水文地质钻探

水文地质钻探
shuiwen dizhi zuantan
水文地质钻探
hydrogeological drilling
在水文地质各勘察阶段所进行的钻探工作，其目的是了解地层岩性、地质构造、地下水的赋存条件和运动规律，水质、水量、水温的变化，为正确评价地下水资源，合理开发利用与保护地下水提供资料。

钻孔分类分勘探孔、试验孔、观测孔和探采孔四种。

勘探孔用于水文地质普查。

主要获取地层的岩性、地质构造和含水层的埋藏深度、厚度、性质及富水性等资料。

钻探要求满足岩心采取率、校正孔深、测量孔斜、简易水文地质观测、原始记录和封孔等六项指标。

试验孔用于初勘阶段。

在初步掌握地层岩性、地质构造等资料的基础上，着重了解地下水的水量、水位、水质、水温等资料。

要求进行分层观测、分层抽水，单孔或群孔抽水等。

观测孔用于研究地下水动态变化规律和为测定与抽水孔水位变化关系，以及了解不同含水层的水位、水温、水质变化而布置的钻孔。

探采孔用于已定水源地的详勘阶段。

在已取得水文地质资料的基础上，结合工农业生产开采水源的需要布置钻孔。

通过钻探进一步取得水文地质资料后，即可作为开采井使用。

钻探要求既满足获得有关水文地质资料，又要满足开采生产井对水质、水量、卫生防护等的要求。

钻孔布置在水文地质测绘和工程地球物理勘探的基础上进行,其目的是能查明勘察区的水文地质条件,取得水文地质参数和评价地下水资源所需的资料。

在松散沉积物地区，须根据地质、地貌及水文地质条件布置勘探线网，勘探线间距与孔距按勘察阶段和不同类型松散沉积物地区的水文地质条件复杂程度而定。

在碎屑岩地区，勘探线的布置应能控制勘察区不同水文地质单元和地质构造、地貌条件，并且须垂直构造线或沿地层水文地质条件变化最大的方向布置。

在岩溶地区，除按碎屑岩地区布置勘探线网外，还应考虑布置在沿地
表水系和断层附近，岩溶裂隙发育带和岩溶微地貌发育处。

钻孔结构设计设计内容包括开孔直径、终孔直径、钻孔深度、换径的层次结构和深度、过滤器类型、止水方法等。

①孔径。

随钻孔的勘探目的不同而异。

勘探孔孔径一般在200毫米以下。

试验孔和探采孔孔径一般都比较大，通常松散层孔径在400毫米以上,基岩层孔径在200毫米以上观测孔孔径比较小,通常松散层孔径在200毫米以下,基岩层孔径在150毫米以下。

②孔深。

要求钻穿有供水意义的主要含水层（组）或含水构造带（岩溶发育带、断裂破碎带、裂隙发育带等）。

③孔的垂直度。

要求以保证井壁管、过滤器顺利安装和抽水设备正常工作为准。

④冲洗液。

应适于含水层的情况和钻探的要求。

基岩中的勘探钻孔，常采用清水作为冲洗液，松散层中的勘探钻孔,根据含水层情况和勘探的要求,一般采用清水水压钻进或用泥浆作冲洗液。

采用泥浆钻进时，宜选用利于护孔，不污染含水层、易于洗井的优质泥浆。

⑤止水、封孔。

勘探钻孔须分别查明各含水层（带）的水位、水质、水温、透水性,或对某含水层进行隔离时,须进行止水工作。

勘探钻孔获取资料后，如没有其他用途，都要进行封孔。

封孔是为了避免含水层中的水互相串通，使地下水受到污染，或使承压水遭到破坏。

在主要含水层的顶底板封闭要超过5米。

一般压力的含水层可采用粘土封闭；如果是高压含水层或下部有开采的矿床则要用水泥封闭。

对可能受到地表水污染的钻孔，孔口要用水泥封闭。

钻探设备常和水井钻探设备通用，和其他钻探设备相比，具有扭矩大、适应性强、运移性好、种类多等特点，中国当前常用的水文地质钻探设备有冲击式钻机、回转式钻机和复合式钻机。

