CN106869909A - 确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置及其测试方法，测试装置包括振荡试验参数测试系统主机、气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔、套管、通信电缆、多功能探头、密封腔压力释放阀、密封腔气压表、密封腔进气阀、密封腔进气管、气压栓塞系统、穿孔和堵头；测试方法利用气压栓塞隔离单个目标裂隙；对目标裂隙进行气压式振荡试验；利用推导的倾斜填充裂隙振荡试验模型绘制标准曲线，使用配线法计算目标裂隙导水系数和贮水系数；评价径向定水头边界距离对计算参数精度的影响。

Description

确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置及其测试方法。

背景技术

岩体中裂隙具有相当高的非均质性和各向异性，常规水文地质试验往往只能获得岩体的平均水文地质参数，不能满足理论研究以及工程应用精度的要求。在利用振荡试验确定岩土体水文地质参数领域，以往研究都将倾斜填充裂隙等效为水平裂隙进行处理，提出振荡试验确定倾斜裂隙水文地质参数的理论模型和应用方法是该研究领域的热点和难点。目前尚未有一套成熟的方法准确确定倾斜填充裂隙的水文地质参数。

推导考虑倾角影响的振荡试验解析解模型并且绘制不同倾角条件下的测试井中水头响应标准曲线是完善确定倾斜填充裂隙水文地质参数理论体系的最直接且有效的手段之一。推导倾斜填充裂隙振荡试验解析解模型非常复杂，测试井-倾斜填充裂隙系统中水流速度及流量受不同类型的水流方程控制，故需要将所有控制方程耦合求解。倾斜填充裂隙中水流方程满足达西定律；倾斜填充裂隙-测试井系统满足流量平衡方程；测试井中水流与倾斜填充裂隙中水流满足动量平衡方程，此方程是表达测试井-倾斜填充裂隙中水头响应惯性效应和水体阻尼运动的关键方程。利用倾斜填充裂隙振荡试验模型绘制不同倾角条件下振荡试验水头响应标准曲线，将其与实测水头响应曲线配线计算倾斜填充裂隙导水系数和贮水系数，这一方法将提高振荡试验现场确定倾斜填充裂隙水文地质参数的精度和效率。径向定水头边界距离会对振荡试验确定水平承压含水层水文地质参数造成影响，针对判断径向定水头边界对振荡试验确定倾斜填充裂隙水文地质参数影响的研究尚为空白，比较有限距离定水头边界模型与无限距离定水头边界模型计算结果并提出评判标准是保证振荡试验分析结果正确性的关键。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明提出一种基于振荡试验测试系统获取钻孔中裂隙产状、宽度、埋深和填充状态等信息，使用气压栓塞隔离出单条倾斜填充裂隙，并对目标裂隙实施气压式振荡试验；利用考虑目标裂隙倾角的过阻尼振荡、临界阻尼振荡和欠阻尼振荡三种类型水头响应标准曲线配线计算裂隙导水系数和贮水系数；同时比较无限距离径向定水头边界模型和有限距离径向定水头边界模型所计算的目标裂隙导水系数和贮水系数，评价定水头边界距离对计算结果精度的影响的确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置及其测试方法，以排除振荡试验确定倾斜填充裂隙水文地质参数时不同渗透性裂隙之间互相影响；消除将水平含水层振荡试验模型应用于确定倾斜填充裂隙水文地质参数引起的计算误差；提出倾角对填充裂隙水文地质参数计算造成影响的临界值，为现场判断倾角对水文地质参数确定是否造成影响提供准则；在现场试验过程中评价径向定水头边界距离对试验结果是否造成影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置，包括振荡试验参数测试系统主机、气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔、套管、通信电缆、多功能探头、密封腔压力释放阀、密封腔气压表、密封腔进气阀、密封腔进气管、气压栓塞系统、穿孔和堵头；所述套管底端伸入钻孔内，顶端设在钻孔外，堵头设在套管底端；气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔与套管顶端相通，振荡试验参数测试系统主机设在钻孔外，多功能探头设在套管内；通信电缆一端与振荡试验参数测试系统主机相接，另一端与多功能探头相接；密封腔压力释放阀和密封腔气压表均与气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔相通；气压栓塞系统包括空气压缩机、压力调节阀、三通阀、栓塞加压阀、栓塞压力释放阀、栓塞气压表、耐压输气管、上气压栓塞、连通管和下气压栓塞；空气压缩机设在钻孔外，上气压栓塞和下气压栓塞设在套管内，连通管分别与上气压栓塞、下气压栓塞相通；空气压缩机通过耐压输气管与上气压栓塞相通；压力调节阀、三通阀、栓塞加压阀、栓塞压力释放阀和栓塞气压表从空气压缩机一侧顺次设在耐压输气管上；密封腔进气阀设在密封腔进气管上，密封腔进气管一端与气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔相通，另一端与三通阀相接；穿孔设在上气压栓塞和下气压栓塞之间的套管上。

