本發(fā)明涉及一種現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的外管降深雙管法，尤其是一種現(xiàn)場(chǎng)確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)、貯水率等水文地質(zhì)參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，由于弱透水層釋水引起地面沉降的資源與環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重。僅中國(guó)長(zhǎng)江三角洲，由于地下水超采引起的地面沉降大于200mm的面積已占區(qū)域面積的十分之一，其中最大累積沉降量達(dá)2.80m，已造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)500億美元；此外，地下水的污染也由上部含水層向深部擴(kuò)展。所有這些都與含水層系統(tǒng)重要的組成部分弱透水層的水文地質(zhì)特性密切相關(guān)。弱透水層的水文地質(zhì)參數(shù)(如傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)、貯水率)不僅對(duì)預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和控制地面沉降有重要意義，而且對(duì)地下水資源開(kāi)發(fā)、評(píng)價(jià)和計(jì)算以及含水層系統(tǒng)污染物運(yùn)移規(guī)律和熱能傳導(dǎo)規(guī)律的研究有著重要的意義。

雖然，對(duì)于含水層水文地質(zhì)參數(shù)確定方法已有較多研究，大多數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)抽水(或注水)試驗(yàn)的方法，然而，相鄰含水層的弱透水層的水文地質(zhì)參數(shù)確定方法研究的卻很少，這一方面是由于我們一直以來(lái)認(rèn)為弱透水層是隔水層或相對(duì)隔水層，作為水資源量其貢獻(xiàn)率很小，因此很少專門給予重視和得到必要的研究，時(shí)常將弱透水層忽略或者作為一種邊界處理；另一方面也缺少一種有效的原理和方法能用于現(xiàn)場(chǎng)直接確定這些參數(shù)。此外，即使有對(duì)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究的，也局限于室內(nèi)研究，目前尚無(wú)對(duì)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)原位研究的試驗(yàn)理論和方法的實(shí)踐，因此，本發(fā)明的提出可以填補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的技術(shù)方法的空白，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明基于現(xiàn)場(chǎng)雙管技術(shù)，推導(dǎo)在外管一側(cè)水頭降低某一常量而內(nèi)管弱透水層保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解，提出一種現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的外管降深雙管法。這一方法不僅理論嚴(yán)密，而且可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，具有試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作，獲取的參數(shù)齊全、精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)方案：一種現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的外管降深雙管法，首先，在現(xiàn)場(chǎng)形成確定內(nèi)管弱透水層的雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，保持?nèi)外管的水頭差固定不變，測(cè)量?jī)?nèi)管的馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化；基于雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，推?dǎo)在外管一側(cè)水頭降低某一常量而內(nèi)管弱透水層保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解；然后，給出基于馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料，采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率的方法。

雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)現(xiàn)方法為：首先，在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔至需要測(cè)試的弱透水層的頂面，同時(shí)將套管(直徑為127mm)下至弱透水層的頂面并將套管內(nèi)弱透水層頂面以上的土樣取出鉆孔，然后利用鉆機(jī)壓力將套管從弱透水層的頂面壓至弱透水層的底面，然后在套管中心放入直徑75mm的PVC管，同樣，將PVC管下放置至弱透水層的頂面，然后再用鉆機(jī)壓力降PVC管壓入至需要測(cè)試的弱透水層的試段底部，并通過(guò)吸泥的方式將外管中的弱透水層土樣吸出，然后在圓環(huán)形套管中鋪設(shè)礫石作為反濾層，并在PVC管中對(duì)應(yīng)于弱透水層的試段頂部位置鋪設(shè)礫石作為反濾層。這樣就在現(xiàn)場(chǎng)形成了確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的雙管模型。

此時(shí)，確保圓環(huán)套管和PVC內(nèi)管中水位與鉆孔外地下水位一致。在PVC管上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶，馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處，使PVC管內(nèi)水位保持定水位(地下水位)。在圓環(huán)套管中布置抽水泵管，將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)，在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，瞬時(shí)開(kāi)啟抽水泵，使圓環(huán)套管中水位產(chǎn)生一定的水位差，保證水位在試段頂面以上，也就是水位不能低于試段頂面，并保持內(nèi)外管的水頭差固定不變，并記錄馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化；然后，基于雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，推?dǎo)在外管一側(cè)水頭降低某一常量而內(nèi)管弱透水層保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解，根據(jù)實(shí)測(cè)的內(nèi)管中記錄的馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料，采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率。

