大型群孔抽水试验在工程中的应用

大型群孔抽水试验在工程中的应用吴志伟河海大学土木工程学院，南京（210098）E-mail：wzw@摘要：大型群孔抽水试验是水文地质勘探中查明水文地质条件、计算水源地地下水允许开采量最直接、保证程度最高的勘察手段之一。

利用大型群孔抽水试验资料可以确定诸如地下水补给来源、抽水影响范围、含水层的富水性及供水保证能力、地下水之间及与地表水之间的水力联系、断裂构造的水力性质、水源地抽水对地面沉降的影响等问题。

文中对试验技术要求和资料处理作了说明，介绍了计算水文地质参数与水源地地下水允许开采量的方法。

关键词：群孔抽水试验，水文地质参数，水文地质勘察1. 概述在以往的水文地质勘查工作中，抽水试验一直被广泛采用，通过它不仅可以探明地下含水系统的运动变化规律，还可以较准确地确定研究区域的水文地质参数。

但是由于经济条件的限制，在实际工作中大多采用单井抽水试验，单井抽水所引起的地下水变幅较小，能反映的水文单元在广度和深度方面都很有限。

随着工农业的发展和经济条件的改善，越来越多的工程选址于地质条件不是很理想的地区，对水文地质勘查的精度提出了更高的要求。

近年来对城市水资源的过渡开发利用，带来了日益严重的地面沉降，水质恶化等城市环境地质问题，如何对城市及其周边深层含水层做出科学评价、合理规划开采强度的问题摆在了人们的面前。

大型群孔抽水试验是一种大流量、大降深、长时间的抽水，它能对研究区水文地质条件进行整体暴露，具有技术含量高、观测精度高、反映信息多的特点。

虽然群孔抽水试验费用高、耗时长、实施难度大，但是由于它本身的优越性，在越来越多的工程勘查中开始采用大型群孔抽水试验。

大型抽水试验能够查明水文地质条件，进而计算水文地质参数与水源地地下水允许开采量[1]。

例如：1977年小龙潭褐煤田江南井田补勘时，曾进行过大型群孔抽水试验，利用比拟法计算矿坑涌水量[2]；还有1992年广东省封开县太子山矿泉水水源地的模拟开采试验[3]；1993年河南省商丘永城电厂水源地勘查中利用大型抽水试验查明灰岩裂隙岩溶含水层组的水文地质条件，提高了对含水层组水资源评价的准确性和可靠度[4]；20世纪90年代期间，郑州地质工程勘查院在供水水文地质勘察过程中，在郑州市北郊黄河滩地进行了四组大型抽水试验，获得了宝贵的资料用来探讨开发黄河沿岸地带地下水的问题[5]；2001年在平凉太统山岩溶水水源地勘查中应用的群孔抽水试验[6]；2006年9月台安县锅称子村地下水可采资源的评价等[7]。

2. 大型群孔抽水试验技术要求2.1 研究区水文地质模型概化在试验之前必须开展普查勘探工作，查清工程区的基本水文地质特征，确定研究区域范围，对研究区域进行模型概化。

具体要查明含水系统边界的位置、特性、水流方向；结合物探钻探资料，查明地下含水岩组的岩性特性，划分含水层与隔水层及各层之间地下水的相互补给关系；利用各种勘探手段和现场实测，结合地形构造、泉水出露、温度、电导率、水质分析等手段，探明区域地下水系统的补给、径流、排泄规律；对地下水的动态特征做出分析评价。

在查明研究区水文地质特征的基础上，对该水文系统做一定的简化，形成由若干水文地质单元组成具有完整地下水补径排系统的水文地质模型。

2.2 抽水试验设计水文地质模型的建立为后期抽水试验设计提供了依据，抽水孔应尽量揭穿主含水层，才能保证出水量，揭露主要水文地质单元，达到研究目的，但同时也要考虑可行性问题。