(见彩图[红星－400型
水文地质钻机])
钻探方法水文地质钻探大多是在第四纪松散的卵石层、砾石层以及砂、粘土、砂土等地层中进行。

这类
地层的特点是胶结差，易坍塌、漏失，取心困难。

部分钻探是在基岩中进行，含水岩层多有裂隙、溶洞。

不同地层采用不同钻进方法。

常用的钻探方法按钻进方式分为冲击钻进法、回转钻进法、冲击回转钻进法。

冲击钻进法又分为钻杆冲击钻进和钢丝绳冲击钻进。

常用的钢丝绳冲击钻进是借助于一定重量的钻头，在一定的高度内周期地冲击井底，使地层破碎而得进尺。

在每次冲击之后，钻头或抽筒在钢丝绳带动下回转一定的角度，从而使钻孔得到规则的圆形断面。

用该法钻进卵石、砾石层，致密的基岩层效果较好。

在第四纪地层中钻进，多使用工字形钻头和抽筒式钻头，在基岩层中多使用十字形钻头和圆形钻头。

回转钻进法又分为正循环钻进法和反循环钻进法。

正循环钻进法是由转盘或动力头驱动钻杆回转，钻头切削地层而获得进尺。

冲洗液由泥浆泵送出，经过提引水龙头和钻杆流至孔底冷却钻头后、经由钻杆与孔壁之间的环状间隙返出井口,同时将孔底的岩屑带出,用这种方法钻进砂土、粘土、砂等地层时效率较高。

在第四纪地层中全面钻进，多使用鱼尾钻头、三翼刮刀钻头和牙轮钻头。

在基岩层取心钻进，多使用岩心管取心合金钻头和钢粒钻头，全面钻进多使用牙轮钻头。

反循环钻进法适于在卵石、砾石、砂、土等地层钻进大直径钻孔，具有钻进效率高，成本低等优点。

有三种反循环方式：①泵吸反循环，利用离心泵（砂石泵）的抽吸作用，井孔内的冲洗液自上向下流动，经过井底与被切削扰动的岩屑一起进入钻杆，再经吸水软管进入离心泵而排入沉淀池，沉淀后的冲洗液再流回井孔，形成循环。

离心泵的抽吸效率，在孔深50米以内效率较高，随着孔深的增加其效率逐渐降低。

②喷射反循环，利用水泵或空气压缩机所产生的高压流，经装在喷射腔内的喷嘴将水或空气高速喷射出去,在喷嘴外部形成负压区,其负压可达0.08～0.09兆帕，此负压区可使钻杆内的冲洗液流动，并排出孔外，以此造成冲洗液不断循环。

喷射反循环，功率损失较大，利用率低，并随着孔深的加深，效率迅速下降，一般在50米以内孔段使用，在深孔常和气举反循环钻进法配合使用。

③气举反循环（压气反循环），利用压缩空气与钻杆内的冲洗液混合后形成低比重的混合物，以高速向上流动，从而将孔底岩屑带出孔外。

其效率主要取决于压缩空气的压力和排量，以及输气管沉没在水中的深度和混合室的结构等。

此法不能用于10米以内的孔段。

在孔深50米以内效率低于泵吸反循环和喷射反循环，但随着钻孔的加深，其效率逐渐提高。

这种方法常与泵吸反循环或喷射反循环配合使用，以便充分发挥各自的特点，取得更加经济合理的效果。

冲击回转钻进法分为液动冲击回转钻进法和气动冲击回转钻进法（即潜孔锤钻进法）。

常用的潜孔锤钻
进法是以转盘或动力头驱动钻杆和潜孔锤回转，并以高压大风量的压缩空气驱动潜孔锤的活塞，以高频率冲击钻头破碎岩石，通过钻头排出的压缩空气将岩屑带出孔外。

