用單位出水量計算滲透系數(shù)

1、用單位出水量計算滲透系數(shù)第一章用單位出水量計算滲透系數(shù)的可行性研究概況在鐵路建設中，為了提高預測生產(chǎn)井出水量的精度，同時不使用觀測孔，乂節(jié)省勘探 費用和縮短勘探周期。本文在搜集國內(nèi)外關于單孔抽水試驗計算滲透系數(shù)的理論公式和經(jīng) 驗公式，重點分析裘布依公式的基本假定和適用范圍，找出影響傳統(tǒng)計算方法精度的主要 因素，結合鐵路一般供水站用水量較小的特點，尋求單孔抽水試驗計算水文地質(zhì)參數(shù)簡單 可行的新方法。該方法主要根據(jù)勘探孔的抽水試驗資料，建立Q-S拋物線方程，用數(shù)值方法求算 S二lm時的單位出水量q值，然后求算滲透系數(shù)K值，再代入裘布依公式中求算引用補給半 徑R值。在計算過程當中，使用了數(shù)理統(tǒng)計方法

2、。此外，還使用了基姆公式，以便解決只 做一次水位降深時求算S=lm時的近似單位出水量q值。從而用小口徑(W146mm)勘探試 驗孔的水文地質(zhì)參數(shù)K, R值，預測大口徑(146mm)生產(chǎn)井(大口井、管井、結合井、 干擾井、滲渠即水平集水管)等的出水量。第二章滲透系數(shù)和影響半徑傳統(tǒng)計算公式與存在問題口 1863年法國水力學家裘布依提出潛水井和承圧水井公式以來歷經(jīng)白余年，至今仍然被廣泛使用著。實踐證明，該公式誕生以來，在指導人類開發(fā)地下水資源方 面起到了舉足輕重的作用，促進了社會進步并獲得了經(jīng)濟效益。但是長期以來在使該公式 時，由丁種種原因，常常忽視了該公式的適用范圍和條件，因而造成系列誤差，影響了

3、滲 透系數(shù)和引用補給半徑的計算成果。第一節(jié)裘布依公式的假設條件和使用范圍一?裘布依公式承壓水完整孔K?潛水完整孔K?QRln(2-1) 2?MSrQRln (22)22?(H?h)r式中K 含水層滲透系數(shù)(m/d)：Q鉆孔出水量(m3/d);S 水位降深(m);H承壓含水層厚度(m);H-夭然情況下潛水含水層厚度(m);h-潛水含水層在抽水試驗時的孔內(nèi)剩余厚度(m) ; R-含水層半徑，即應用補給半 徑(m) ; r一過濾管半徑(m)。二、裘布依公式的假設條件抽水孔內(nèi)水頭上、下一致，即地下水沿過濾管進入孔內(nèi)時是均勻的（二維流）；（1）在 半徑為R的圓柱體外保持常水頭；（2）抽水前地下水是靜止的

4、，即天然水力坡度為零；（3）承壓水的頂、底板是水平的隔水層;潛水的底版是水平的隔水層，抽水時孔邊水力坡度不大于1/4; （4）含水層是均質(zhì)水平的。三、裘布依公式的基本假定與實踐的關系當抽水孔的出水量達到一定的數(shù)量（一般為大降深）時，孔壁周圍含水層將產(chǎn)生如下問題：（一）孔壁邊界條件1、孔壁及其周圍含水層中產(chǎn)生三維流由丁過濾管壁的摩阻，地下水沿過濾管運動必然產(chǎn)生水頭損失，因而沿過濾管的水頭 為深度Z的函數(shù)，這種邊界變化影響到含水層內(nèi)部，使幾周圍的地下水由二維平面流變?yōu)?具有Z方向分速的三維流，致使在同一半徑r處不同深度Z的水頭不等。事實上在三維流 區(qū)即bWl. 6倍含水層厚度的范圍（b為距抽水孔的