上述穿孔与目标裂隙在整个试验过程中保持同一位置。

工作原理：本发明确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置通过振荡试验参数测试系统对裂隙岩体进行编录；利用上、下气压栓塞隔离单个目标裂隙；对目标裂隙进行气压式振荡试验；利用推导的倾斜填充裂隙振荡试验模型绘制标准曲线，使用配线法计算目标裂隙导水系数和贮水系数；评价径向定水头边界距离对计算参数精度的影响。

所述上气压栓塞和下气压栓塞均为同心双层胶囊结构，胶囊的内外层之间设有支撑弹簧圈；上气压栓塞在压缩气体作用下贴紧穿孔上方套管，下气压栓塞在压缩气体作用下贴紧穿孔下方套管，上气压栓塞和下气压栓塞的外层胶囊膨胀以后紧贴套管；上、气压栓塞在压缩气体作用下贴紧穿孔管上部套管，防止目标裂隙试验段压力(气压和水压)通过套管与胶囊的缝隙与非试验段产生联系；外层胶囊膨胀以后紧贴孔壁，起到止水、隔离单裂隙的作用；弹簧圈有利于安装栓塞时保持胶囊腔体的规则形状。

所述同心双层胶囊结构长度均为680-800mm，外径均为108-127mm，内径均为73-89mm。

所述上气压栓塞和下气压栓塞上下两端分别设有上栓塞上挡片、上栓塞下挡片、下栓塞上挡片套管和下栓塞下挡片；能使上气压栓塞和下气压栓塞固定在套管预设的位置。

一种确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：利用振荡试验参数测试系统对钻孔所揭示岩体裂隙进行编录，详细记录裂隙的产状、隙宽、埋深和裂隙填充情况；

步骤2：利用上、下气压栓塞隔离钻孔中单条倾斜裂隙；

步骤3：利用振荡试验参数测试系统对单条倾斜裂隙实施不同压强值的气压式振荡试验；

步骤4：使用推导的振荡试验模型绘制目标裂隙的振荡试验标准曲线，利用配线法计算目标裂隙的水文地质参数；

步骤5：将考虑径向定水头边界距离模型与不考虑径向定水头边界距离模型计算的水文地质参数对比。

上述径向定水头边界距离对倾斜填充裂隙振荡试验影响评价方法，可以将无限距离径向定水头边界条件下倾斜填充裂隙振荡试验模型分析的试验结果与有限距离径向定水头边界条件下倾斜填充裂隙振荡试验模型分析的试验结果进行对比，根据两者结果的差异判断绘制振荡试验标准曲线的解析解模型是否需要考虑径向定水头边界距离。

所述步骤1中，在利用振荡试验参数测试系统进行裂隙岩体钻孔编录之前需要对钻孔进行大泵量喷射法洗井，排除岩粉堵塞裂隙问题，将钻孔内浑浊的地下水冲出。

所述多功能探头具有井下钻孔图像识别系统，多功能探头的直径为50mm或68mm，在电缆计数绞车系统的控制下，将多功能探头缓慢放入钻孔中，为保证获取图像画质，将多功能探头随通信电缆下移的速度控制在3m/min之内；记录钻孔内地下水位埋藏位置，并且与实测水位埋深结果对比；记录钻孔中所揭示裂隙的倾向、倾角、埋深、裂隙宽度、填充信息，由浅入深对裂隙进行编号，并且根据裂隙产状对裂隙进行分组；能获取井壁画面的清晰度，从而保证裂隙编录的准确性。

所述步骤2中，利用气压栓塞系统隔离出单条裂隙，实施振荡试验获取高精度裂隙水文地质参数。

所述步骤4中，振荡试验标准曲线绘制方法，主要通过推导的振荡试验解析解模型绘制不同倾角条件下振荡试验测试主井中无量纲水头响应曲线，包括：欠阻尼振荡、临界阻尼振荡和过阻尼振荡标准曲线；