抽水孔在平面上布置应充分考虑工区含水岩层埋藏条件，最好位于主径流带上，多个抽水孔布置成直线形、扇形、圆形等。

从保证井的涌水量出发，群井的布设，井距应为2倍的单井影响半径。

但在实际使用中由于用电线路过长会使造价提高很多，应依照客观条件对井距做出调整。

观测孔要合理利用已有的钻空或水井，这样会节省很多试验成本，但也要保证观测孔的数量以得到足够的观测数据。

试验应该选在枯水期，这样大气降雨对水文系统输入输出的影响就可以降到最小，同时还要避免农田灌溉、水库或河流水位骤变等对试验的干扰。

大型群孔抽水试验抽水量的设计非常重要：过小则不能充分暴露水文地质条件，降落漏斗延伸不到边界；过大则会对水文系统造成破坏，难以恢复。

在试验过程中可以改变抽水孔与观测孔的组合，也可同时做单孔抽水，这样通过多次多种试验获得更加全面的资料。

2.3 观测要求大型群孔抽水试验过程一般很长，由几天到几十天，因而对观测也有特别的要求。

在抽水初期，要加密观测次数，利用非稳定流计算参数，待抽水稳定后，记录各观测孔的降深—时间关系，观测过程中应该严格按照规范，保证精度。

水位恢复过程对求参具有更加重要的意义，在试验中也要记录，当水位恢复到试验前自然状态，试验方可结束。

3. 大型群孔抽水试验资料处理3.1 确定补给源大口径主孔一般是经过勘探过程逐步揭露，优胜劣汰，在后期选择的条件最优的钻孔，再加上建立在各个主要含水层、断层带上的配套观测孔，这种试验配置对于暴露整个勘探区流场十分有利，能够有效的确定勘探区的边界条件[8]。

边界附近在抽水过程中地下水位的变化特征可以直观的反映该边界的导水性能。

如果是透水边界，观测孔的水位变幅不大，水位恢复较快；如果是隔水边界，在抽水过程中地下水位迅速下降，停抽后水位恢复的也较慢。

例如河流附近由于受河水的补给，降落漏斗很快会恢复到抽水前的天然状态，说明河水与地下水的水力联系紧密，河水是勘探区的主要补给源。

3.2 确定主径流方向绘制区域水位降深场，可以清楚地看出降落漏斗的形态，长轴方向是主要的径流方向，外界水源主要通过这个条带补给研究区。

水力梯度场是反映地下不同区域水力联系强弱的有效方法，等值线图密集的地方水力联系强，反之则弱。

抽水期间，各孔水位降低和恢复速度的快慢，反映驱动性的强、弱不同，绘制降（升）速场分布图也为判断强弱径流带提供了直接依据。

在正向抽水和反向恢复水位期间，其压力传递速度也有差别，表现在正向传递快的地区，其驱动性比较强，反向恢复时则较慢。

3.3 判断主要断裂构造的水力性质断层附近观测孔水位与主抽水孔水位变化有较好的相关性，则说明该断层导水性较好，断层两侧观测孔水位变幅不一致或有明显的滞后则说明该断层阻水。

水位恢复的快慢也反映出断层的过水性质，可以绘制相关观测孔的水位变化过程线予以说明。

3.4 评价富水性无论是矿坑涌水计算、基坑降水设计还是地下水资源评价，开展大型群孔抽水试验都是必要的。

群孔抽水试验稳定后的抽水量就可以当作地下水可开采量，若是抽水量很大，达到疏干排水的程度，就要通过抽水试验资料确定抽水量（Q ）与地下水位埋深（D ）的关系式，再根据规定的最大允许地下水位埋深值，计算水源地地下水允许开采量。

在抽水过程中，若有稳定的补给源，且地下岩层下岩层渗透性较好，则地下水位降幅不明显，地下水资源较丰富。

管井抽水中出水量Q 与其相应的水位降深s 一般都具有一定的函数关系，如对数、幂、指数、抛物线关系。

这种函数关系均可通过单井抽水试验确定下来。

当抽水井以一定流量抽水时，观测孔水位降深与抽水井出水量Q 以及距离d 的关系可用一定的函数关系式表示，再把多井出水量按一定的权值叠加，这个权值可以通过井间干扰系数来确定。

