压水试验法 _压水试验法

压水试验法用来测量和评价岩因为在各种野外原地水力试验方法中(压水试验、注水试验和抽水试验)压水试验方法有其独特的优越性：操作简单、迅速，地下水位以上和以下均可使用，在同一钻孔中进行分段压水还可以测得岩层渗透性柱状剖面图，对矿床水文地质分层尤其对双层水位矿床具有不可替代的作用。尽管压水试验方法还有某些缺点，比如未考虑溶隙的方向和各向异性特点等，在双层水位矿床水文地质工作中，大多数情况下是可以满足矿山防治水需要的，这种方法仍不失为一种实际可行的好方法。图6-1a.双管压水器具；b.单管压水器具(一)单孔单栓塞压水试验法目前，国内外经常采用的是双管单栓塞压水试验器具(图6-1a) 。这种压水试验器具的最大缺点：当钻孔较深时，双层管操作比较麻烦。故作者又将其改为单管单栓塞压水试验器具(图6-1b) 。单管单栓塞压水试验器具的工作原理同双管单栓塞压水试验器具相同，只不过单管器具将加压的螺杆移到孔内栓塞的上部，而双管器具是在钻孔孔口。这样做的好处是操作简单，免去了双管的麻烦(深孔尤为突出) 。试验时，孔内栓塞靠人力或机械旋转施加压力，使橡胶栓塞膨胀压紧孔壁，在栓塞与孔底之间形成一个封闭的压水区域。压水试验时，水从进水管进入压水段，水的压力则从孔口的压力表读取，在不考虑各向异性时，渗透系数可按下式计算：双层水位矿床地下水深层局部疏干方法的理论与实践式中：h为压水段的水头值(m)；Q为压水量(m3/d)；L为压水段长度(m)；K为渗透系数(m/d)；r为压水段半径(m) 。应该指出，单孔压水试验测得的渗透系数为压水段的平均渗透系数，更不是各向异性岩层的渗透系数。对双层水位矿床的研究，大多数情况下，只要搞清了溶隙含水层的平均渗透性，基本可以满足矿山生产的需要。因此，在矿床水文地质勘探初期，采取单孔压水试验方法，在矿床范围内根据勘探阶段的不同，选取一定比例的地质钻孔进行单孔分层压水试验，并据此作出钻孔渗透性柱状及剖面图，在充分考虑其他地质资料和物探资料的条件下，一般情况下便能够判断出矿床是否具有双层水位流，矿床是否是双层水位矿床。突变型双层水位矿床可以，渐变型双层水位矿床也可以。如何根据单孔分层压水试验资料来判断矿床是否存在双层水位呢?其方法如下。首先作出钻孔渗透性状柱剖面图，再在渗透性剖面图中，选择具有如下渗透特征的孔段：(1)具有“V模式”渗透性特征的孔段，即渗透性具有“大—小—中”三元结构的孔段；(2)具有“L模式”渗透性特征的孔段，即渗透性具有“大变小—突然膨大”的二元结构的孔段；(3)整个钻孔的渗透性具有自上而下逐渐减少的特征。不管上述哪种特征的孔段，只要能够具备下述条件之一，则可判断矿床能够形成双层水位流。①具有1、2两项特征的钻孔可以在剖面中相互联系起来，既可以把同一个剖面中有一种模式的孔段联系起来，也可以在同一剖面中把两种以上的模式联系起来；②渗透性被联系起来的剖面，至少有一组空间上与矿体存在着密切的相互关系(比如剖面距离矿体比较近，在矿床开采的影响范围以内)；③渗透性具有逐渐减少特征的钻孔深度应足够大。具有上述条件的矿床应该是双层水位矿床。(二)其他压水试验法单孔单栓塞压水试验法所得的结果，尽管比较粗糙，但因其方法操作简单、方便既可在地下水位以上进行，也可以在地下水位以下进行，而且还可以在同一钻孔中方便地进行分段多次压水，能够获得地层渗透性柱状图或剖面图，对于双层水位???床的水文地质评价在大多数条件下可以满足矿山需要。当然，对于一些技术要求比较高的工程项目，单孔单栓塞压水试验的结果有时满足不了工程计算精度的要求，比如水工渗流计算等。因此，下面简单介绍几种更科学、更准确、更能够充分考虑岩体各向异性的试验方法。1.校正系数法1978年罗克哈等人提出了校正系数法，1989年田开铭和万力教授对罗克哈等提出的校正系数法进行了改进，并提出了一套具体的计算方法，还编制了程序，应用十分方便。校正系数法是以裂隙测量法的计算结果为基础，利用单栓塞压水试验数据就可以求得比较粗略的各向同性渗透张量。较单纯的单孔单栓塞压水试验方法前进了一大步。这种方法的优点是简单易行。但它必须有裂隙测量的计算结果作前提，否则，无法计算。这种方法提供结果的准确性，在很大程度上取决于压水试验结果的精度。因此，它们也是一个粗略的方法。但相对我国具体的勘探水平而言，校正系数法仍不愧为一个有效的方法，特别是对于利用水文地质部门几十年来所积累的大量压水试验资料，把这些资料由各向同性转换成工程需要的各向异性渗透资料，具有很大的实际意义和实用价值(具体方法见《各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价》一书) 。