5、距離），裘布依公式就不適用。2、孔周圍產(chǎn)生紊流在含水層中進行抽水時，水力坡度增大到一定數(shù)值時，流速和水力坡度不再保持線性 關系（簡稱層流），此時達西定律不再有效，從而使在該基礎上推導的所有公式包括裘布 依公式也就失效：在粗顆粒地層，流速和水力坡度一開始抽水就呈非線性關系而符合拋物 線或指數(shù)關系（簡稱紊流）。因而裘布依公式也不宜應用。3、潛水中裘布依假定的失效在潛水中目前通用的公式均在流線傾角的正弦用正切代替的基礎上推導的，當潛水的 水力坡度大于1 /4時，該假定就失效，此時滲流場內(nèi)的勢分布與裘布依公式描述的完全 不同。（二）、含水層的“影響半徑”裘布依公式的影響半徑實質(zhì)上是含水層的補給半徑，在

6、此邊界上始終保持常水頭。如我國陳雨孫先生在一書中介紹裘布依公式中R的含義時指出的:1、R不是實際地下水面下降的邊界，不是降落漏斗，在抽水時水面下降可以波及到整 個含水層一直到補給邊界；2、與出水量Q和水位降深S無關，即Q、S或大或小，R值都是固定的：3、R與含 水層的滲透性（滲透系數(shù)k的大?。o關；4、R與孔徑（r）大小無關，但出水量與孔徑密切相關，孔徑愈大愈接近裘布依公式;5、R時含水層補給條件的參數(shù)，R愈小，補給條件愈好，反之R愈大，補給條2件愈差；6、R的大小受下列三個條件控制：（1）含水層形狀；（2）鉆孔在含水層中的位置：（3）補給源的類型和補給的強弱。7、為區(qū)別傳統(tǒng)“影響半徑R”的概

7、念，本文用“引用補給半徑R”來表示裘布依公式 中的R值；8、假設的“引用補給半徑R”是圓形的，但在口然界中的含水層中，進行抽水實驗時, 實際形成的降落漏斗很少有圓形的。（三）頂、底板的隔水層裘布依公式假定潛水含水層的底板和承壓含水層的頂，底板都是絕對隔水的，然而實 際隔水層如粘性土卻并非絕對隔水，在抽水試驗或水源地開采時，常可觀測到表層粘性土 中潛水位下降甚至疏干，這表明上覆“隔水層”的潛水己向下臥含水層進行補給。在具有越流滲流補給時，通過不同半徑圓柱面的流量不等。因此，當有垂直補給時， 只有在bWO. 178R時，裘布依公式才能適用。第二節(jié)以往滲透系數(shù)和影響半徑的計算方法及其存在的問題一影響

8、半徑R值的確定從公式（2-1）和（2-2）可看出，裘布依公式中有R和K兩個未知數(shù)，應首先求出引 用補給半徑R值，方能求出滲透系數(shù)k值。裘布依公式假定含水層是一個半徑為R的圓柱體，在該圓柱體的外周解保持一個常水 頭H,構成含水層一個邊界條件，除此之外，再無其它補給來源。（一）群孔抽水試驗當單孔在含水層中抽水，出水量和水位降深均達到穩(wěn)定時，說明含水層的補給能力滿 足單孔抽水的需要，因而也就必然存在著一個具體的數(shù)“R”來反映含水層對鉆孔的補給 能力。但是，單孔抽水試驗時，不能從含水層動水位的測量中直接得出。因此，以往釆用 設置觀測孔的方法求算影響半徑R值。根據(jù)有關規(guī)范，觀測孔的設置應符合如下要求：（

9、1）以抽水孔為原點，布置12條觀測線：（1）每一條觀測線上的觀測孔一般為 3個：（2）距抽水孔進的第一觀測孔，應避開三維流的影響；（3）各觀測孔的過濾器長度宜相等，并安置在同一含水層和同一深度上；（4） 抽水試驗前和抽水試驗過程中，必須同步測量抽水孔和觀測孔的靜止水位和動水位。從上述規(guī)定可看出設置觀測孔的條件是比較嚴格的，尤其是觀測孔距抽水孔的距離， 應考慮避開三維流的影響。抽水后實際下降漏斗，在距抽水孔很近的范圍內(nèi)（即 bWO. 178R）屬對數(shù)關系，當觀測孔聚居抽水孔的bMO. 178R后就變?yōu)樨惾麪柡?數(shù)關系，貝塞爾函數(shù)的斜率較對數(shù)函數(shù)為少，因此當觀測孔越遠時，計算的K值越大。 如前所述

