一栓塞时,可能引起地下水中的污染物传播。

1.4.1.2　水头测量方法

在冲击试验方法发展初期,主要使用涂有粉笔灰的钢尺确定试验井水位,该方法是根据在水位以下钢尺上的粉笔灰会被试验井的水冲洗掉来确定不同时刻试验井水位的。利用涂有粉笔灰的钢尺的方法计数速度较慢,不适用于渗透系数相对较大的地层。随后1963年Ferris和Knowles提出利用底部凹进去的圆柱体器件记录水位,该方法是根据当圆柱体器件接触水面时会发出鼓金声来确定试验井水位的。这种方法较利用涂粉笔灰的钢尺法快速,但由于该方法需要根据声音判断水位,并没有得到推广。随后出现的电水尺,通过蜂鸣器发声、发光和电压表确定水位变化,该方法得到广泛应用,但其在导电性钻孔水中使用,容易在电水尺表面形成水膜而产生错误判断。浮子记录仪主要应用在渗透系数较低的地层,该方法是将电缆与滑轮固定,浮子漂浮在试验井水面上,根据浮子与定滑轮之间的距离记录水位变化。

使用最多的记录试验井水位的方法是应用压力传感器测量水压变化,确定水位变化。该仪器应用应变计固定在压力敏感膜后,压力敏感膜一侧与水接触,另一侧是标准大气压,作用在压力膜上的水压,使应力计产生形变,发生形变的应力计将压力信号转换成电信号记录水位变化。

1.4.2　冲击试验理论方法前人研究成果

Hvorslev、Cooper、Bredehoeft和Papadopulos等是最早研究冲击试验的学者。在冲击试验的研究初期,主要针对承压水的完整井和非完整井,随着Bouwer和Rice[145]、Dagan[150]和KGS model[132]等方法模型的提出,给潜水井中的冲击试验提供了理论依据,冲击试验理论研究得到了完善和发展。

1.承压完整井

冲击试验研究承压完整井的方法主要有Hvorslev方法(1951)[151]、Cooper方法(1967)[152]及Peres方法(1989)[153]。另外,还出现过Ferris和Knowles方法(1963)[154,155]及Dax(1987)[156]方法。Hvorslev在1951年假设含水层地层均质水平方向无限延伸,地下水渗流符合达西流,忽略含水层存储效应,考虑井管存储效应,并假设在有限距离远处存在定水头的条件下,结合泰斯井流理论得到承压含水层中利用冲击试验求渗透系数的经验公式。Cooper于1967年在Hvorslev研究的基础上提出,考虑地层的储水系数,并假设在无穷远处含水层为定水头,得到承压完整井冲击试验求渗透系数的理论公式。1972年Ramey和Agarwal等发现冲击试验水位与抽水试验的水位变化都与完整井的套管有关,1989年Peres等人提出类似卷积的方法求水力传导度。该方法是将冲击试验引起的水位变化转化为定流量抽水试验的水头变化,最后根据定流量抽水试验水头变化求水力传导度。

2.承压非完整井

承压非完整井中冲击试验的方法主要有Cooper方法、Hvorslev方法、Dagan方法、KGS模型和Peres方法等。另外,Bouwer和Rice方法、Nguyen和Pinder方法[157]及Dax方法等也有应用。Cooper方法非完整井假设及理论与完整井类似,在非完整井中地层厚度为有效的滤管长度;Hvorslev方法中,非完整井考虑了垂向不均质性的影响;Peres方法与完整井方法类似,将冲击试验的水位变化转化成相应的定流量抽水试验,最后根据抽水试验方法求水力传导度等参数;Dagan方法首先是由Dagan(1978)提出,应用于潜水含水层的一种冲击试验方法;Widdowson[143](1990)与Cole和Zlotnik(1994)[158]将Dagan方法发展后在承压非完整井中得到应用,该方法的理论基础与Hvorslev方法类似,不同之处在于该方法假设含水层垂向为有限厚度,在含水层的顶端和含水层的底部都有一个隔水层。KGS模型是在Cooper模型基础上发展而来的,该模型保留了在模型中对储水系数的考虑。Dougherty和Babu[159](1984)首先发展了Cooper模型,得到半解析解。随后Hyder等考虑各向异性得到承压井和潜水井的解析模型,称为KGS模型。

3.潜水井中试验井水位在滤管以上

试验井中水位始终在滤水管上部的冲击试验求含水层水力传导度理论主要有Bouwer和Rice模型(1976)、Dagan模型(1978)及KGS模型(1994)。Bouwer和Rice假设含水层厚度不变,忽略地层的弹性释水作用,得出了适用于均质地层的数学模型。Zlotinik(1994)在Bouwer和Rice的基础上,提出非均质地层的数学模型。该模型与承压含水层的完整井模型类似,引入了经验参数Re作为冲击试验的有效半径。在Bouwer和Rice发表的文章中详细介绍了影响半径的确定,并分完整井和非完整井,结合计算公式和图表给出了详细的计算方法。Voak(1991)和Van Rooy(1988)在Bouwer和Rice的基础上,给出了经验参数的完整数学计算公式[160]。Bouwer在试验中发现,水头变化与时间关系在半对数坐标纸上并非呈线性[145],在试验初期,由于填砾等渗透系数较低层大,所以在水位恢复初期水位变化较快,水位变化后期数据才能真实反映地层的渗透性。经过研究后,指出初始水头标准化值恢复到0.2～0.3之间计算得到的结果是最好的[115]。Dagan模型与Bouwer模型的区别在于,前者假设无穷远处水位保持不变,后者假设在一定距离处水位保持不变。根据模型假设,Dagan(1978)得到滤管长度与试验井比值大于50的半解析解,Widdowson等(1990)利用有限元模型将Dagan模型推广到比值小于50也可适用[115]。Cole和Zlotnik(1994)将Dagan模型进一步发展成适用于任意纵横比的试验井的理论模型。KGS模型是另一种非常流行的模型,该模型与前两种的主要区别在于,该模型考虑了地层的存储效应,同时要求水位变化是接近于瞬时完成的。

4.潜水井中试验井水为与滤管相交

试验井中水位与滤管段相交的冲击试验方法主要为Bouwer和Rice模型,其次Dagan模型也有些许应用。Bouwer将地下水流过程简化,假设在冲击试验过程中地层水位和有效滤管长度保持不变。试验完成后,必须根据试验数据判断含水层系统的简化是否合理。若Bouwer的简化不合理,则应采用Dagan模型。