基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法
【专利摘要】本发明涉及水利工程中对于地质参数的获取技术，其公开了一种基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，解决传统技术中水文地质试验方法存在的实验效率低、水设备要求高、稳定性低的问题。该方法包括以下步骤：A.钻探试验孔至试验要求深度；B.在试验段位置安装自由振荡法试验设备；C.采用注水式激发水头的方式进行试验；D.对实验数据进行整理，计算渗透参数。本发明适用于工程建设原始地层的水文地质参数的获取，可快速获取地层渗透系数，以辅助地质人员对地层渗透特性进行评价，帮助设计人员对工程防渗提供设计参考。
【专利说明】基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水利工程中对于地质参数的获取技术，具体涉及一种基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法。
【背景技术】
[0002]水文地质试验工作是在工程项目前期阶段，配合勘探钻孔所进行的现场原位试验工作的一种，主要目的在于查明地层的渗透特性，为工程区防渗处理提供依据和参考，是任何一个涉及地下水的工程项目必须进行的试验工作，目前主要采用的试验方式有:
[0003]1、稳定流抽水试验:
[0004]稳定流抽水试验是目前应用最广泛的水文地质试验之一，是目前最常用的试验方法，配合钻探工作至试验区段时，向钻孔内加入过滤料、沉砂管、水泵等一系列试验设施，将地层中的地下水按固定的涌水量抽出，同时保持动水位达到固定的降深，记录抽水孔的涌水量和抽水孔及观测孔的动水位并通过量取水位降深、抽水流量，计算得出地层的渗透系数。根据规范要求，在抽水稳定延续时间内，实测涌水量最大值与最小值之差应小于平均涌水量的5%，涌水量应无持续增大或变小的趋势。同时，在抽水稳定延续时间内，动水位稳定标准应符合下列要求:采用离心泵、深井泵、潜水泵、拉杆式水泵抽水过程中，抽水孔测压管的水位波动值不应大于3cm ;同一时间内观测孔的水位波动值不应大于1cm。采用空压机抽水过程中，抽水孔测压管的水位波动值不应大于10cm。动水位应无持续上升或下降的趋势，在动水位与涌水量同时稳定后，需至少观测与记录4个小时以上，试验数据方可用于渗透系数的计算。
[0005]该方式存在以下缺陷:
[0006]a)试验效率低下:每5m试验段试验耗时至少10小时以上，随着试验段的深入，试验耗时时间持续提闻。
[0007]b)试验设备要求高:稳定流抽水试验要求动水位保持稳定,对水泵的稳定性能要求较高，一旦不符合规范要求，则必须更换设备，对于西南地区设计深厚覆盖层的工程区域，随着试验段埋深超过20m，试验设备更难满足要求。
[0008]c)试验设备安装复杂:不仅需要配合大口径钻探(钻孔直径需满足水泵尺寸)，同时要求按规范准备过滤料、沉砂管，加入后还需起拔套管，将试验段暴露在地层之外，起拔套管的过程，在深厚覆盖层中非常难操作，需要大型拔管器方可实施。
[0009]d)需要现场采用纸质方式记录，并在室内电子化，工作量大。
[0010]2、稳定流注水试验:
[0011]稳定流注水试验与抽水试验设备安装等过程基本相似，但试验主要采取将水以稳定的流量注入原始地层中，并保持动水位抬升至一稳定的水位。通过记录水位的抬升与流量的关系，计算渗透系数，适用于试验段位于地下水位以上，或抽水试验无法实施时。
[0012]该方式与稳定流抽水试验类似，同样存在试验效率低下、对设备要求高、安装复杂的问题；此外,稳定流注水试验精度较差,多次重复试验中的数据离散值也较高，同时无完整的规范建议，一般不推荐使用，仅在抽水试验确实无法进行的地层方可采用。
[0013]3、非稳定流抽水试验:
[0014]非稳定流抽水试验安装方法与稳定流抽水试验相同，与稳定流抽水试验必须同时保证涌水量与动水位稳定的要求不同，非稳定流抽水试验可保持涌水量固定而观测地下水位随时间的变化，或保持水位降深固定而观测涌水量随时间的变化的抽水试验，通过特定的计算公式，得出地层渗透系数。