10、，三維流區(qū)在bWl. 6倍含水層厚度范圍內(nèi)。當含水層的厚度、補給能力、滲 透性、過濾官場度、半徑和出水量等各種因素配合得當，或采用小降深抽水，在滲流場中 可以找到部首孔比邊界條件也不隨含水層補給條件影響的一個區(qū)域，即在1.0. 1 7 8 R范圍內(nèi)，進行群孔抽水試驗，可以獲得符合裘布依假定條件的引用補給半徑 R值。進行群孔抽水試驗，勘測成本高、周期長、難度大。當觀測孔的設置不符和上述規(guī)定 隨意布置時，獲得的值仍然是降落漏斗半徑，而不是應用補給半徑。（二）單孔抽水試 驗鐵路供水，一般用水量較小，在水文地質(zhì)勘察中往往采用單孔抽水試驗，而不設置觀 測孔。一般采用如下經(jīng)驗式計算影響半徑：R = 2 S

11、HK（2-3 ） R= 1 0 SK （2-4 ）從公式（2-3）和（2-4 4 ）中看出，影響半徑R是依水位降滲S變化的，這與裘布 依假定的條件是相矛盾的。也與上述陳雨孫先生對R的論述發(fā)生了矛盾。二滲透系數(shù)K值計算滲透系數(shù)計算的方法和公式很多，主要分為利用水位下降資料或利用水位恢復資料計 算。利用水位下降資料計算乂分為穩(wěn)定流抽水試驗和非穩(wěn)定流抽水試驗：進一步分為承壓 水和潛水、單孔和群孔、完整孔和非完整孔、有界和無界等等。(一)利用群孔抽水試 驗資料計算K值1穩(wěn)定流抽水試驗計算K值承壓水完整孔：有一個觀測孔時K?有兩個觀測孔時 TOC o 1-5 h z 0.366Q(lgrl?lgrw)(

12、25)M(Sw?Sl)K?潛水完整孔：有一個觀測孔時，K?有兩個觀測孔時0. 366Q (lgr2?lgrl)(26)M(Sl?S2)0. 73Q (lgrl?lgrw)(27)(2H?Sw?Sl)(Sw?Sl)4K?0. 73Q(lgr2?lgrw)(28)(2H?Sw?Sl) (S1?S2)式中Sw 抽水孔水位降深(m);；SI、S2-1、2號觀測孔的水位降深(m) ： rw-抽水孔的半徑(m)rl. r2一一1、2號觀測孔距抽水孔的距離(m):其他符號同上。2利用非穩(wěn)定流抽水實驗資料計算K值完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗，有降深一時間(S-lgt)量板法、降深一距離(S-lgr2) 量板法、直線

13、解析法、水位恢復法和直線斜率法等計算滲透系數(shù)的方法。上述方法均采 用觀測孔的水位降深和水位恢復資料計算。群孔抽水試驗的觀測孔，應嚴格按前述的有關規(guī)定布置。不難看出，無論穩(wěn)定穩(wěn)定流抽水試驗還是非穩(wěn)定流抽水試驗，該方法勘測成本高、周 期長、采用觀測孔的水位資料進行計算，尤其是穩(wěn)定流抽水試驗，應以觀測孔的水位達到要 求的穩(wěn)定延續(xù)時間,抽水才能結束，這就延長了抽水歷時時間，有時抽水需兒夭甚至更長。(二)利用單孔抽水試驗資料計算滲透系數(shù)鐵路一般的給水站和生活供水站用水量較小，多采用單孔抽水試驗資料計算K值，當完 整井時常常采用公式(2-1). (2-2)與公式(2-3)或(2-4)聯(lián)立求解。用經(jīng)驗公式計算的R值 代入裘布依公式,其結果有一個R值，就有一個對應的K值,這與裘布依公式中把R視為常 數(shù)的假定條件發(fā)生了矛盾，即使考慮了三維流和紊流的影響，仍然會在不同出水量時得出不 同K值的不合理結果。這是以往計算滲透系數(shù)時往往被忽視的一個問題。對于單孔抽水試驗,在水位相同的情況下，由于鉆孔結構不同所計算的滲透系數(shù)K值也 不同，如無過濾管K值也不同，填