水文地质观测孔的布置

现场试验_水文与水资源工程

五、现场试验

水文地质试验是水文地质调查中不可缺少的重要手段，许多水文地质资料皆需要通过水文地质试验才能获得。

抽水试验在各个勘察阶段中都占有重要的比重，其成果质量直接影响着对调查区水文地质条件的认识和水文地质计算成果的精确程度，是最重要的现场试验之一，在此重点介绍，其他现场试验简要介绍。

（一）抽水试验

抽水试验是通过从钻孔或水井中抽水，定量评价含水层富水性，测定含水层水文地质参数和判断某些水文地质条件的一种野外试验工作方法。

1．抽水试验的方法

抽水试验主要分为单孔抽水、多孔抽水、群孔干扰抽水和试验性开采抽水。

单孔抽水试验采用稳定流抽水试验方法，多孔抽水、群孔干扰抽水和试验性开采抽水试验一般采用非稳定流抽水试验方法。在特殊条件下也可采用变流量（阶梯流量或连续降低抽水流量）抽水试验方法。抽水试验孔宜采用完整井（巨厚含水层可采用非完整井）。观测孔深应尽量与抽水孔一致。

2．抽水试验准备工作

①除单孔抽水试验外，均应编制抽水试验设计任务书。

②测量抽水孔及观测孔深度，如发现沉淀管内有沉砂应清洗干净。

③做一次最大降深的试验性抽水，作为选择和分配抽水试验水位降深值的依据。

④在正式抽水前数日对所有的抽水孔和观测孔及其附近有关水点进行水位统测，编制抽水试验前初始水位等水位线图，如果地下水位日变化很大时，还应取得典型地段抽水前的日水位动态曲线。

⑤为防止抽出水的回渗，在预计抽水影响范围内的排水沟必须采取防渗措施。当表层有3m以上的粘土或亚粘土时，一般可直接挖沟排水。

⑥需要对多层含水层地下水进行分层评价时，应分层进行抽水试验，或用井中流速、流量仪解决分层抽水问题。

3．抽水试验孔布置要求

（1）抽水孔的布置要求

①对勘察区水文地质条件具有控制意义的典型地段，应布置单孔抽水试验孔，根据单孔抽水试验资料计算的水文地质参数编制参数分区图。

②多孔抽水试验孔组，一般参照导水系数分区图，并结合水文地质条件布置，每个有供水意义的参数区至少布置一组，其抽水试验资料所求参数可作为该区计算参数（不用平均参数）。

③群孔干扰抽水试验和试验性开采抽水试验应在拟建水源地范围内，选择有代表性的典型地段，并结合开采生产井布置。

（2）观测孔的布置要求

①为了计算水文地质参数，在抽水孔的一侧宜垂直地下水的流向布置2～3个观测孔。

②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。

③群孔干扰抽水试验和试验性开采抽水试验应在抽水孔组中心布置一个观测孔；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。

④多孔抽水孔组的第一个观测孔应尽量避开三维流的影响，相邻两观测孔的水位下降值相差不小于0．1m，最远观测孔的下降值不宜小于0．2m，各观测孔应在对数数轴上呈均匀分布。

⑤在半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。

⑥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。

4．稳定流抽水试验要求

（1）水位降深

稳定流抽水试验一般进行3次水位降深，最大降深值应按抽水设备能力确定。水位降深顺序，基岩含水层一般宜先大后小，松散含水层宜按先小后大逐次进行。

（2）涌水量及水位变化

在稳定延续时间内，涌水量和动水位与时间关系曲线在一定范围内波动，而且没有持续上升或下降的趋势。当水位降深小于10m，用压风机抽水时，抽水孔水位波动值不得超过10～20cm；用离心泵、深井泵等抽水时，水位波动值不超过5cm。一般不应超过平均水位降深值的1%，涌水量波动值不能超过平均流量的3%。

注意：①当有观测孔时，应以最远观测孔的动水位判定；②应考虑自然水位影响；③在滨海地区应考虑潮汐对动水位的影响。

（3）观测频率及精度要求

①水位观测时间一般在抽水开始后第1min、3min、5min、10min、20min、30min、45min、60min、75min、90min进行观测，以后每隔30min观测一次，稳定后可延至1h观测一次。水位读数应准确到厘米。