测试井倾斜填充裂隙系统的无量纲阻尼系数ζ表达式为：

式中 为裂隙倾角；α为无量纲贮水系数；β为无量纲惯性系数；

当ζ<1时，测试井内水头响应为欠阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

式中为标准曲线无量纲时间

当ζ＝1时，测试井内水头响应为临界阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

当ζ>1时，测试井内水头响应为过阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

所述步骤4中利用配线法计算目标裂隙的水文地质参数包括以下步骤：

(1)将保存的不同初始降深条件实测水头响应曲线转换为无量纲水头响应曲线w’(t)，根据多功能探头计算的目标裂隙倾角绘制当前条件下振荡试验水头响应标准曲线

(2)将实测水头响应曲线与标准曲线绘制在相同模数的半对数坐标中，两条曲线的纵坐标保持同一位置；

(3)平移实测水头响应曲线时间轴t来匹配不同无量纲贮水系数α和不同无量纲阻尼系数ζ对应的标准曲线；找出一条与实测水头响应曲线最为匹配的标准曲线，记录拟合标准曲线的α和ζ；在标准曲线的任意位置选择一个匹配点，记录匹配点在标准曲线上的无量纲时间和无量纲水头响应w’，同时记录匹配点在实测曲线上的实际时间t；

(4)根据公式计算倾斜填充裂隙贮水系数S，式中r_s为穿孔半径，r_c为套管半径；

(5)根据公式(1)迭代计算无量纲惯性系数β，根据公式和公式计算倾斜填充裂隙视导水系数T′，式中g为重力加速度；L_e为测试井中有效水体长度。

(6)根据公式计算倾斜填充裂隙真实导水系数T。

上述配线法计算倾斜填充裂隙水文地质参数，主要将气压式振荡试验测试主井实测水头响应曲线与同一倾角条件下振荡试验标准曲线进行配线，根据配线结果获取坐标轴中关键参数，计算倾斜填充裂隙的导水系数和贮水系数。

本发明未提及的技术均为现有技术。

有益效果：本发明确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置及其测试方法能快速准确获取钻孔中倾斜填充裂隙导水系数和贮水系数，为裂隙岩体渗透系数张量的计算提供基础数据；利用倾斜填充裂隙振荡试验模型可以快速判断忽略倾角是否造成水文地质参数计算结果错误；在现场试验过程中评价径向定水头边界距离是否对水文地质参数计算结果造成影响。

附图说明

图1本发明确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置结构示意图；

图2为欠阻尼振荡试验中裂隙倾角0°-75°欠阻尼振荡标准曲线；

图3为临界阻尼振荡试验中裂隙倾角0°-75°临界阻尼振荡标准曲线；

图4为过阻尼振荡试验裂隙倾角0°-75°过阻尼振荡标准曲线；

图中：1、振荡试验参数测试系统主机；2、气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔；3、通信电缆；4、多功能探头；5、密封腔压力释放阀；6、密封腔气压表；7、密封腔进气阀；8、空气压缩机；9、三通阀；10、栓塞加压阀；11、栓塞压力释放阀；12、上栓塞上挡片；13、栓塞气压表；14、耐压输气管；15、连通管；16、穿孔管；17、上气压栓塞；18、下气压栓塞；19、堵头；20、压力调节阀；21、第一裂隙；22、第二裂隙；23、上栓塞下挡片；24、套管；25、下栓塞下挡片；26、下栓塞上挡片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1-3所示，一种确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置，包括振荡试验参数测试系统主机、气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔、套管、通信电缆、多功能探头、密封腔压力释放阀、密封腔气压表、密封腔进气阀、密封腔进气管、气压栓塞系统、穿孔和堵头；所述套管底端伸入钻孔内，顶端设在钻孔外，堵头设在套管底端；气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔与套管顶端相通，振荡试验参数测试系统主机设在钻孔外，多功能探头设在套管内；通信电缆一端与振荡试验参数测试系统主机相接，另一端与多功能探头相接；密封腔压力释放阀和密封腔气压表均与气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔相通；气压栓塞系统包括空气压缩机、压力调节阀、三通阀、栓塞加压阀、栓塞压力释放阀、栓塞气压表、耐压输气管、上气压栓塞、连通管和下气压栓塞；空气压缩机设在钻孔外，上气压栓塞和下气压栓塞设在套管内，连通管分别与上气压栓塞、下气压栓塞相通；空气压缩机通过耐压输气管与上气压栓塞相通；压力调节阀、三通阀、栓塞加压阀、栓塞压力释放阀和栓塞气压表从空气压缩机一侧顺次设在耐压输气管上；密封腔进气阀设在密封腔进气管上，密封腔进气管一端与气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔相通，另一端与三通阀相接；穿孔设在上气压栓塞和下气压栓塞之间的套管上；上气压栓塞和下气压栓塞均为同心双层胶囊结构，胶囊的内外层之间设有支撑弹簧圈；上气压栓塞在压缩气体作用下贴紧穿孔上方套管，下气压栓塞在压缩气体作用下贴紧穿孔下方套管，上气压栓塞和下气压栓塞的外层胶囊膨胀以后紧贴套管壁；同心双层胶囊结构长度均为680mm，外径均为108mm，内径均为73mm；上气压栓塞和下气压栓塞上下两端分别设有上栓塞上挡片、上栓塞下挡片、下栓塞上挡片套管和下栓塞下挡片。