其效率约为空气冲洗牙轮钻头回转钻进效率的数倍，钻进坚硬岩层效果更为显著。

这种钻进方法是以压缩空气为冲洗介质,因受空气压缩机压力限制,在水位高、富水性强的岩层中使用，其钻进深度不能很大。

钻探编录和成果钻探过程中要保证采取土样、岩样的质量。

试验用土样的取样质量、岩心采取率、土的分类、定名以及土样和岩样（岩心）的描述均需按一定要求进行。

并对水位、水温、冲洗液消耗量、漏水位置、自流水的水头和自流量、孔壁坍塌、涌砂和气体逸出情况，岩层变换深度、含水层构造和溶洞的起止深度等进行观测和记录，钻探结束后，应对所揭露的地层进行准确分层。

水文地质钻探应提交达到设计要求的钻孔；按一定要求采取岩土样、水样；字迹清晰的钻探编录；以及钻孔综合地质柱状图等成果。

参考书目
武汉地质学院主编:《钻探工艺学》,地质出版社，北京，1981。

水文地质试验
shuiwen dizhi shiyan
水文地质试验
hydrogeological test
为测定水文地质参数和了解地下水的运动规律而进行的试验工作，内容包括抽水、注水、压水、渗水、连通、流速和弥散系数测定等。

其中抽水试验是最主要的手段。

抽水试验利用井（孔）抽取地下水，以了解井的涌水量及其与水位下降的历时变化关系。

抽水试验按地下水流态可分为稳定流和非稳定流抽水。

按抽水井与观测孔的关系可分为单孔抽水和多孔抽水；按井孔贯穿
含水层的程度可分为完整井抽水和非完整井抽水；按抽水井与含水层的关系可分为分层抽水和混合抽水等。

①稳定流抽水。

抽水时流量和水位降同时保持不变，适用于抽水量小于补给量的地区，这种抽水一般需进行三次水位降。

其最大降深值,潜水应介于其含水层厚度的1/3～1/2之间;承压水不得大于其承压水头。

稳定时间一般为8～24小时当水质和水量发生突然变化时则要延长稳定时间。

②非稳定流抽水。

保持抽水量为常量，观测水位随时间的变化，在抽水量大于补给量或抽水过程中水位一直持续下降的地区更为适用。

抽水时间视其目的、水文地质特征、水位降与时间关系曲线类型和选用计算参数的公式而定。

一般为12～24小时。

稳定流与非稳定流抽水可结合进行，观测孔兼顾两者的计算要求布设，既满足后者对水量、水位的观测精度，又达到前者的延续时间，互相校正，以获得较理想的成果。

抽水试验的设备通常为空气压缩机或深井泵。

当地下水最大动水位深度小于7.5米时,可采用卧式离心泵。

若是非稳定流抽水，则宜采用电动离心泵或深井泵。

抽水试验过程中，为便于发现和及时处理异常现象,确定抽水试验延续时间,应根据试验要求并作为成果绘制和提交下列资料：
当进行稳定流抽水时，绘制涌水量、水位降－历时(、-)曲线、涌水量-水位降关系[＝()]曲线（图1[地
下水水位及流量历时曲线]）及单位涌水量-水位降关系[＝()]曲线。

当进行非稳定流抽水时，应绘制抽水井水位降与时间,观测孔水位降与抽水井距离()、水位恢复与时间的对数关系曲线,即-lg（图2[水位下降-时间对数关系曲线]
）、-lg、-lg(1+/)(图[kg2]3[水位恢复-时间对数
关系曲线])曲线。

注水试验连续往井内注水，使井中水位抬高，形成以井为中心的反漏斗曲面，并取得井中稳定的地下水位抬高值和注入水量，测定地下水位以上或某一深度井段岩层的渗透性，适用于不能进行抽水试验的地段。

在不含水的干燥岩层中注水，且试验段高出地下水位较多，介质为各向同性时，则井中注入水柱的高度应小于或等于试段长度,并与井半径之比值为50～200之间。

注水试验装置由注水管、开关和流量表组成。

稳定时间一般为4～8小时。

压水试验向井内压水取得单位时间的漏水量与压力、试段长度间的相互关系，以定性地了解地下不同深度坚硬、半坚硬岩层的相对透水性和裂隙的相对发育程度，主要为水工构筑物设计提供资料。

