稳定流单孔抽水试验的要点分析

摘要：单井抽水试验是指在一个井内抽水，无观测孔的稳定流抽水试验。其基本原理是利用水泵或空气压缩机等设备，把流向垂直井内地下水汲取到井外，使井内水位下降，而井壁外含水层中地下水在降落漏斗范围内，由于水头差作用连续不断地流入井内，逐渐在井壁周围形成一个以井轴为中心的由小到大稳定的降落漏斗，取得水位降深与出水量均达到相对稳定过程段的观测资料，求得水文地质参数。该方法比较简便，成本费用较低。在岩土工程勘察中，为查明建筑场地地层渗透性和富水性，测定有关水文地质参数，为建筑设计提供水文地质资料，往往采用该种方法。下面就试验相关要点一一分析探讨。

1 抽水试验方法和要求

1.1 抽水试验方法

钻孔适宜直径D≥0.OlM(M为含水层厚度，或者利用适宜半径的工程地质钻孔)，抽水孔深度的确定，与试验的目的有关，一般要求钻孔深度达试验含水层以下3～5m。若以试验长度与含水层厚度两者关系而言，有完整孔与非完整孔两种情况，潜水井或承压井都可能是完整井或非完整井，完整井为揭穿整个含水层并在整个含水层厚度上都能进水的井，一般情况下，揭穿含水层厚度达80%以上，且在该厚度上都能进水的井可视为完整井；非完整井为未揭穿含水层或虽揭穿含水层，但仅在部分厚度上能进水的井。岩土工程勘察单井抽水试验采用的多是完整井，且为获得较为准确、合理的渗透系数K，以进行小流量、小降深的抽水试验为宜。

1.2 技术要求

(1)抽水试验落程及顺序。首先进行试抽，当前后两次试抽单位涌水量相差不超过10%时，方可转入正式抽水。为了解抽水量与落程之间的关系，以利正确选择计算有关参数的公式，一般要求作三次降深抽水，每次降深的差值以>1m为宜，除砂、砾石层由小到大进行抽水(以免孔壁坍塌或因抽降过猛而造成过滤器堵塞)，其它一般由大到小降深进行抽水试验，为了取得Q―S关系曲线的正常变化轨迹，三次落程的间距应尽量均匀分配：S1=Smax，则S2=2/3Smax，S3=1/3Smax其中S1、S2、S3分别为第1、2、3次落程值。

(2)抽水试验稳定延续时间和稳定标准。稳定延续时间指某一降深下，相应的流量和动水位趋于稳定的延续时间。岩土工程勘察抽水试验稳定延续时间一般为8～24h。

稳定标准：抽水过程中，水位和涌水量历时曲线不能有逐渐增大或逐渐减小的趋势。在稳定阶段，水位误差值不得超过水位降低值的1%，当降深大于5m时，稳定水位幅度不得超过3～5cm(压风机抽水波动大，但亦不允许超过10～15cm)，流量误差不超过平均稳定流量的3%，当井流量很小时，可适当放宽，水位、流量误差按下式计算：

(3)抽水试验的观测。在正式抽水前，应进行静止水位观测，抽水过程中必须是动水位与出水量同时观测，观测时间可按2、5、10、15、20及30min的间隔进行，以后每隔30min观测一次；水温、气温一般每2～4h同时观测一次，水温观测时，温度计浸入水中时间不得少于10～l5min。抽水试验结束或因故中途停抽时，应立即观测恢复水位，一般可按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25及30min的时间间隔进行观测，其后每隔30min观测一次。

2 试验数据分析

试验数据分析，需编制有关曲线图表，指导并检查试验情况，确定试验数据的准确性。

(1)绘制出水量、动水位与时间关系过程曲线(Q、S―t曲线图1)。抽水开始前，应按设计要求，把图纸的使用比例尺和图式，以及坐标轴代表的项目都安排好，便于抽水开始即可得到实测的Q、S、t值，及时、准确地标在图纸上，并连结相应关系的各点，即绘成Q、S―t曲线图。在正常情况下，开始抽水时的Q、S―t曲线图表现为水位下降快和出水量较大，且不稳定。经一段时间后，水量与水位都渐渐趋向稳定状态，图上呈现出水位、涌水量与时间关系这两条曲线是平行的，见图1。必须指出，在现场绘制Q、t曲线图过程中，如果出现Q、S值不是相应地变化，要及时检查分析和处理。

