CN106680175A - 现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，首先，在现场形成确定内管弱透水层的双管试验模型，保持内外管的水头差固定不变，测量内管的马利奥特瓶的流量随时间变化；基于双管试验模型，推导在外管一侧水头降低某一常量而内管弱透水层保持地下水位不变条件下内管弱透水层单位水平面积的流量公式解析解；然后，给出基于马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率的方法。本发明易操作、获取参数多且精度高，解决目前现场无法原位确定弱透水水文地质参数的关键技术问题，克服了现场取样后在实验室进行测试的误差；有很好的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，尤其是一种现场确定弱透水层传导系数、渗透系数、贮水率等水文地质参数的方法。
背景技术
随着社会的快速发展，由于弱透水层释水引起地面沉降的资源与环境问题日趋严重。仅中国长江三角洲，由于地下水超采引起的地面沉降大于200mm的面积已占区域面积的十分之一，其中最大累积沉降量达2.80m，已造成的经济损失达500亿美元；此外，地下水的污染也由上部含水层向深部扩展。所有这些都与含水层系统重要的组成部分弱透水层的水文地质特性密切相关。弱透水层的水文地质参数(如传导系数、渗透系数、贮水率)不仅对预测、评价和控制地面沉降有重要意义，而且对地下水资源开发、评价和计算以及含水层系统污染物运移规律和热能传导规律的研究有着重要的意义。
虽然，对于含水层水文地质参数确定方法已有较多研究，大多数为现场抽水(或注水)试验的方法，然而，相邻含水层的弱透水层的水文地质参数确定方法研究的却很少，这一方面是由于我们一直以来认为弱透水层是隔水层或相对隔水层，作为水资源量其贡献率很小，因此很少专门给予重视和得到必要的研究，时常将弱透水层忽略或者作为一种边界处理；另一方面也缺少一种有效的原理和方法能用于现场直接确定这些参数。此外，即使有对确定弱透水层水文地质参数的实验研究的，也局限于室内研究，目前尚无对确定弱透水层水文地质参数的现场原位研究的试验理论和方法的实践，因此，本发明的提出可以填补现场确定弱透水层水文地质参数的技术方法的空白，具有很强的应用价值。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明基于现场双管技术，推导在外管一侧水头降低某一常量而内管弱透水层保持地下水位不变条件下内管弱透水层单位水平面积的流量公式解析解，提出一种现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法。这一方法不仅理论严密，而且可以实现现场原位测试，具有试验装置及试验过程简单、易操作，获取的参数齐全、精度高等优点。因此有很好的推广应用价值。
技术方案：一种现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，首先，在现场形成确定内管弱透水层的双管试验模型，保持内外管的水头差固定不变，测量内管的马利奥特瓶的流量随时间变化；基于双管试验模型，推导在外管一侧水头降低某一常量而内管弱透水层保持地下水位不变条件下内管弱透水层单位水平面积的流量公式解析解；然后，给出基于马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率的方法。
双管试验模型的实现方法为：首先，在现场钻孔至需要测试的弱透水层的顶面，同时将套管(直径为127mm)下至弱透水层的顶面并将套管内弱透水层顶面以上的土样取出钻孔，然后利用钻机压力将套管从弱透水层的顶面压至弱透水层的底面，然后在套管中心放入直径75mm的PVC管，同样，将PVC管下放置至弱透水层的顶面，然后再用钻机压力降PVC管压入至需要测试的弱透水层的试段底部，并通过吸泥的方式将外管中的弱透水层土样吸出，然后在圆环形套管中铺设砾石作为反滤层，并在PVC管中对应于弱透水层的试段顶部位置铺设砾石作为反滤层。这样就在现场形成了确定内管弱透水层水文地质参数的双管模型。
此时，确保圆环套管和PVC内管中水位与钻孔外地下水位一致。在PVC管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC管内水位保持定水位(地下水位)。在圆环套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位以下一段距离(试段顶面以上)，在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环套管中水位产生一定的水位差，保证水位在试段顶面以上，也就是水位不能低于试段顶面，并保持内外管的水头差固定不变，并记录马利奥特瓶的流量随时间变化；然后，基于双管试验模型，推导在外管一侧水头降低某一常量而内管弱透水层保持地下水位不变条件下内管弱透水层单位水平面积的流量公式解析解，根据实测的内管中记录的马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率。
本发明实验装置及实验过程简单、易操作，解析解理论严密，采用配线法确定参数，方法简单易掌握，可以解决目前现场无法原位确定弱透水水文地质参数的关键技术问题，克服了现场取样后在实验室进行测试的误差；同时，一次实验可以同时求得弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率，获取的参数多；由于抽水流量测量容易实现且误差小，由此求得的参数精度高。最为重要的是，该方法实现了现场确定弱透水层水文地质参数，因此，该方法有很好的推广应用价值。
