《水文地质试验》PPT课件

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1、 水文地质试验是对地下水进行定量研究的手段。试验种类有抽水试验、渗水试验、注水试验、压水试验、连通实验等。本章着重讨论抽水试验，对其它试验只作简要介绍。第一节第一节 抽水试验抽水试验 一、抽水试验的任务和种类一、抽水试验的任务和种类 (一一)抽水试验的任务抽水试验的任务 抽水试验的目的，是研究、评价含水层的水文地质特征与富水性，确定含水层的水文地质参数，为预计矿井涌水量和地下水的综合利用评价提供依据。其主要任务有以下五点：(1)测定含水层的有关水文地质参数，如渗透系数K、导水系数T、储水系数S和给水度等。(2)测定抽水井的实际涌水量及其与水位下降之间的关系。(3)测定降落漏斗的形状、扩展情况，

2、以及影响半径的大小。(4)测定地下水与地表水、含水层与含水层之间的水力联系。(5)测定含水层边界条件和边界性质(补给边界或隔水边界)。（二（二)抽水试验的种类抽水试验的种类 根据抽水试验的目的和水文地质条件，抽水试验可分为以下四种：1单孔抽水、多孔抽水及孔组抽水单孔抽水、多孔抽水及孔组抽水 单孔抽水试验是指在单个钻孔中进行的试验。它主要用以测定含水层的渗透系数、富水性、钻孔涌水量及其与水位降低的关系。由于不能直接观测降落漏斗的发展情况，故求得的参数精度不高。多孔抽水试验是指由一个抽水的主孔和数个观测孔组成而进行的试验。它可达到单孔抽水试验的目的，还可直接测定含水层的渗透系数、影响半径、下降漏斗

3、的扩展情况，以及地下水与地表水、含水层与含水层之间的水力联系等。因此，求得的参数通常准确性较高。孔组抽水是指在供水(或集中开采)水文地质勘探工作中，常在许多钻孔中同时抽水，观测区域水位下降与总涌水量的关系，以验证生产井出水量的可靠性及抽水设备的效能。此种抽水又称为区域下降漏斗试验。多孔抽水试验中观测孔的布置形式，取决于抽水试验的目的和要求。为了确定水文地质参数的抽水，观测孔的布置一般应考虑以下原则：应考虑以下原则：1)观测孔的布置方向观测孔的布置方向 可分为以下三种情况：可分为以下三种情况：(1)对均质无限边界含水层，宜垂直、平行或与地下水流向呈45布置一排观测孔，最好垂直地下水流向布置;(2

4、)对水平方向非均质无限含水层，一般以垂直和平行地下水流向布置23排观测孔，或沿含水层非均员变化最大方向布置。(3)对岩溶裂隙含水层，既要考虑富水地段和水流方向，又要考虑富水性弱的地段与隔水边界条件，故以观测线、网的形式布置为宜，一般布置14排。2)观测孔数量 可根据需要，一般每排观测孔不少于3个。非稳定流抽水，如利用s3g关系整理抽水资料时，布置12个观测孔即可。利用slgr关系整理抽水资料时，观测孔不得少于3个。3)观测孔的距离及水位下降值 有以下六种情况：(1)对承压含水层，为避免抽水时产生三维流和紊流的影响，观测孔至抽水孔的距离宜按下述原则确定：r1=M r2=1.5M(或其对数值介于l

5、gr1，和lgr2之间)r3O1L(sm)时各点稳定时间不得少于24h，当单位涌水量q为0.1001L(sm)时各点稳定时间不得少于32h；若是群孔抽水，最远的一个观测孔的稳定时间不应少于8h。3水位，涌水量稳定程度的要求水位，涌水量稳定程度的要求 稳定流抽水对水位稳定的要求是：水位降深大于5m时，主孔水位变化幅度不能大于1；当水位降深小于5m时，稳定时间内的水位变化幅度值应不大于50mm，观测孔水位变化幅度值要小于20mm。对流量稳定程度的要求是：单位涌水量q001L(sm)时，变化幅度不得大于3%；单位涌水量q0OIL(sm)时，变化幅度不得大于5。在稳定时间内，水位的变化幅度为:式中 i