目前多采用自上而下栓塞隔离的分段压水法。

稳定时间通常要超过2小时。

压水试验所用止水栓塞多为双管循环式和单管
压水式（图4[压水试验装置]）。

渗水试验在表层干土试坑中连续均匀注水，使坑内水层保持一定厚度,求出坑底单位时间的入渗水量,用以计算包气带松散岩层渗透系数。

对灌溉设计、研究区域水均衡等都有十分重要意义。

一般在潜水位深度大于5米的地区进行，试坑底面积多取30×30厘米，并要求坑底水平和铺设约2厘米厚的砂砾石缓冲层,保持坑内水层厚10厘米。

当注入水量达到稳定后延续2～4小时即可结束。

为排除试坑侧向渗透影响，通常采用双环法进行试验，即在坑底嵌入两个高约20厘米，直径分别为25和50厘米铁环，并保持内外环的水层厚度相同，从而使内环中的水只产生垂向渗入，同时利用土钻获取试验时间内水由坑底向土层渗透的深度，就可求得精确度较高的渗透系数值。

渗水试验结束后，应提交试坑平面位置图、水文地质剖面图及渗透速度历时曲线。

连通试验利用溶洞、裂隙等天然通道，研究地下水的流向、补给范围、补给速度、补给量以及与相邻地区地下水、地表水关系等。

试验需有确切水文地质测绘资料证实存在连通性的地段进行。

常用的方法为：①水位传递法。

采取闸水、放水、堵水或抽水、注水等手段，观测水位、水量、水色变化。

②示踪剂法。

在上游投放示踪剂如染料、盐类或放射性同位素等，观测其在下游的出现。

③气体传递法。

在与地下水有联系的无水溶洞或裂隙内放烟，通过自然通风或用人工鼓风的方法使烟扩散。

连通试验的成果有试验段(点)的水位、水量、水质或示踪剂浓度变化的历时曲线和岩溶、裂隙连通平面图。

流速测定测定地下水实际流速，首先根据已有等水位线图或在无此图时沿等边三角形顶点布孔，确定地下水流向，然后分别在上下游布设示踪剂投放孔和观测孔，孔距决定于含水层透水性,在细砂中为2～5米,含砾粗砂中为5～15米，裂隙岩层中为10～15米,岩溶发育岩层可大于50米。

为避免示踪剂绕过观测孔，常在其两侧0.5～1.0米处各布一辅助观测孔（图5
[地下水流向、流速测定钻孔布置]），所投示踪剂种类及检验方
法见简表[地下水实际流速测定方法简表]。

根据试验资料，绘制观测孔示踪剂随时间的变化曲线，并以示踪剂浓度中间值出现时间来计算流速。

还可由投剂孔内不同时间的示踪剂浓度变化，利用单井稀释法求得投剂孔附近之地下水流速。

弥散系数测定弥散系数是描述地下水中污染质混溶运移和进行水质预测的重要参数。

通常是在一个井孔中连续或脉冲注入含有示踪剂的流体，获得投剂孔、观测孔在不同时段内的水位及示踪剂浓度变化，然后根据其具体条件选用数学模型。

以数值解或解析解计算出弥散系数。

要求示踪剂毒性最小，能与地下水溶混运移而不改变地下水的密度、粘度、流速和流向
等天然性质，并在预定时间、距离内保持其化学稳定性和易于微量检测。

多使用食盐、荧光染料和放射性同位素([kg2]I
)等。

根据弥散距离确定测定方法：①2～4米，多以单井脉冲注入。

记录井内不同深度的流速和示踪剂浓度随时间的变化。

②4～20米，需采用群井试验（图6[弥散系数测定试验钻孔布置]
），记录观测井中示踪剂浓度随时间的变化。

③20～100米，如地下水流向准确,可采用群井试验。

否则应利用物探电法测量。

④大于100米,则多应用物探技术或环境示踪物(调查前就存在于土壤中的物质)如天然放射性同位素或海水入浸等。

弥散系数测定的试验结果，主要是提交投剂孔和观测孔内水头及示踪剂浓度随时间的变化曲线及弥散系数计算数据。

许人冰
shuiwen dizhi cehui
水文地质测绘
hydrogeological survey
为了解水文地质条件的一种以地面观察测绘为主的野外工作。