一种确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：利用振荡试验参数测试系统对钻孔所揭示岩体裂隙进行编录，详细记录裂隙的产状、隙宽、埋深和裂隙填充情况；

步骤2：利用上、下气压栓塞隔离钻孔中单条倾斜裂隙；

步骤3：利用振荡试验参数测试系统对单条倾斜裂隙实施不同压强值的气压式振荡试验；

步骤4：使用推导的振荡试验模型绘制目标裂隙的振荡试验标准曲线，利用配线法计算目标裂隙的水文地质参数；

步骤5：将考虑径向定水头边界距离模型与不考虑径向定水头边界距离模型计算的水文地质参数对比。

步骤1中，在利用振荡试验参数测试系统进行裂隙岩体钻孔编录之前需要对钻孔进行大泵量喷射法洗井，排除岩粉堵塞裂隙问题，将钻孔内浑浊的地下水冲出。

多功能探头具有井下钻孔图像识别系统，多功能探头的直径为50mm，在电缆计数绞车系统的控制下，将多功能探头缓慢放入钻孔中，为保证获取图像画质，将多功能探头随通信电缆下移的速度控制在3m/min之内；记录钻孔内地下水位埋藏位置，并且与实测水位埋深结果对比；记录钻孔中所揭示裂隙的倾向、倾角、埋深、裂隙宽度、填充信息，由浅入深对裂隙进行编号，并且根据裂隙产状对裂隙进行分组。

步骤2中，利用气压栓塞系统隔离出单条裂隙，实施振荡试验获取高精度裂隙水文地质参数。

步骤4中，振荡试验标准曲线绘制方法，主要通过推导的振荡试验解析解模型绘制不同倾角条件下振荡试验测试主井中无量纲水头响应曲线，包括：欠阻尼振荡、临界阻尼振荡和过阻尼振荡标准曲线；

测试井倾斜填充裂隙系统的无量纲阻尼系数ζ表达式为：

式中(使用弧度值计算)；为裂隙倾角；α为无量纲贮水系数；β为无量纲惯性系数；

当ζ<1时，测试井内水头响应为欠阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

式中为标准曲线无量纲时间

当ζ＝1时，测试井内水头响应为临界阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

当ζ>1时，测试井内水头响应为过阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

步骤4中利用配线法计算目标裂隙的水文地质参数包括以下步骤：

(1)将保存的不同初始降深条件实测水头响应曲线转换为无量纲水头响应曲线w’(t)，根据多功能探头计算的目标裂隙倾角绘制当前条件下振荡试验水头响应标准曲线

(2)将实测水头响应曲线与标准曲线绘制在相同模数的半对数坐标中，两条曲线的纵坐标保持同一位置；

(3)平移实测水头响应曲线时间轴t来匹配不同无量纲贮水系数α和不同无量纲阻尼系数ζ对应的标准曲线；找出一条与实测水头响应曲线最为匹配的标准曲线，记录拟合标准曲线的α和ζ；在标准曲线的任意位置选择一个匹配点，记录匹配点在标准曲线上的无量纲时间和无量纲水头响应w’，同时记录匹配点在实测曲线上的实际时间t；