6、涌水量的变化幅度；Qmax稳定时间内最大涌水量观测值，Ls；Qcp稳定时间内涌水量平均观测值，Ls。如水位或流量的变化幅度小于上述规定时，则抽水试验可连续进行。在抽水试验过程中因故中断，但中断前抽水已超过6h，且中断时间不超过1h时，则中断前的抽水时间仍可算作延续时间，否则需从头开始。在中断抽水时间内，应按规定要求观测水位(包括观测孔的水位)直到恢复抽水为止。(二二)非稳定流抽水试验的技术要求非稳定流抽水试验的技术要求 1水位降深和流量变化幅度的要求水位降深和流量变化幅度的要求 定流量抽水时，要求流量变化幅度不大于3；定降深抽水时，水位变化幅度不大于1。2水位降深要求水位降深要求 定降深变流量

7、抽水时，应尽设备的能力做一次不小于9m的大降深。若涌水量较大又因条件限制而达不到上述要求时，最小降深不得小：y3m。若含水层底板以上的水位不足10m时，最大降深应超过水柱高度的12。3水位观测要求水位观测要求 非稳定流抽水试验对水位观测的要求，要比稳定流抽水严格。尤其在抽水开始阶段，不仅要求观测的时间间隔短，次数多，而且要迅速准确。4抽水试验延续时间的要求抽水试验延续时间的要求 非稳定流抽水试验时间的长短，视含水层的导水性、储水能力、观测孔的多少及距主孔的远近，并结合曲线类型和选用计算渗数的公式而定。其中，试验曲线的特征往往反映试验地段的水文地质条件，而参数的计算方法和公式，又往往根据曲线的形

8、状和水文地质条件来选择。非稳定流抽水试验的延续时间，宜按slgt曲线来定。当s1gt曲线趋于水平状态，并能外推出最大水位降深值Smax时(图82)，试验即可结束。若曲线没有拐点，则抽水延续时间宜随抽水目的而定。根据非稳定流抽水试验的对数曲线来选用参数计算公式时，要求满足二个以上的对数时间周期。这羞因为曲线开始的第一个周期是受观测手段限制，难以测得可靠数据，且曲线首段AB因受管壁阻力影响而不宜作计算段。因此，当曲线达到第三个对数时间周期，才能满足计算要求。第三个对数时间周期常需1000min，由此可见非稳定流抽水时闽通，洁不应少于1224h，但也可根据具体条件适当增减。图82 slgt曲线三、抽

9、水试验的现场工作三、抽水试验的现场工作 抽水试验的现场工作，包括试验前的准备工作和试验过程中的观测、记录、取样等两部分内容。1抽水试验的准备工作抽水试验的准备工作 抽水试验的准备工作主要包括试验设备、防渗措施、各种测量工具，以及记录表格的检查和准备等。抽水试验前，应对抽水设备的安装质量，测量水位、流量、水温的各种仪表和工具及原始汜录表格等要敝全面检查，对排水系统需检查抽出的水量是否可能再回渗到试验层内。特别对潜水含水层更要注意，必要时应设置专门的防渗排水系统。在上述各项准备工作中，如有不符合要求时，必须及时纠正，否则影响试验质量，至导致试验失败。2抽水试验的观测、记录和取样抽水试验的观测、记录

10、和取样 抽水试验的观测、记录和取样工作包括：记录钻孔的结构：测量试验前后的孔深：观测静止水位、动水位、恢复水位2测量钻孔涌水量；观测水温、气温，以及地下水的其他物理性质3每个试验点结束前，取水样进行分析。抽水钻孔的水位观测，包括抽水前的静止水位，抽水过程中的动水位及抽水结束后的恢复水位。动水位的观测，应与流量观测同时进行。若群孔抽水，观测孔的水位也应与主孔水位同时进行观测。如观测孔较多，采取轮流观测的办法。距主孔较远的，观测时间可以提前或推后，但不能相隔太久。对静止水位和恢复水位，一般连续观测34h。若水位变化在允许范围内，则可认为稳定。若恢复水位上升缓慢，但总的观测时间已达到要求，亦可停止观