其工作内容是按一定的路线和观察点对地貌、地质和水文地质现象进行详细观察记录，在综合分析所有观察、测绘、勘察和试验等资料的基础上，编制测绘报告和水文地质图。

准备工作水文地质测绘是在已有的地形底图和地质图基础上进行的。

采用的地形底图和地质图的比例尺应比测绘的比例尺大一级以上，只有在极特殊情况下才允许采用相同比例尺的地形底图和地质图。

在无相应的地质图时,应同时进行地质测绘。

在一般工程建设中,水文地质测绘常用的比例尺为1∶10000～1∶50000，在局部地区有时为了特殊需要也可以采用1∶5000或更大的比例尺。

为熟悉工作地区的情况，在野外工作之前，应充分收集和研究该区前人所作工作和已有成果资料，进行细致的分析研究；并选择有代表性的路线进行预先踏勘。

测绘工作水文地质测绘通常是按每平方公里布置若干观察点及路线长度来进行的。

不同比例尺的测绘有不同的点线密度要求,比例尺愈大则要求观察点愈密,观察路线也愈长。

野外工作时，应详细描述沿路线所观察到的所有地貌、地质和水文地质现象，采集土样、岩样和水样进行有关试验分析或做简易抽水试验和试坑注水试验。

观察点的布置，既要做到对整个区域或某一图幅的全面控制,又要从实际出发,考虑到地质、地貌和水文地质条件各方面的特殊观测要求。

观察路线的布置，一般应沿自然条件变化最大的方向，有时也可以局部穿插。

在水文地质测绘过程中，除了常规的地面调查工作外，常要配合进行一定的坑探、槽探和钻探工作，以便查明地下水的埋藏特征，研究其分布与运动规律。

并圈定有利用价值的勘探地段。

在现代沉积物覆盖地区，为了探索深埋的地质构造、裂隙、岩溶分布以及了解第四纪沉积物及地下水的变化规律，还要进行一定的工程地球物理勘探工作。

在范围较大或不易通行的山区，进行水文地质测绘时，应充分利用已有的航摄像片或卫星照片进行地质判释。

如果没有可资利用的航摄像片与卫星照片时，也可以进行航空物探工作。

水文地质图是水文地质测绘的重要成果之一，包括：实际材料图、地质图、综合水文地质图（见彩图[水文地质略
水文地质测绘
shuiwen dizhi cehui
水文地质测绘
hydrogeological survey
为了解水文地质条件的一种以地面观察测绘为主的野外工作。