本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作，解析解理論嚴(yán)密，采用配線法確定參數(shù)，方法簡(jiǎn)單易掌握，可以解決目前現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法原位確定弱透水水文地質(zhì)參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，克服了現(xiàn)場(chǎng)取樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試的誤差；同時(shí)，一次實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)求得弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率，獲取的參數(shù)多；由于抽水流量測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)且誤差小，由此求得的參數(shù)精度高。最為重要的是，該方法實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)，因此，該方法有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

所述雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷南碌缴弦来伟ㄔ嚇佣?、濾層、水；從外到內(nèi)依次包括直徑為127mm的外管、直徑為75mm的內(nèi)管、內(nèi)管圓柱試樣和濾層；所述內(nèi)管上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶，馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處，使PVC管內(nèi)水位保持定水位(地下水位)；所述外管與內(nèi)管之間的圓環(huán)(即，圓環(huán)套管)鋪設(shè)一層礫石濾層，在圓環(huán)套管中布置抽水泵管，將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)，在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，瞬時(shí)開(kāi)啟抽水泵，使圓環(huán)套管中水位產(chǎn)生水位差，保證水位在試段頂面以上，并保持內(nèi)外管的水頭差固定不變，并記錄馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化。

所述基于馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料，采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率的方法，即將記錄的內(nèi)管弱透水層的馬利奧特瓶的流量Q除以內(nèi)管圓柱試樣橫截面積S，化為單位面積流量q(cm/min)，在與標(biāo)準(zhǔn)曲線相同模的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中作q～t實(shí)測(cè)曲線，與標(biāo)準(zhǔn)曲線配線，使兩條曲線重疊最好，任選一匹配點(diǎn)，記下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值[q]、和[t]，代入相應(yīng)公式計(jì)算傳導(dǎo)系數(shù)a、滲透系數(shù)K、貯水率μ。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①推得的解析解，理論嚴(yán)密，因此方法有嚴(yán)格的理論依據(jù)；

②實(shí)現(xiàn)弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的原位測(cè)試，并且試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作；

③采用配線法確定參數(shù)，方法簡(jiǎn)單易掌握；

④一次實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)求得弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率，獲取的參數(shù)多；

⑤由于流量測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)且誤差小，由此求得的參數(shù)精度高。因此，該方法有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

圖3為截面流量標(biāo)準(zhǔn)曲線；

圖4為截面流量標(biāo)準(zhǔn)曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的外管降深雙管法，首先，在現(xiàn)場(chǎng)形成確定內(nèi)管弱透水層的雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，保持?nèi)外管的水頭差固定不變，測(cè)量?jī)?nèi)管的馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化；基于雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，推?dǎo)在外管一側(cè)水頭降低某一常量而內(nèi)管弱透水層保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解；然后，給出基于馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料，采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率。

如圖2所示，雙管試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷南碌缴弦来伟ㄔ嚇佣?、濾層、水；從外到內(nèi)依次包括直徑為127mm的外管、直徑為75mm的內(nèi)管、內(nèi)管圓柱中的試樣和濾層；所述內(nèi)管上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶，馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處，使PVC管(內(nèi)管)內(nèi)水位保持定水位(地下水位)；外管圓環(huán)鋪設(shè)一層礫石濾層，在圓環(huán)套管中布置抽水泵管，將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)，在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，瞬時(shí)開(kāi)啟抽水泵，使圓環(huán)套管中水位產(chǎn)生一定的水位差，即保證水位在試段頂面以上，并保持內(nèi)外管的水頭差固定不變，并記錄馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化。

弱透水層參數(shù)確定的原理：

(1)弱透水層水流模型的解析解

假設(shè)內(nèi)管弱透水層柱體飽和承壓且壓力水頭處處相等，外管通過(guò)抽水泵使水頭降低某一定值(但不能低于外管弱透水層的頂面)，而內(nèi)管弱透水層地下水位不變，同時(shí)測(cè)定馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間的變化。這時(shí)弱透水層為垂向流，取如圖2坐標(biāo)系，這樣弱透水層水流模型為

式中，0＜u＜l，其中的u指的是u(z,t)，u(z,t)為內(nèi)管弱透水層z點(diǎn)t時(shí)刻的水位變化值；為外管側(cè)水位降深，z點(diǎn)代表試段中Z軸上的點(diǎn)，見(jiàn)圖2的坐標(biāo)系；l為弱透水層厚度；a＝K/μ為弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)；K為弱透水層滲透系數(shù)；μ為弱透水層貯水率。