11、测。当承压水的水头压力很大，观测比较困难时，可借助接高套管或安装压力表的方法进行观测。四、抽水试验设备四、抽水试验设备 抽水试验的设备，包括抽水设备、过滤器，以及水位和流量及水温等测量器具、设备等。抽水试验设备的种类较多，现将其常用的抽水设备列于表8l中。(一一)主要抽水试验设备主要抽水试验设备 1空气压缩机空气压缩机 当压缩空气由风管经混合器进入水管后，通过混合器与水混合，形成比重较小的混合液。在高压空气的推动下，混合液迅速向上运动，并从水管喷出。空气压缩机是煤田水文地质勘探中使用最广的一种抽水设备。它有固定式和移动式两种。移动式空气压缩机，具有灵活和运输方便等优点，故其应用普遍。用压风机抽

12、水时，合理选择和确定风管、沉没比、沉没深度、出水管、风管、钻孔直径、混合器的规格，以及流量和风量等，是保证试验质量的关键。亵81 常用抽水设备及其适用条件优缺点对比表1)风管沉没比的计算及沉没深变的确定 风管潜入动水位以下的深度，称为沉没深度。它与混合器至出风口长度之比称为沉没比，其计算公式为式中 d沉没比；H 风管沉没深度，m；h液体上升高度，m。风管沉没比大，风压也大，反之，风管沉没比小时，风压也小，但过小的沉没比会使抽水不正常，故其值一般不应小于5060。并列式射流器(图85)，是指进水管与排水管并列。抽水时，将并列式射流器放入钻孔水位以T-高压水由钻杆送至钩形管至喷嘴处产生射流束，由于

13、射流束的高速运风在喷嘴与承喷器间汲入地下水，并使水进入承喷器。在射流束的继续冲击下，水被迫沿排水管上升排出钻孔。并列式射流抽水器结构简单，水头损失小，测水方便。其缺点是小口径钻孔不适用，上下亦不方便。(-)过滤器过滤器 在疏松岩层、裂隙发育的坚硬岩层或断层破碎带中抽水时，为了防止孔壁坍塌或岩石颗粒涌入井内，同时还要让含水层的水畅通地流入钻孔，通常都使用过滤器。1过滤器的结构过滤器的结构 过滤器的结构，通常是由骨架和滤层(网或绕丝、垫条)组成(图86)。图85 并列式射流抽水器示意图1一勾形管 2一喷嘴；3一承喷器，4一承喷座，5一排水管；6一高压水流；7一地下水流图86 过滤器1一骨架；2一垫

14、条；3一网，4一保护丝：5一丝扣 骨架一般用套管、铁管或塑料管打眼制成。眼有长条和圆形两种。前者适用于粗粒疏松和裂隙发育的基岩岩层3后者适用于细粒疏松岩层。圆形孔眼的规格，一般按等腰或等边三角形排列。每周孔眼的行数应为偶数，避免两排相邻的孔眼过于接近或直接连通。孔径多采用1520mm，孔隙率一般采用2025。圆形孔眼过滤器的设计，如表84所示。圆形孔眼过滤器各部分的尺寸可按下式计算：式中 D过滤器长度，mm)M过滤器的孔隙率；L过滤器工作部分的长度，mm)u-水流入钻孔的允许速度，emso允许速度与岩石颗粒直径间的关系，可见表85。表表84 橱形孔眼过滤署设计橱形孔眼过滤署设计 条形骨架的条形

15、孔，一般为简单的相问排列。其宽度是根据人工投入孔中的砾石直径来决定。当骨架外包裹过滤器时，条形孔的尺寸不受颗粒直径的限制，其长度一般比其宽度大1030倍，孔隙率一般可达4050。过滤器的两端应留1520cm不打孔眼的光管，以便修理丝扣或安装时卡钳子用。垫条用直径1016ram左右的钢筋为宜，其间距随过滤器外径而异。网或金属丝不与管面接触为原则。网或缠丝间距应根据岩石颗粒成分而定。2过滤器的类型过滤器的类型 根据外部滤层组成的不同，可分为网状过滤器、缠丝过滤器和砾石过滤器等三种类型。1)网状过滤器网状过滤器 网状过滤器是用铜丝网或塑料网包扎在过滤器骨架上制成。网的形状有平织，斜织，方形等三种。平