其工作内容是按一定的路线和观察点对地貌、地质和水文地质现象进行详细观察记录，在综合分析所有观察、测绘、勘察和试验等资料的基础上，编制测绘报告和水文地质图。

准备工作水文地质测绘是在已有的地形底图和地质图基础上进行的。

采用的地形底图和地质图的比例尺应比测绘的比例尺大一级以上，只有在极特殊情况下才允许采用相同比例尺的地形底图和地质图。

在无相应的地质图时,应同时进行地质测绘。

在一般工程建设中,水文地质测绘常用的比例尺为1∶10000～1∶50000，在局部地区有时为了特殊需要也可以采用1∶5000或更大的比例尺。

为熟悉工作地区的情况，在野外工作之前，应充分收集和研究该区前人所作工作和已有成果资料，进行细致的分析研究；并选择有代表性的路线进行预先踏勘。

测绘工作水文地质测绘通常是按每平方公里布置若干观察点及路线长度来进行的。

不同比例尺的测绘有不同的点线密度要求,比例尺愈大则要求观察点愈密,观察路线也愈长。

野外工作时，应详细描述沿路线所观察到的所有地貌、地质和水文地质现象，采集土样、岩样和水样进行有关试验分析或做简易抽水试验和试坑注水试验。

观察点的布置，既要做到对整个区域或某一图幅的全面控制,又要从实际出发,考虑到地质、地貌和水文地质条件各方面的特殊观测要求。

观察路线的布置，一般应沿自然条件变化最大的方向，有时也可以局部穿插。

在水文地质测绘过程中，除了常规的地面调查工作外，常要配合进行一定的坑探、槽探和钻探工作，以便查明地下水的埋藏特征，研究其分布与运动规律。

并圈定有利用价值的勘探地段。

在现代沉积物覆盖地区，为了探索深埋的地质构造、裂隙、岩溶分布以及了解第四纪沉积物及地下水的变化规律，还要进行一定的工程地球物理勘探工作。

在范围较大或不易通行的山区，进行水文地质测绘时，应充分利用已有的航摄像片或卫星照片进行地质判释。

如果没有可资利用的航摄像片与卫星照片时，也可以进行航空物探工作。

水文地质图是水文地质测绘的重要成果之一，包括：实际材料图、地质图、综合水文地质图（见彩图[水文地
质略图]）、地下水化学图、地貌图、第四纪地质图、地下水等水位线及埋藏深度图、地下水开发利用规划图等。

其中前四项是基本的。

其他图件的编制可根据工作目的和工作实际需要进行取舍。

水文地质参数
shuiwen dizhi canshu
水文地质参数
hydrogeological parameter
表征地层含水特性的数量指标。

最基本的水文地质参数是渗透系数和释（储）水系数。

渗透系数用来衡量含水层传输地下水的能力，释（储）水系数则反映含水层释水和储水的能力。

渗透系数单位水力坡度作用下（水力坡度是指单位距离内的水位差），从单位面积含水层通过的流量。

常用厘米/秒或米/日表示。

渗透系数的大小主要取决于含水层中相连通的空隙的尺度。

具有较大空隙的含水层必具较大的渗透系数。

但又和在其中流动的液体的容重、粘滞度等有关。

在同一含水层中若换以容重比水小、粘滞度比水大的他种液体，如石油，则此含水层的渗透系数即变小。

因此它是一个兼及地层和流体特性的综合性参数。

由于地下水的水温比较恒定，水的容重和粘滞度变化极微，故流体的因素可以忽略。

但在研究盐水、卤水的渗流和地下水污染的问题时，则必须考虑流体的质的变化。

渗透系数有线性和非线性的区别。

在水力坡度变化的情况下，一定地层的渗透系数始终保持为常数，称线性渗透系数。

若渗透系数的值，随着水力坡度的增大而变小，则称非线性渗透系数。

一般在空隙度小的地层中，渗透系数常保持为线性的，而在空隙度大的地层中，渗透系数则常为水力坡度的函数。

非饱和地层的渗透系数，与饱和地层不同，它的值随地层饱和度的变小而减少。

释（储）水系数分给水度和弹性释水系数。

①给水度。

含水层被疏干时，所释出的水体积与该含水层体积之比。

给水度的值取决于含水层的孔隙率，但由于水分子的吸附作用,其值总是小于孔隙率。

孔隙越小,水的吸附作用越大，两者的差也越大。

②弹性释水系数。

承压含水层中降低单位水头时，从一单位面积含水层柱体中所释出的水体积与该柱体的体积之比。

由于承压含水层水头的降低，将原来由此水头承担的上覆地层的自重压力转嫁给含水层，从而使具有一定弹性的含水层受到挤压，孔隙或裂隙度相应减少而释出一部分水。

与此同时,因水本身也属弹性体，水头的降低促成水的膨胀,增加一部分水体积，两者提供了弹性释水系数的物质基础。

给水度和弹性释水系数都是体积比，故是无量纲数；又因含水层和水的弹性模量都是极小的数，故弹性释水系数只及给水度的1/1000或1/10000。

其他参数从渗透系数和释（储）水系数还可以派生出表征其他特征的参数，如导水系数（含水层的渗透系数与厚度的乘积）；导压系数〔渗透系数和释（储）水系数之比〕，它反映含水层中任一点的水位或压力有所变动（升或降）时，在一定距离外的其他地点受到影响所需时间的长短；影响半径，表征由单井抽水造。