(4)根据公式计算倾斜填充裂隙贮水系数S，式中r_s为穿孔半径，r_c为套管半径；

(5)根据公式(1)迭代计算无量纲惯性系数β，根据公式和公式计算倾斜填充裂隙视导水系数T′，式中g为重力加速度；L_e为测试井中有效水体长度

(6)根据公式计算倾斜填充裂隙真实导水系数T。

本发明确定倾斜填充裂隙水文地质参数的方法,通过振荡试验参数测试系统对裂隙岩体进行编录；利用气压栓塞隔离单个目标裂隙；对目标裂隙进行气压式振荡试验；利用推导的倾斜填充裂隙振荡试验模型绘制标准曲线，使用配线法计算目标裂隙导水系数和贮水系数；评价径向定水头边界距离对计算参数精度的影响。

在利用振荡试验参数测试系统进行裂隙岩体钻孔编录之前需要对钻孔进行大泵量喷射法洗井，排除岩粉堵塞裂隙问题，将钻孔内浑浊的地下水冲出，提高多功能探头获取井壁画面的清晰度，从而保证裂隙编录的准确性。

本发明多功能探头具有井下钻孔图像识别系统，多功能探头的直径为50mm，在电缆计数绞车系统的控制下，将多功能探头缓慢放入钻孔中，为保证获取图像画质，将多功能探头随通信电缆下移的速度控制在3m/min之内。记录钻孔内地下水位埋藏位置(多功能探头本身体积会对测量结果精度造成影响)，并且与实测水位埋深结果对比；记录钻孔中所揭示裂隙的倾向、倾角、埋深、裂隙宽度、填充信息，由浅入深对裂隙进行编号(第一裂隙、第二裂隙……第n裂隙)，并且根据裂隙产状对裂隙进行分组。

由于裂隙岩体的渗透性具有高度的非均质各向异性，故利用气压栓塞系统隔离出单条裂隙，实施振荡试验获取高精度裂隙水文地质参数。井下部分主要包括套管和气压栓塞的安装。将套管下入钻孔之前用堵头将套管的下部封死，穿孔的位置必须与目标裂隙的位置保持同一深度，尤其针对倾角较大的裂隙，单个裂隙在钻孔中揭露位置的最高点和最低点必须在穿孔的覆盖范围之内。利用上、下气压栓塞上挡片和上、下气压栓塞下挡片将上、下气压栓塞的胶囊固定在套管预设的位置，上栓塞下档片的位置必须略高于揭露目标裂隙最高点，下栓塞上档片的位置必须略低于揭露目标裂隙最低点。上气压栓塞的充气胶囊与下气压栓塞的充气胶囊通过连通管相连，保证两者气压同步平衡。耐压输气管和连通管应采用极限压力不低于15kg/cm²，外径不超过15mm的轻便材料管。

本实施例中，空气压缩机主要作用有两个：(1)为上下栓塞充气；(2)为水头激发装置提供气源。当套管和上、下气压栓塞下到预定目标裂隙的位置时，将压力调节阀调节为0.5-1.5MPa，关闭栓塞压力释放阀，打开栓塞加压阀，只需30-40s就可以完成栓塞中胶囊的充气工作，栓塞气压表(选择量程为0-1.5MPa)实时监测栓塞的进气压力，一般栓塞的压力达到0.8-1.2MPa时，基本满足止水要求。关闭栓塞加压阀，观察栓塞气压表读数约5min，若指针略有回落后缓慢趋于稳定值，则认为上、下气压栓塞气密性良好，可以进行下一步振荡试验。

本实验例中，气压式振荡试验开始之前检查空气压缩机罐体中的剩余气量，若剩余气体不够进行气压式振荡试验的加压过程，需要接通220V电源补充罐体内的气体。将空气压缩机的压力调节阀调到0.1-0.5MPa，水头激发装置井口密封腔和套管中的气压通过密封腔气压表监测，故密封腔气压表的量程必须大于压力调节阀的控制值。连接通信电缆的多功能探头穿过水头激发装置井口密封腔移动到多孔管位置，多功能探头在放入测试井套管之前需要对多功能探头进行校零，通信电缆与水头激发装置井口密封腔的连接处需要压紧保证振荡试验加压和稳压过程中不会泄露气体；由于多功能探头本身具有一定体积，放入液面以下的多功能探头需要静置5-10min，振荡试验参数测试系统主机在振荡试验激发水头操作之前就需要运行，等待受扰动的水位稳定以后记录多功能探头水压力初始读数。关闭密封腔压力释放阀，缓慢打开密封腔进气阀，严密观察密封腔气压表读数，微调密封腔进气阀将水头激发装置井口密封腔的压力控制在0.01MPa并坚持5-10s，关闭密封腔进气阀观察密封腔气压表读数，若读数保持不变则认为气压式振荡试验系统气密性良好，稳压后若振荡试验参数测试系统主机屏幕显示的水压力变化曲线与加压前基本持平，瞬时打开密封腔压力释放阀泄压，观察振荡试验参数测试系统主机屏幕显示的水压力恢复曲线，若水压力读数基本恢复到初始值，则当前振荡试验结束。终止振荡试验参数测试系统数据采集，初步判断试验数据的可靠性，并保存实验数据。逐步增加压力控制值为0.05-0.1MPa，不同压力值可以激发出不同初始降深，提高获取倾斜填充裂隙水文地质参数的可靠性，并分析压力控制值不同对实验结果的影响。