所述双管试验模型从下到上依次包括试样段、滤层、水；从外到内依次包括直径为127mm的外管、直径为75mm的内管、内管圆柱试样和滤层；所述内管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC管内水位保持定水位(地下水位)；所述外管与内管之间的圆环(即，圆环套管)铺设一层砾石滤层，在圆环套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位以下一段距离(试段顶面以上)，在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环套管中水位产生水位差，保证水位在试段顶面以上，并保持内外管的水头差固定不变，并记录马利奥特瓶的流量随时间变化。
所述基于马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率的方法，即将记录的内管弱透水层的马利奥特瓶的流量Q除以内管圆柱试样横截面积S，化为单位面积流量q(cm/min)，在与标准曲线相同模的双对数坐标系中作q～t实测曲线，与标准曲线配线，使两条曲线重叠最好，任选一匹配点，记下对应的坐标值[q]、和[t]，代入相应公式计算传导系数a、渗透系数K、贮水率μ。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的确定弱透水层水文地质参数的方法具有以下优点：
①推得的解析解，理论严密，因此方法有严格的理论依据；
②实现弱透水层水文地质参数的原位测试，并且试验装置及试验过程简单、易操作；
③采用配线法确定参数，方法简单易掌握；
④一次实验可以同时求得弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率，获取的参数多；
⑤由于流量测量容易实现且误差小，由此求得的参数精度高。因此，该方法有很好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例的双管试验模型；
图3为截面流量标准曲线；
图4为截面流量标准曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，首先，在现场形成确定内管弱透水层的双管试验模型，保持内外管的水头差固定不变，测量内管的马利奥特瓶的流量随时间变化；基于双管试验模型，推导在外管一侧水头降低某一常量而内管弱透水层保持地下水位不变条件下内管弱透水层单位水平面积的流量公式解析解；然后，给出基于马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率。
如图2所示，双管试验模型从下到上依次包括试样段、滤层、水；从外到内依次包括直径为127mm的外管、直径为75mm的内管、内管圆柱中的试样和滤层；所述内管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC管(内管)内水位保持定水位(地下水位)；外管圆环铺设一层砾石滤层，在圆环套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位以下一段距离(试段顶面以上)，在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环套管中水位产生一定的水位差，即保证水位在试段顶面以上，并保持内外管的水头差固定不变，并记录马利奥特瓶的流量随时间变化。
弱透水层参数确定的原理：
(1)弱透水层水流模型的解析解
假设内管弱透水层柱体饱和承压且压力水头处处相等，外管通过抽水泵使水头降低某一定值(但不能低于外管弱透水层的顶面)，而内管弱透水层地下水位不变，同时测定马利奥特瓶的流量随时间的变化。这时弱透水层为垂向流，取如图2坐标系，这样弱透水层水流模型为
式中，0＜u＜l，其中的u指的是u(z,t)，u(z,t)为内管弱透水层z点t时刻的水位变化值；为外管侧水位降深，z点代表试段中Z轴上的点，见图2的坐标系；l为弱透水层厚度；a＝K/μ为弱透水层传导系数；K为弱透水层渗透系数；μ为弱透水层贮水率。
对于内管弱透水层水流模型Ι，经分离变量和傅立叶变换，得解为
n为自然数；
(2)弱透水层流量的解析解
t时刻通过位置z单位水平面积的流量
无量纲化：
其中，为无量纲流量，而和为无量纲位置和时间；为与弱透水层性质和厚度有关参数，称为滞后指数。
在式(3)中令和得弱透水层顶面和底面单位水平面积流量(取正值，不考虑流量方向)变化如图3和图4。
从弱透水层顶面单位水平面积流量变化图3看出，起初时刻流量最大并随着时间增大迅速衰减，当即t≥τ0后，流量趋于定值底面单位水平面积流量变化则相反(如图4)，起初时刻流量为0，并随着时间增大迅速增大，当以后增速趋缓；当即t≥τ0后，流量也趋于定值
弱透水层参数确定方法：
对于时刻通过位置单位水平面积的流量
对上述二式两边同时取对数，有
(6)、(7)二式右边的第二项都是常数，因此在双对数坐标系内，实验获得的q(0,t)～t和截面标准曲线(如图3)在形状上是相同的，只是纵横坐标平移了和采用配线法，将二曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值[q]、和[t]，代入上述(4)、(5)二式，得：
渗透系数：
扩散系数：
贮水率：
当t＝τ0或t→∞时弱透水层流量趋于稳定。这时顶、底面单位时间流入与流出量相等，记为qy，有式(2)同样可得渗透系数：
另外，有式(3)对于时刻通过位置单位水平面积的流量
对上述二式两边同时取对数，有：
当实验测得z＝l截面q～t资料，同样以截面标准曲线如图4所示，采用配线法确定上述参数。
如图1所示，试验步骤：
(1)首先，在现场钻孔至需要测试的弱透水层的顶面，同时将套管下至弱透水层的顶面并将套管内弱透水层顶面以上的土样取出钻孔，然后利用钻机压力将套管从弱透水层的顶面压至弱透水层的底面，然后在套管中心放入直径约为套管直径一半的PVC管，同样，将PVC管下放置至弱透水层的顶面，然后再用钻机压力降PVC管压入至需要测试的弱透水层的试段底部，并通过吸泥的方式将外管中的弱透水层土样吸出，然后在圆环形套管中铺设砾石作为反滤层，并在PVC管中对应于弱透水层的试段顶部位置铺设砾石作为反滤层。这样就在现场形成了确定内管弱透水层水文地质参数的双管模型。