對(duì)于內(nèi)管弱透水層水流模型Ι，經(jīng)分離變量和傅立葉變換，得解為

n為自然數(shù)；

(2)弱透水層流量的解析解

t時(shí)刻通過(guò)位置z單位水平面積的流量

無(wú)量綱化：

其中，為無(wú)量綱流量，而和為無(wú)量綱位置和時(shí)間；為與弱透水層性質(zhì)和厚度有關(guān)參數(shù)，稱為滯后指數(shù)。

在式(3)中令和得弱透水層頂面和底面單位水平面積流量(取正值，不考慮流量方向)變化如圖3和圖4。

從弱透水層頂面單位水平面積流量變化圖3看出，起初時(shí)刻流量最大并隨著時(shí)間增大迅速衰減，當(dāng)即t≥τ₀后，流量趨于定值底面單位水平面積流量變化則相反(如圖4)，起初時(shí)刻流量為0，并隨著時(shí)間增大迅速增大，當(dāng)以后增速趨緩；當(dāng)即t≥τ₀后，流量也趨于定值

弱透水層參數(shù)確定方法：

對(duì)于時(shí)刻通過(guò)位置單位水平面積的流量

對(duì)上述二式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，有

(6)、(7)二式右邊的第二項(xiàng)都是常數(shù)，因此在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)，實(shí)驗(yàn)獲得的q(0,t)～t和截面標(biāo)準(zhǔn)曲線(如圖3)在形狀上是相同的，只是縱橫坐標(biāo)平移了和采用配線法，將二曲線重疊，任選一匹配點(diǎn)，記下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值[q]、和[t]，代入上述(4)、(5)二式，得：

滲透系數(shù)：

擴(kuò)散系數(shù)：

貯水率：

當(dāng)t＝τ₀或t→∞時(shí)弱透水層流量趨于穩(wěn)定。這時(shí)頂、底面單位時(shí)間流入與流出量相等，記為q_y，有式(2)同樣可得滲透系數(shù)：

另外，有式(3)對(duì)于時(shí)刻通過(guò)位置單位水平面積的流量

對(duì)上述二式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，有：

當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得z＝l截面q～t資料，同樣以截面標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖4所示，采用配線法確定上述參數(shù)。

如圖1所示，試驗(yàn)步驟：

(1)首先，在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔至需要測(cè)試的弱透水層的頂面，同時(shí)將套管下至弱透水層的頂面并將套管內(nèi)弱透水層頂面以上的土樣取出鉆孔，然后利用鉆機(jī)壓力將套管從弱透水層的頂面壓至弱透水層的底面，然后在套管中心放入直徑約為套管直徑一半的PVC管，同樣，將PVC管下放置至弱透水層的頂面，然后再用鉆機(jī)壓力降PVC管壓入至需要測(cè)試的弱透水層的試段底部，并通過(guò)吸泥的方式將外管中的弱透水層土樣吸出，然后在圓環(huán)形套管中鋪設(shè)礫石作為反濾層，并在PVC管中對(duì)應(yīng)于弱透水層的試段頂部位置鋪設(shè)礫石作為反濾層。這樣就在現(xiàn)場(chǎng)形成了確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的雙管模型。

(2)確保圓環(huán)套管和PVC內(nèi)管中水位與鉆孔外地下水位一致。在PVC管上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶，馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處，使PVC管內(nèi)水位保持定水位(地下水位)。在圓環(huán)套管中布置抽水泵管，將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)

(3)在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，瞬時(shí)開(kāi)啟抽水泵，使圓環(huán)套管中水位產(chǎn)生一定的水位差，并產(chǎn)生水位差后要保證水位在試段頂面以上，保持內(nèi)外管的水頭差固定不變，并記錄馬利奧特瓶的流量隨時(shí)間變化；

(4)記錄：馬利奧特瓶的流量觀測(cè)的時(shí)間，宜在打開(kāi)抽水泵后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min鐘各觀測(cè)一次，記錄在表中，以后可每隔30min鐘觀測(cè)一次。

(5)持續(xù)觀測(cè)，直至每隔30min馬利奧特瓶的流量基本不變，可終止試驗(yàn)。

(6)參數(shù)計(jì)算：將記錄的抽水流量Q除以內(nèi)管圓柱橫截面積S，化為單位面積流量q(cm/min)，在與標(biāo)準(zhǔn)曲線相同模的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中作q(l,t)～t實(shí)測(cè)曲線，與標(biāo)準(zhǔn)曲線配線，使二條曲線重疊最好，任選一匹配點(diǎn)，記下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值[q]、和[t]，代入式(8)、(9)和(10)計(jì)算滲透系數(shù)K、傳導(dǎo)系數(shù)a和貯水率μ。