上、下气压栓塞充气时，充气压力值要大于气压式振荡试验加压值、钻孔内水柱压力值和胶囊贴紧孔壁的压力值三者之和；气压式振荡试验时，加压值要小于多功能探头压力量程极值与钻孔内水柱压力两者之和。

气压式振荡试验结束以后，便可卸下水头激发装置井口密封腔，抽出通信电缆和多功能探头。记录试验结束后栓塞气压表的读数，打开栓塞压力释放阀，上、下气压栓塞泄压结束以后通过增加或减少套管长度对其他裂隙进行气压式振荡试验。

本发明考虑径向定水头边界倾斜填充裂隙振荡试验解析解模型与不考虑径向定水头边界模型确定的导水系数和储水系数进行对比，评价现场确定裂隙岩体渗透性时直接将实验场地的外边界条件默认为无穷远定水头边界时可能引起的水文地质参数计算错误。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：同心双层胶囊结构长度均为800mm，外径均为127mm，内径均为89mm；多功能探头的直径为68mm。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置，其特征在于：包括振荡试验参数测试系统主机、气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔、套管、通信电缆、多功能探头、密封腔压力释放阀、密封腔气压表、密封腔进气阀、密封腔进气管、气压栓塞系统、穿孔和堵头；所述套管底端伸入钻孔内，顶端设在钻孔外，堵头设在套管底端；气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔与套管顶端相通，振荡试验参数测试系统主机设在钻孔外，多功能探头设在套管内；通信电缆一端与振荡试验参数测试系统主机相接，另一端与多功能探头相接；密封腔压力释放阀和密封腔气压表均与气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔相通；气压栓塞系统包括空气压缩机、压力调节阀、三通阀、栓塞加压阀、栓塞压力释放阀、栓塞气压表、耐压输气管、上气压栓塞、连通管和下气压栓塞；空气压缩机设在钻孔外，上气压栓塞和下气压栓塞设在套管内，连通管分别与上气压栓塞、下气压栓塞相通；空气压缩机通过耐压输气管与上气压栓塞相通；压力调节阀、三通阀、栓塞加压阀、栓塞压力释放阀和栓塞气压表从空气压缩机一侧顺次设在耐压输气管上；密封腔进气阀设在密封腔进气管上，密封腔进气管一端与气压式振荡试验水头激发装置井口密封腔相通，另一端与三通阀相接；穿孔设在上气压栓塞和下气压栓塞之间的套管上。

2.根据权利要求1所述的确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置，其特征在于：所述上气压栓塞和下气压栓塞均为同心双层胶囊结构，胶囊的内外层之间设有支撑弹簧圈；上气压栓塞在压缩气体作用下贴紧穿孔上方套管，下气压栓塞在压缩气体作用下贴紧穿孔下方套管，上气压栓塞和下气压栓塞的外层胶囊膨胀以后紧贴套管壁。

3.根据权利要求2所述的确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置，其特征在于：所述同心双层胶囊结构长度均为680-800mm，外径均为108-127mm，内径均为73-89mm。

4.根据权利要求3所述的确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置，其特征在于：所述上气压栓塞和下气压栓塞上下两端分别设有上栓塞上挡片、上栓塞下挡片、下栓塞上挡片套管和下栓塞下挡片。

5.权利要求1-4任意一项所述的确定倾斜填充裂隙水文地质参数的测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用振荡试验参数测试系统对钻孔所揭示岩体裂隙进行编录，详细记录裂隙的产状、隙宽、埋深和裂隙填充情况；