2.三段压水试验三段压水试验的方法，是1972年由路易斯提出。基本思路是用压水试验分别确定单组裂隙的渗透系数，再根据每组裂隙的产状把渗透系数叠加，就可以求得岩体的总渗透张量。这种方法的关键在于其独特的压水试验器具——三段压水试验器(图6-2) 。图6-2三段压水试验与器具三段压水法，要求压水孔平行于裂隙组的交线方向，因此，选孔前必须要求对试验点周围的岩体进行裂隙测量，以确定裂隙组的产状，并求出裂隙组的交线方向。如果只有两组裂隙，则压水孔只要求平行于其中一组，与另一组可以相交。观测孔不能离压水孔太远，观测孔段只能在径向流场中，所以这种钻孔的位置通常只能靠在一起，试验场地范围受到限制，不宜太大。由于三段压水试验要求压水孔与裂隙组的交线平行，尤其要求仅能与一组相交，所以当裂隙组超过三组时，就很难满足这种条件。三段压水试验与其他方法相比，技术设备太复杂且造价高。只适宜于做一些标准试验，很难在大规模的生产工程中推广应用。在双层水位矿床水文地质勘探中应用就更困难了。3.交叉孔压水试验法1985年谢赫(HsiehP.A)提出了交叉孔压水试验方法。这种方法不要求预先了解裂隙发育情况，钻孔布置方法可以任意布置，不受限制。该方法的最大特点是技术方法简单，只要利用上述广泛采用的单栓塞压水试验器就可以。该方法的最大缺点是计算复杂。虽然谢赫(HsiehP.A)给出了多种条件下的理论公式，但在计算渗透张量的过程中，他只给出了非稳定流条件下的求解方法(假定压水段和观测段都是一个点)，1989年万力教授又给出了交叉压水求解稳定流公式计算渗透张量的方法，并编制成程序，排除了谢赫(HsiehP.A)方法中手工图解法的麻烦和不确定性，这种方法是一种大有前途的方法。4.抽水试验法传统水文地质抽水试验的方法，无论是稳定流还是非稳定流理论，只能解决各向同性的水文地质参数，对于各向异性含水层基本无能为力。据抽水试验获得的资料只能在一些特殊条件下才能反求参数，用来预测矿坑涌水量。1966年由帕拉普斯(PapadopulosI.S.)首先提出在各向异性含水层中的井流公式，并提出了一阶渗透张量的计算方法。同年，汗吐斯(HantughM.S.)利用坐标变换法把一系列各向同性的非稳定井流公式转换为各向异性条件下的井流公式。维依(Ways)又提出了三维各向异性渗透系数的确定方法。纽曼(NeumanS.P.)提出了三孔两次抽水确定平面渗透张量的方法。1989年田开铭与万力教授又根据汗吐什的各向异性越流承压含水层不完整井非稳定流公式，用单纯形法和数值积分反求出三维各向异性渗透张量，并编有通用程序。理论上虽然已经提出了许多各向异性渗透井流计算公式，但能够实际应用的却很少，方法还很不成熟，基本处于理论研究阶段。实际上，裂隙含水层中渗透性的非均质性和各向异性，两者在实际工程中对水位的影响很难分别开来，要想分别求得两者的影响，理论上需要进行不同钻孔的多次水力试验，才有可能得出比较合理的各向异性渗透系数，既麻烦又费钱，实际意义不大。压水试验，尤其是单栓塞压水试验造价低，操作简单，使用方便，易于大面积采用，地下水位以下和以上都可以使用，还可以在同一钻孔中进行多段次重复试验，相对于抽水试验更为经济、合理、方便、实用。5.渗透性各向异性岩层双层水位深度的计算方法如果我们在一个存在巨厚含水层矿床中，可以初步判断为渐变型双层水位矿床，而且可以通过一定手段(如：野外裂隙测量、压水试验或抽水试验)获得各向异性渗透主值的变化规律，那么，便可以通过下述方法初步确定出渐变型双层水位的产生深度。例如，万力教授等对金岭铁矿铁山的3个剖面通过裂隙测量，根据大裂隙系统与小裂隙系统的相似性原理，最终提供的岩石渗透张量各向渗透主值的回归计算结果如表6-2，据此，可以求出产生双层水位的埋深和标高。根据岩层水平渗透主值与垂直渗透主值随埋深增加而会逐渐交于某一深度Sα的规律，可以初步确定出双层水位形成的深度。前面第三章第四节中已经说明，Sα点是各向异性溶隙含水层产生双层水位的位置。因此，可以采取下述方法求取Sα点的深度：首先假定Kn=Kh，并据此计算出各条剖面中若干Sα点的位置，再据下述4种方法之一确定出矿床产生双层水位的深度：①以Sα值最大值代表矿床产生双层水位的深度；②以所有Sα值的算术平均值代表矿床产生双层水位的深度；③选择Sα值平均值最大的剖面代表矿床产生双层水位的深度；④在联结所有Sα点的曲面上，工程实际位置与曲面相互重叠的最低位置即代表产生双层水位的深度。铁山矿床的计算结果见表6-2和表6-3 。表6-2岩石渗透张量各渗透主值回归计算结果表注：据田开铭，各向异位裂隙介质渗透性的研究与评价。表6-3各向异性渗透性岩层中双层水位深度计算表