②涌水量观测应与水位观测同步进行；当采用堰箱或孔板流量计时，读数应准确到毫米。

注意：为保证测量精度要求，可根据流量大小，选用不同规格的堰箱。当流量小于10L/s时，堰箱断面面积应大于25dm²（即0．5m×0．5m）；流量为10～50L/s时，堰箱断面面积应大于100dm²（即1m×1m）；流量为50～100L/s时，堰箱断面面积应大于200dm²（即1m×2m）。

③水温、气温宜2～4h观测一次，读数应准确到0．5℃，观测时间应与水位观测时间相对应。

（4）恢复水位观测要求

停泵后应立即观测恢复水位，观测时间间隔与抽水试验要求基本相同。若连续3h水位不变，或水位呈单向变化，连续4h内每小时水位变化不超过1cm，或者水位升降与自然水位变化相一致时，即可停止观测。

试验结束后应测量孔深，确定过滤器掩埋部分长度。淤砂部位应在过滤器有效长度以下，否则，试验应重新进行。

5．非稳定流抽水试验要求

（1）钻孔涌水量

钻孔涌水量应保持常量，其变化幅度不大于3%。

（2）抽水延续时间

抽水延续时间结合最远观测孔水位下降与时间关系曲线［S（或Δh²）－lgt］来确定。

①当S（或Δh²）－lgt曲线至拐点后出现平缓段，并可以推出最大水位降深时，抽水方可结束。

注意：在承压含水层中抽水，采用S－lgt曲线，在潜水含水层中抽水采用Δh²－lgt曲线。Δh²是指潜水含水层在自然情况下的厚度H和抽水试验时的厚度h的平方差，即Δh²＝H²－h²。

②当S（或Δh²）－lgt曲线没有拐点或出现几个拐点，则延续时间宜根据试验的目的确定。

（3）观测频率及精度要求

①水位观测宜按第0．5min、1min、1．5min、2min、2．5min、3min、3．5min、4min、5min、6min、7min、8min、10min、12min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min、75min、90min、105min、120min进行观测，以后每隔30min观测一次，其余观测项目及精度要求可参照稳定流抽水试验要求进行。

②抽水孔与观测孔水位必须同步观测。

③抽水结束后，或试验期间因故中断抽水时，应观测恢复水位，观测频率应与抽水时一致，水位应恢复到接近抽水前的静止水位。

（4）群孔干扰抽水试验要求

群孔干扰抽水试验除按非稳定流抽水要求进行外，还应满足下列要求。

①干扰孔之间的距离，应保证一孔抽水，使另一孔产生一定的水位削减。

②水位降深次数应根据设计目的而定，一般应尽抽水设备能力做一次最大降深。

③各干扰孔过滤器的规格和安装深度应尽量相同。

④各抽水孔抽水起、止时间应该相同。

⑤试验过程中，宜同时对泉和可能受影响的地表水点进行水位、流量和水温的观测。

（5）试验性开采抽水试验

试验性开采抽水试验除按群孔干扰抽水要求进行外，还应满足下列要求。

①抽水试验一般在枯水期进行。

②抽水钻孔总涌水量尽量接近设计需水量。

③水位下降漏斗中心水位稳定时间不宜少于一个月。

④若水位不能达到稳定，应及时调节总涌水量，使其达到稳定。

6．抽水试验资料整理及参数确定方法

（1）抽水试验资料整理

试验期间，对原始资料和表格应及时进行整理。试验结束后，应进行资料分析、整理，提交抽水试验报告。

单孔抽水试验应提交抽水试验综合成果表，其内容包括水位和流量过程曲线、水位和流量关系曲线、水位和时间（单对数及双对数）关系曲线、恢复水位与时间关系曲线、抽水成果、水质化验成果、水文地质计算成果、施工技术柱状图、钻孔平面位置图等。并利用单孔抽水试验资料编绘导水系数分区图。

多孔抽水试验还应提交抽水试验地下水水位下降漏斗平面图、剖面图。

群孔干扰抽水试验和试验性开采抽水试验还应提交抽水孔和观测孔平面位置图（以水文地质图为底图），勘察区初始水位等水位线图，水位下降漏斗发展趋势图（编制等水位线图系列），水位下降漏斗剖面图，水位恢复后的等水位线图，观测孔的S－t、S′－lgt曲线，各抽水孔单孔流量和孔组总流量过程曲线等。