16、织网适用于细粒疏松岩层3斜织网和方形网适用于粗粒及砾石类疏松岩层及裂隙发育的基岩。过滤网规格的选择，通常是根据岩石颗粒机械成分累积曲线或累积百分含量来确定。例如，粗粒岩石按颗粒机械成分累积含量达2030的颗粒直径3中粒岩石为3040；细粒岩石为4060。如果没有分析资科，可以根据估计的数据来确定，有时亦可用几种不同规格的网到现场筛分，将筛在某一规格网上及网下的岩样装在量筒或玻璃杯中测量二者的比例，根据比例关系来确定过滤网的规格。网状过滤器加工较为方便，且规格亦多，可根据不同岩石的组分选用。但在细粒疏松岩石中使用时，其网眼易于堵塞。2)缠丝过滤器缠丝过滤器 一般用梯形丝、扇形丝或圆形金属丝绕在过

17、滤器骨架垫条上制成。其中，以梯形金属丝为最佳。金属丝的直径一般为23mm，其间隙是根据岩石颗粒直径大小来确定。缠丝过滤器有带骨架的和不带骨架的两种。前者较后者透水性能差，成本较高，但易于起拔；后者透水性较强，且造价不高，但不易起拔。缠丝过滤器使用效果较网状过滤器为佳，但过滤器的间隙小，加工较为困难，在细粒疏松岩石中不适用。有时，对特别细的疏松岩石，常同时采用网状过滤器和缠丝过滤器。3 )砾石过滤器砾石过滤器 砾石过滤器有充填式砾石过滤器、筐状砾石过滤器及带罩砾石过滤器等三种类型。其中，充填式砾石过滤器较常使用。这种类型的过滤器是将过滤器骨架下入钻孔(井)中，在孔(井)壁或套管与骨架之间的环状间

18、隙内充以砾石，其厚度应大于5cm(一般为5一10cm)，一般充填的高度应高于试段数米。砾石须过筛分选，分选后的颗粒直径应大于含水层的某一颗粒机械成分累积百分含量的粒径，并与含水层粒度成分保持一定关系(表86)。同时，填入的砾石直径应与过滤器缠丝间隙的大小保持一定的关系(表87)。砾石过滤器在各种岩层中皆可使用，但需要较大口径的钻孔(并)，钻孔(井)的深度较大时安装亦不方便，故它多在细粒疏松岩层的浅孔(并)中使用。当投入的砾石小于骨架上的孔眼时，还需在骨架上缠丝或装上较粗的网。五、抽水试验资料整理五、抽水试验资料整理 抽水试验的资料整理，可分现场和室内两个阶段。(一)现场资料整理 1稳定流抽水试

19、验资料整理 在抽水试验进行中，应根据观测资料编制各种曲线图，以便在试验进行中及时发现问题和纠正错误。抽水试验现场要绘制的曲线图有：水位、流量历时过程曲线图(图8-8)；Q=f(s)关系曲线图(图8-9)q=f(s)关系曲线图(图810)。图88 水位、流量历时曲线图 图89 q=f(s)关系曲线图I一潜水曲线；2一承压水曲线，III一试验不正常时得到的曲线图810 q=f(s)关系曲线图I，2一承压水曲线，3一潜水曲线，4一试验不正常时得到的曲线 水位、流量历时过程曲线，必须在观测过程中绘制，以便及时发现抽水过程中出现的异常，并及时进行处理。同时根据曲线变化趋势，判断稳定时间的起点和稳定延续时

20、间的长短。在水位、流量历时曲线上，纵坐标表示水位及流量，横坐标表示时间。一般当抽水正常时，Q、s：历时曲线在抽水初期表现为水位下降值是逐渐增大的，而流量值开始较大以后逐渐变小且不稳定。随着抽水时间的延续，水位、流量逐渐趋向稳定状态，呈现水位、流量两条曲线相互平行。如果在抽水开始阶段钻孔发生阻塞，且在抽水过程中逐渐恢复正常时，水位可表现为稳定或上升，同时流量也相应地变大或稳定；如果在抽水过程中钻孔发生阻塞或含水层补给源不足时，则出现与上述相反的情况。绘制Q=f(s)曲线的目的是为了了解含水层的水力特性，钻孔出水量大小，推断钻孔的最大涌水量和单位涌水量，以及检查抽水试验成果是否正确。在Q=f(s)