步骤2：利用上、下气压栓塞隔离钻孔中单条倾斜裂隙；

步骤3：利用振荡试验参数测试系统对单条倾斜裂隙实施不同压强值的气压式振荡试验；

步骤4：使用推导的振荡试验模型绘制目标裂隙的振荡试验标准曲线，利用配线法计算目标裂隙的水文地质参数；

步骤5：将考虑径向定水头边界距离模型与不考虑径向定水头边界距离模型计算的水文地质参数对比。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述步骤1中，在利用振荡试验参数测试系统进行裂隙岩体钻孔编录之前需要对钻孔进行大泵量喷射法洗井，排除岩粉堵塞裂隙问题，将钻孔内浑浊的地下水冲出。

7.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述多功能探头具有井下钻孔图像识别系统，多功能探头的直径为50mm或68mm，在电缆计数绞车系统的控制下，将多功能探头缓慢放入钻孔中，为保证获取图像画质，将多功能探头随通信电缆下移的速度控制在3m/min之内；记录钻孔内地下水位埋藏位置，并且与实测水位埋深结果对比；记录钻孔中所揭示裂隙的倾向、倾角、埋深、裂隙宽度、填充信息，由浅入深对裂隙进行编号，并且根据裂隙产状对裂隙进行分组。

8.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述步骤2中，利用气压栓塞系统隔离出单条裂隙，实施振荡试验获取高精度裂隙水文地质参数。

9.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述步骤4中，振荡试验标准曲线绘制方法，主要通过推导的振荡试验解析解模型绘制不同倾角条件下振荡试验测试主井中无量纲水头响应曲线，包括：欠阻尼振荡、临界阻尼振荡和过阻尼振荡标准曲线；

测试井倾斜填充裂隙系统的无量纲阻尼系数ζ表达式为：

式中 为裂隙倾角；α为无量纲贮水系数；β为无量纲惯性系数；

当ζ<1时，测试井内水头响应为欠阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

$w^{,}\left(\hat{t}\right)=-e^{-\mathrm{\&zeta;}\hat{t}}\&lsqb;\cos \left(\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}\hat{t}\right)+\frac{\mathrm{\&zeta;}}{\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}}\sin \left(\sqrt{1-{\mathrm{\&zeta;}}^2}\hat{t}\right)\&rsqb;---\left(2\right)$

式中为标准曲线无量纲时间

当ζ＝1时，测试井内水头响应为临界阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

$w^{,}\left(\hat{t}\right)=-e^{-\hat{t}}(1+\hat{t})---\left(3\right)$

当ζ>1时，测试井内水头响应为过阻尼振荡，水头响应无量纲表达式为：

$w^{,}\left(\hat{t}\right)=-e^{-\mathrm{\&zeta;}\hat{t}}\&lsqb;\cosh \left(\sqrt{{\mathrm{\&zeta;}}^2-1}\hat{t}\right)+\frac{\mathrm{\&zeta;}}{\sqrt{{\mathrm{\&zeta;}}^2-1}}\sinh \left(\sqrt{{\mathrm{\&zeta;}}^2-1}\hat{t}\right)\&rsqb;---\left(4\right).$

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于：所述步骤4中利用配线法计算目标裂隙的水文地质参数包括以下步骤：

(1)将保存的不同初始降深条件实测水头响应曲线转换为无量纲水头响应曲线w’(t)，根据多功能探头计算的目标裂隙倾角绘制当前条件下振荡试验水头响应标准曲线

(2)将实测水头响应曲线与标准曲线绘制在相同模数的半对数坐标中，两条曲线的纵坐标保持同一位置；

(3)平移实测水头响应曲线时间轴t来匹配不同无量纲贮水系数α和不同无量纲阻尼系数ζ对应的标准曲线；找出一条与实测水头响应曲线最为匹配的标准曲线，记录拟合标准曲线的α和ζ；在标准曲线的任意位置选择一个匹配点，记录匹配点在标准曲线上的无量纲时间和无量纲水头响应w’，同时记录匹配点在实测曲线上的实际时间t；

(4)根据公式计算倾斜填充裂隙贮水系数S，式中r_s为穿孔半径，r_c为套管半径；

(5)根据公式(1)迭代计算无量纲惯性系数β，根据公式和公式计算倾斜填充裂隙视导水系数T′，式中g为重力加速度；L_e为测试井中有效水体长度。

(6)根据公式计算倾斜填充裂隙真实导水系数T。