多孔抽水试验、群孔干扰抽水试验和试验性开采抽水试验均应编写试验小结，其内容包括试验目的、要求、方法，获得的主要成果及其质量评述和结论。

注意：数据处理过程中，①要消除区域水位下降值；②在基岩地区要消除固体潮的影响；③傍河抽水要消除河水位变化对抽水孔水位变化的影响。

（2）抽水试验求参方法

稳定流抽水试验求参方法可以采用Dupuit公式法和Thiem公式法。

承压水非稳定流抽水试验求参方法可以采用Theis配线法、Jacob直线图解法、Hantush拐点半对数法、水位恢复法、水位恢复的直线斜率法。

潜水非稳定流抽水试验求参方法可采用仿泰斯公式法、Boulton法和Numan法。

（二）其他试验

其他的现场试验简要介绍之。

1．民井的简易抽水

①选择新井或近期淘过的井，并尽量选择易透水的井壁结构。

②井的卫生条件较好，附近没有污染源，并有良好的排水条件。

③要测得准确的天然静止水位。

④水位降深应大于0．5m，允许变化幅度2cm，水位和流量同时趋近稳定状态后延续时间不得小于2h。

⑤绘制S－t、S′－t、Q－f曲线。

⑥计算稳定涌水量及渗透系数。

民井简易抽水一般适用于了解浅层含水层的富水性和透水性。

2．渗水试验

当野外抽水试验设备缺乏时，可采用试坑渗水试验法，测定包气带非饱和岩层的渗透系数。有条件可采用单环法或双环法以提高精度。

试坑法是在表层干土中挖一试坑，坑底要离潜水位3～5m以上，向试坑内注水，必须使试坑中的水位始终高出坑底约10cm，为便于观测坑内水位，在坑底设一标尺，求出单位时间内从坑底渗入的水量Q，除以坑底面积F，即得出平均渗透速度V＝Q/F。当坑内水柱高度不大（等于10cm）时，可以认为水头梯度接近1，因而K＝V。

3．注水试验

当钻孔中地下水位埋藏很深或试验层透水不含水时，可采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（图2－2）。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。

图2－2　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：

式中：Q——钻孔注水量（m）；

K——注水试验目的层渗透系数（m/d）；

h₀——注水孔内的动水位（m）；

H——注水前的天然地下水位（m）；

R——注水形成的方向漏斗影响半径（m）；

r₀——注水孔半径（m）。

对于承压完整注水井，其注（涌）水量公式为：

式中：M——承压含水层厚度（m）；

其余符号意义同上。

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得的值小得多。

4．连通试验

连通试验实质上也是一种示踪试验，在上游某个地下水点（水井、坑道、岩溶竖井及地下暗河地表流段等）投入某种指示剂，在下游诸多的地下水点（除前述各类水点外，尚包括泉水、岩溶暗河出口等）监测示踪剂是否出现，以及出现的时间和浓度。连通试验的目的主要是查明地下水的运动途径、速度，地下河系的连通、延展与分布情况，地表水与地下水的转化关系，以及矿坑涌水的水源与通道等问题。以上问题的查明，对地下水资源计算，水资源保护，确定矿床疏干、水库水漏失途径，均有很大意义。连通试验主要是查明水文地质条件。因此，对试验井点布置及试验方法没有弥散示踪试验那样严格的要求，一般多利用现有的人工或天然地下水点和岩溶通道，只要监测水点设在投源水点下游的主径流带中即可。监测水点应尽可能地多，与投源井距离亦无需严格要求。

常用的试验方法有两种。

①水位传递法。本方法主要用于查明岩溶管流区的孤立岩溶水点间的联系。一般是利用天然的岩溶通道，进行堵、闸、放水或注水之后，观察上、下游岩溶水点（包括钻孔）的水位、流量及水质的变化，从而判断其连通性。

②指示剂投放法。一般多在岩溶管道发育区和裂隙岩溶区进行此种试验。试验方法与前面所讲的示踪试验基本相同，对指示剂物理、化学性质的要求，一般只要无毒无害即可。所用指示剂除前述弥散试验中常用的离子化物质、有机染料、人工放射性同位素、碳氟化合物和酵母菌之外，尚可选用谷糠、锯屑、石松孢子、漂浮纸片等作为指示剂（物），对于流量较大的地下暗河，还可用浮漂、定时炸弹和电磁波发射器来查明暗河途经位置。近年，一种微小彩色塑料粒子的示踪物受到欢迎。此法除能查明水点间的连通性外，还可大致估算地下水流速。

③对于无水通道，可用烟熏、施放烟幕弹和灌水等方法，探明连通通道及其连通程度。