21、曲线上，纵坐标表示水位下降值，横坐标表示钻孔涌水量。试验正常时，潜水的Q=f(s)曲线为抛物线，承压水的为直线。但是，当潜水含水层富水性较强，补给水源充足或当水位降深较小时，可能呈直线；反之，当承压含水层富水性很弱，补给条件较差或水位下降值很大(大于水头值的14)时，会出现抛物线型或其它类型的曲线。如曲线上弯或抛物线弧度很小时，表明抽水试验进行的不正常，或试验本身出现有错误。Q=f (s)关系曲线图的编制与q=f(s)关系曲线图的编制方法相同，且该曲线形态亦大致与Q=f(s)曲线相对应。当Q=f(s)为直线时，q=f(s)亦为直线，并与代表水位下降值的坐标轴相平行；当Q=，(s)曲线呈抛物线时

22、，q=f(s)亦为曲线，且水位下降值愈大则q值愈小。水位恢复曲线的变化规律，应由陡变缓，最后趋于水平状态。如果曲线出现忽高忽低的不规律现象时，说明观测结果不正确。在承压含水层或富水性较强的含水层中抽水时，水位恢复的速度较快；在潜水含水层或富水性较弱的含水层中抽水时，水位恢复的速度较缓慢。2非稳定流抽水试验资料整理非稳定流抽水试验资料整理 非稳定流抽水试验，现场需绘制的曲线图有：s-关系曲线图。(二二)室内资料整理室内资料整理 抽水试验结束后，应对现场所有顷始资料进行详细的检查、校核，确认无误时，方可进行室内资料整理工作。其整理的内容包括以下几项：(1)绘制抽水试验综合成果表。综合成果图、表包括

23、有：钻孔地质、水文地质柱状图3抽水试验成果表；水质分析成果表；钻孔平面位置图。(2)计算水文地质参数和推测钻孔最大可能的涌水量。计算水文地质参数和推测钻孔最大可能的涌水量。(3)对一些有重要意义的试验还应写出斌验小结。其内容有：试验的目的、要求和方法，对获得的主要成果及其质量进行评述，并作出结论。第二节第二节 其它试验方法简介其它试验方法简介 一、注水试验一、注水试验 通常，注水试验是在地下水埋藏很深且不便于进行抽水试验的情况下，利用充足的水源注水，来确定深部含水层的水文地质参数的一种方法。注水试验是向钻孔内注水至试验段，使钻孔中的水位抬高向周围含水层运动，形成一个以钻孔为中心的反漏斗曲面(图

24、814)。在往钻孔中注入一定的水量，使钻孔水位抬高到一定高度，当其水位和注水量达到稳定时；即可按注水井公式计算岩层的渗透系数。注水试验测定的水文地质参数不如抽水试验的准确。其原因在于注水试验可使岩石的裂隙发生淤塞现象，致使渗透性能降低。注水试验与抽水试验不仅在原理和计算方法上基本相同，而且试验的观测记录及资料整理等各项工作的具体内容和要求亦基本一致。二、压水试验 通常压水试验，是在水工建筑工程地质勘探中，用来确定岩石裂隙发育程度和渗透性能好坏的一种方法。此外，通过压水试验的成果分析，还可确定岩石透水性的均匀程度。压水试验的原理，是利用水柱的压力，将水压入钻孔试验段周围的岩石中?形成与注水试验一

25、样的反漏斗曲面。当水压和压入岩层中的水流量达到稳定时，可计算单位吸水量，其公式为：W即单位时间、单位压力、单位试验长度内的岩石吸水量，L(minPRm)；Q压入钻孔的稳定流量，Lmin；L试验段长度，p试段压水时，所施加的压力值，Pa。压水试验有三种，即：双栓塞法、自下而上的综合法及自上而下的分段压水法。目前，多采用后一种方法，即每钻进一段使用栓塞隔离进行试验。试段的长度，一般规定为5m。如岩石完整、透水性很小，即单位吸水量(minPam)时，试段长度可适当加长，但不宜大于10m；对于透水性很强的构造破碎带、裂隙密集带、岩层接触带和岩溶发育带等地段。若需要单独了解其透水性能时，可根据具体情况确