由这个干扰井群抽水时降深与出水量Q 和距离d 的相关关系式就可以预测某点某一降深的出水量。

张焕智[9]（1999）给出这一关系式：0123lg (lg )lg s b b Q b b Q d =+++ （1）由于大型群井抽水试验的抽水量大、影响范围广，对区域地下水资源量评价比单井抽水科学的多。

3.5 水文地质参数计算3.5.1 基本原理承压完整井非稳定流的计算当前都采用泰斯（Theis ）公式，即：()4Q s W u T π=24r u t α= （2） 式中：s 为在承压含水层中以定流量Q 抽水，在时间为t （从抽水开始时刻算起）时，与抽水井径向距离r 处的水头降深（m ）；T 为导水系数，T=KM （m 2/d ）；M 为承压含水层厚度（m ）；K 为含水层的渗透系数（m/d ）；α为压力传导系数（m 2/d ）；弹性给水度µ=T/α；W （u ）为井函数。

2110()0.5572ln (1)!u i i u W u e u du u i i +∞+∞−−===−−−−⋅∑∫ （3）式（2）对时间t 求导：1*4u s Q e t T t π−∂=∂ （4） 当t 足够大（225r t α≥）时0.014r t α≤，240.99r t e α−=，1u e −→。

则式（4）可简化为：1*4s Q t T t π∂=∂ （5） 式（5）表明，在定流量抽水试验后期，即当延续时间较长时，水位降速与径向距离r 无关，除随时间变化外，同时与导水系数T 呈反比。

即水位降深随导水系数T 的增大而减小，其降速场的形态越平缓。

在抽水后期，岩层导水性越好的区域，水位下降的越慢。

将式（2）写成时间t 是Q 与水位降深s 的函数：211*44()r t Ts T W Q µπ−=（6） 由（6）式知在抽水初期，若r ，µ一定时，出现水位降深s 的时间t 值随导水系数T 的增大而减小，即降落漏斗传递速率最大方向和位置是导水系数最大方向地段，在平面上就是降落漏斗的长轴方向是导水系数较大的方向。

当u ≤0.01时，井函数用式（3）的前两项近似，其绝对误差不超过u ，为此可导出Jacob 公式：22.25ln 4Q Tt s T r πµ=（7）3.5.2 直线图解法或配线法[10] 在群井抽水试验中，假设单井流量为定值，分别为Q 1、Q 2…Q n ，抽水时间足够长，则某观测点水位降深可表示为：21 2.25ln 4ni i i i Q Tt s T r πµ==∑ （8） 式中：r i 为观测孔到各抽水井的距离（m ）；t i 为各抽水孔的抽水时间（d ）。

式（8）两边同时除以1n ii Q =∑，再做简要变化得： 210.183 2.25lg lg n i i s r T T t Q µ=⎡⎤=−−⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑ （9）式中： 22lg lg i i iir Q t r t Q=∑∑ 在单对数纸上，由上式可知：单位降深1n i i s Q=∑与2r t 为直线关系，做通用综合因素降深图，由直线斜率i 与截距20r t ⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎝⎠得：0.183i T =−即： 0.183T i =−（10）202.25Tr t µ=⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎝⎠ （11）由此可以得到导水系数T 和贮水系数或弹性给水度µ。

3.5.3 井群概化为单井的方法井群在抽水过程中会相互干扰，一般采用干扰井群公式。

刘志峰 [11]把降井群抽水概化为单井抽水，选取一个最具有区域典型代表性的单井作为主抽水孔，将其它抽水孔的出水量加权求和作为主抽水孔的出水量，再者利用多层次多目标系统模糊决策模型优选出受二维流影响最少，但水力联联系密切的观测孔，作为最佳观测孔，然后进行水文地质参数的求解。