(2)确保圆环套管和PVC内管中水位与钻孔外地下水位一致。在PVC管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC管内水位保持定水位(地下水位)。在圆环套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位以下一段距离(试段顶面以上)
(3)在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环套管中水位产生一定的水位差，并产生水位差后要保证水位在试段顶面以上，保持内外管的水头差固定不变，并记录马利奥特瓶的流量随时间变化；
(4)记录：马利奥特瓶的流量观测的时间，宜在打开抽水泵后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min钟各观测一次，记录在表中，以后可每隔30min钟观测一次。
(5)持续观测，直至每隔30min马利奥特瓶的流量基本不变，可终止试验。
(6)参数计算：将记录的抽水流量Q除以内管圆柱横截面积S，化为单位面积流量q(cm/min)，在与标准曲线相同模的双对数坐标系中作q(l,t)～t实测曲线，与标准曲线配线，使二条曲线重叠最好，任选一匹配点，记下对应的坐标值[q]、和[t]，代入式(8)、(9)和(10)计算渗透系数K、传导系数a和贮水率μ。
Claims (5)
1.一种现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，其特征在于：首先，在现场形成确定内管弱透水层的双管试验模型，保持内外管的水头差固定不变，测量内管的马利奥特瓶的流量随时间变化；基于双管试验模型，推导在外管一侧水头降低某一常量而内管弱透水层保持地下水位不变条件下内管弱透水层单位水平面积的流量公式解析解；然后，给出基于马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率的方法。
2.如权利要求1所述的现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，其特征在于：双管试验模型的实现方法为：首先，在现场钻孔至需要测试的弱透水层的顶面，同时将套管(直径为127mm)下至弱透水层的顶面并将套管内弱透水层顶面以上的土样取出钻孔，然后利用钻机压力将套管从弱透水层的顶面压至弱透水层的底面，然后在套管中心放入直径为75mm的PVC管，同样，将PVC管下放置至弱透水层的顶面，然后再用钻机压力降PVC管压入至需要测试的弱透水层的试段底部，并通过吸泥的方式将外管中的弱透水层土样吸出，然后在圆环形套管中铺设砾石作为反滤层，并在PVC管中对应于弱透水层的试段顶部位置铺设砾石作为反滤层。这样就在现场形成了确定内管弱透水层水文地质参数的双管模型。
3.如权利要求2所述的现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，其特征在于：确保圆环套管和PVC内管中水位与钻孔外地下水位一致；在PVC管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC管内水位保持定水位(地下水位)；在圆环套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位以下一段距离(试段顶面以上)，在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环套管中水位产生的水位差，并保持内外管的水头差固定不变，并记录马利奥特瓶的流量随时间变化；然后，基于双管试验模型，推导在外管一侧水头降低某一常量而内管弱透水层保持地下水位不变条件下内管弱透水层单位水平面积的流量公式解析解，根据实测的内管中记录的马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率。
4.如权利要求2所述的现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，其特征在于：所述双管试验模型从下到上依次包括试样段、滤层、水；从外到内依次包括直径为127mm的外管、直径为75mm的内管、内管圆柱试样和滤层；所述内管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC管内水位保持定水位(地下水位)；所述外管与内管之间的圆环(即，圆环套管)铺设一层砾石滤层，在圆环套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位以下一段距离(试段顶面以上)，在试验准备完成后，开启抽水泵，使圆环套管中水位产生水位差，并保持内外管的水头差固定不变，并记录马利奥特瓶的流量随时间变化。
5.如权利要求1所述的现场确定内管弱透水层水文地质参数的外管降深双管法，其特征在于：所述基于马利奥特瓶的流量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层传导系数、渗透系数和贮水率的方法，即将记录的内管弱透水层的马利奥特瓶的流量Q除以内管圆柱试样横截面积S，化为单位面积流量q(cm/min)，在与标准曲线相同模的双对数坐标系中作q～t实测曲线，与标准曲线配线，使两条曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值[q]、和[t]，代入相应公式计算传导系数a、渗透系数K、贮水率μ。
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