26、定试段长度。孔底残留岩芯如未超过20cra时，可计入试段长度内。倾斜钻孔的试段长度，按实际倾斜长度计算。压水试验不能直接求渗透系数，而是通过其单位吸水量换算。渗透系数5(值的换算，一般都釆用巴布什金公式。当试段底部距离隔水层的高度大于试验段长度时，则用下式计算：当试段底部距隔水层的高度小于 试段长度时，可采用下公式计算：如 粗 略 估 计 渗 透 系 数，可 采 用 谢 苗 诺 夫 公 式，即 X=aW式中 d与岩石裂隙比有关的系数，一般釆用宓：-2或口=15。三、连通试验三、连通试验 连通试验是查明地下水水点之间，地下水与地表水之间相互联系的一种见效快、成本低的试验手段。通过连通试验，可以取

27、得地下水的流向、流速，地下分水岭等资料，它对分析矿井充水水源，水均衡计算及防治地下水等都有着重要的意义。(一一)试验段试验段(点点)，选择，选择 连通试验段(点)的选择很重要，它关系着试验进程和质量。其选择原则是：断层两侧含水层对接相距最近的部位；根据水文地质调查或勘探，认为有连通性的地段(点)；根据某一专门项目需要进行水力连通试验的地段点)，既能达到施工目的，又便于施工及观测的地段(点)。(二二)连通试验方法连通试验方法 1水位传递法水位传递法 通过抽水、灌水、放水和闸水，观测可能连通水点的水位和流量变化。抽水和灌水是应用于地表无洞口的隐伏地下水通道。放水试验是在地下通道上游放水，观测下游各

28、点的水位、流量、水色的变化；或在下游放水，观测上游各水点水位的下降情况。闸水和放水试验相似，但所显示的效果则相反。2示踪法示踪法 示踪法是在地下水通道的上游投放各种示踪剂，在下游取样、观测。根据示踪材料不同，此法又可分为以下四种：1)浮标示踪浮标示踪 示踪材料有谷糠、稻草、木屑、石松孢于等。这一方法成本低，检测方便，但只能作定性分析。上述浮标材料中，以石松孢子的效果最好。为了能在几个水点同时进行示踪试验，常把石松孢子染成红蓝紫各种颜色，分别投入各出露水点，然后在接收点收集，鉴定分析。为了避免连续的观测和取样，在接收点可用精细丝绸制成浮游生物末2改集石松孢子。孢子投放数量视示踪试验距离、地下河流

29、量和投放点数目而定。2）萤光示踪）萤光示踪 它是一种既简单又有效的示踪法。它具有投放量小，检测灵敏度高、不改变地下水特性等优点，但这种示踪剂成本较高。常用的萤光示踪剂有钠萤光素、四溴萤光素、胺基诺丹明G(ARG)等。试验结果证明，在所有萤光材料中，钠萤光素是一种最灵敏和最通用的示踪剂。萤光示踪，可用比色法、萤光计或萤光光谱仪测定。为了能在很低的浓度下检测萤光素及不必定时观测、取样，因而可利用活性炭对萤光素的吸附作用，将萤光素吸附，然后用碱性甲醇将活性炭吸附的萤光素冲洗出来加以检验。萤光染料的用量，一般为几千克至几十千克，投放量与投接距离、地下水流量成正比。3)盐类示踪盐类示踪 通常，采用氯化钾、氯化钠、氯化锂、氯化锶、氯化铯、亚硝酸钠、碘化钾、硝酸氨、碳酸氨和乙醇等，作为示踪材料。除上述几种示踪法外，还有放射性同位素示踪、地震波示踪等。(三三)连通试验资料整理连通试验资料整理 连通试验结束后，应对取得的资料进行系统分析整理，编制有关图和文字说明。图和文字包括：绘制试验点的水位、水温、水量和示踪浓度变化历时曲线；对曲线的各种形态和现象，结合区域或矿井水文地质资料进行合理的水文地质解释与定量计算；绘制地下水连通平面图或岩溶地下水系分布图J绘制试验段投放孔(点)至井巷水点之间的水文地质剖面图，简要的文字报告或总结。