图1 Q―t及S―t过程曲线

(2)绘制出水量与水位降深关系曲线(Q―f(S)曲线图2)。绘制本图主要用于了解和判别含水层的水力性质和出水能力，推算井的可能最大涌水量与单位涌水量，并检查抽水试验成果正确与否。Q=f(S)曲线图的作法是根据两次或三次落程抽水，选择各次落程在满足稳定延续时间段内同一时刻的Q、S值，以横坐标为Q，纵坐标为S，将选好的各次落程相应的Q、S标点在图上，连接各点及原点绘成圆滑曲线(见图2)。图上直线I表示承压水(即充满于两个隔水层之间的含水层的地下水)，实践表明：当水位降深较大，含水层富水性较弱，补给条件也差，则直线工会呈曲线。曲线Ⅱ表征潜水(即埋藏于地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水)，当水位下降较小，而含水层补给量充沛，曲线Ⅱ会呈曲线。曲线Ⅲ表示补给量不足，或因洗井不彻底造成在抽水过程中进水不畅，曲线Ⅳ表征两种绝然不同的情况：当水泵吸水笼头放置在过滤器进水部位时，因受三维流或紊流的影响，这属于正常现象；而当吸水笼头放置在过滤器进水部位以上时，则表明该抽水试验有错误，资料不能应用，得重新试验。曲线V表明某一降深值起，当S值增大，而Q值却不变，这多属因降深过大使补给量来不及满足所致。

图2 Q―S曲线 图3q―s曲线

(3)绘制单位出水量与水位降深的关系曲线图(q―f(S)曲线图)。井单位出水量是指在该落程内，每下降一米水位的平均出水量。绘制此图时先把各个落程的Q值换算成q值，以纵坐标代表单位出水量q，横坐标代表水位降深值(S)，把q及S值标在图上，连接各点即成(3)绘制单位出水量与水位降深的关系曲线图(q―f(s)曲线图)。井单位出水量是指在该落程内，每下降一米水位的平均出水量。绘制此图时先把各个落程的Q值换算成q值，以纵坐标代表单位出水量q，横坐标代表水位降深值(S)，把q及S值标在图上，连接各点即成q=f（s）曲线图(图3)。图中工、Ⅱ、Ⅲ曲线是正确的。而Ⅳ曲线多数情况下错误的，应及时查找原因以纠正差错或重新试验。

3 水文地质参数的计算

岩土工程勘察所需的水文地质参数主要为渗透系数K及影响半径R，因无观测孔，不能直接采用裘布依公式计算渗透系数K及影响半径R，而采用裘布依公式结合库萨金或吉哈尔特经验公式，采用迭代法或试算法求解。在选用计算公式时，应充分考虑适用条件，分潜水完整井和承压完整井，公式如下：

潜水完整井K、R计算公式：

承压完整井K、R计算公式:

式中：Q―抽水流量，m3/d；

M一含水层厚度，m；

H―抽水前的原始水位，亦称静止水位，m；

s―井内水位下降值，简称降深，m；

r一抽水井半径，m；

R―抽水补给半径或影响半径，m；

K―渗透系数，m/d。

4 结语

(1)抽水试验需要一定的时间周期,对勘察工作的安排有一定影响,尤其是利用勘察钻孔成孔的情况。此外, 在抽水试验时机的选择上,以对拟建场地的水文地质条件(包括含水层顶底、板埋深,含水层厚度,水位,补给、迳流及排泄条件等)有全面了解时为宜。最好将岩土工程勘察的施工组织设计和抽水试验施工组织设计相结合, 做到合理安排,以达到节约费用、缩短工期的目的。

(2)抽水试验应在单一含水层中进行,并采取措施避免其他含水层的干扰,试验地点和层位要有代表性,地质条件应与计算分析方法一致。

(3)抽水试验中,要严格按各工序进行,即准备―成孔―洗井―试抽―正式抽水,只有获取准确野外测试数据, 才能取得较准确的水文地质参数。

(4)根据水文地质条件、地下水水力性质、井孔结构等,选择相适应的计算公式非常重要。而充分搜集区域水文地质资料、地区经验和长期观测资料,选择合适的经验参数和经验公式参与计算同样很重要。采取上述步骤,结合多种计算模式进行计算并对计算结果进行比较,往往能获取较准确的水文地质参数。

(5)在含水层深埋或坚硬基岩区，钻进施工困难，成本费用很高，如能基本满足资料及精度要求，可采用单井抽水试验，以节省成本费用。