[0015]相比稳定流抽水试验，非稳定流抽水试验设备安装流程完全相同，但由于不需要同时保持动水位和涌水量的稳定，因此对试验设备要求相对较低，试验效率有所提高，但仍然较差，同时试验精度相比稳定流抽水试验较低。
【发明内容】
[0016]本发明所要解决的技术问题是:提出一种基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，解决传统技术中水文地质试验方法存在的实验效率低、水设备要求高、稳定性低的问题。
[0017]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0018]基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，包括以下步骤:
[0019]A.钻探试验孔至试验要求深度；
[0020]B.在试验段位置安装自由振荡法试验设备；
[0021]C.采用注水式激发水头的方式进行试验；
[0022]D.对实验数据进行整理，计算渗透参数。
[0023]具体的，步骤A中，所述试验孔为基岩裸孔或者为设置有过滤器的松散地层钻孔，试验孔的选择和布置视场地情况和勘探需要设置。
[0024]具体的，步骤B中，所述自由振荡法试验设备包括水泵、水头激发系统、传感器系统和数据采集系统；所述传感器系统中的压力传感器通过数据传输线连接数据采集系统中的数据记录仪。
[0025]具体的，步骤B中，将压力传感器沿钻孔下落至试验区段，并需确保其在井孔水位激荡后，仍然位于水面之下；此外，试验段上下须用栓塞止水，非试验段用套管封闭，保证只有试验段与含水层有水力联系。
[0026]具体的，步骤C中，所述采用注水式激发水头的方式进行试验包括:向孔内注入一定的水量，通过水头激发系统使地下水位产生波动，同时观察数据采集系统所记录的水头随时间的变化过程。
[0027]具体的，步骤D中，所述对实验数据进行整理，计算渗透参数，包括:
[0028]首先对原始观测记录进行整理、校核；然后在分析试验地段的地质、水文地质条件的基础上，结合试验孔的结构、含水层类型、试验方法和阻尼系数ζ大小，通过基于振荡方程的渗透系数计算方法对同一组试验数据进行渗透性参数计算。
[0029]本发明的有益效果是:
[0030]1、效率高:
[0031]自由振荡法试验可以显著地提升水文地质试验工作效率，每个试验区段耗时仅需5-10分钟时间，对于工期要求紧、抢险施工、高原复杂环境区域等工程项目尤其重要。
[0032]2、设备要求较低:
[0033]自由振荡法试验所需设备要求较低，仅需一套振荡法试验设备与一台普通水泵即可。
[0034]3、设备安装简易:
[0035]自由振荡法试验所需钻孔直径较小，方便钻探施工，各项试验设备安装简易。
[0036]4、数字化程度高:
[0037]自由振荡法试验设备自带数据采集系统，可方便进行数字化数据采集，直接转为原始记录的成果。
【具体实施方式】
[0038]本发明旨在提出一种基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，解决传统技术中水文地质试验方法存在的实验效率低、设备要求高、稳定性低的问题，在适用的地层区域可高效、准确地计算出地层渗透系数。
[0039]为便于更好的理解本发明，下面对几个专用技术术语进行解释:
[0040]自由振荡法试验:即通过一定激发手段使得孔内水位发生瞬时变化，在水头差的作用下，钻孔中水位逐渐恢复到静止状态，测量水位随时间的变化，获得水位-时间响应数据，利用响应数据来确定含水层的渗透系数，这一过程就叫做自由振荡法试验；
[0041]水文地质渗透试验:水文地质渗透试验是工程地质勘察中一项最重要最基本的勘察方法，它是运用水文地质、工程地质理论，通过抽水试验、注水试验等一系列的现场水文地质试验方法，以查明拟定建筑区内原始地层的渗透系数，水力比降等参数，为工程防渗设计与施工提供参考。
[0042]在具体实现上，本发明中的水文地质试验方法包括以下步骤:
[0043]1.钻探至试验深度:
[0044]试验孔可以是勘探孔，也可以是专门的试验孔(对钻孔直径要求较低)。可以是基岩裸孔，也可以是设置有过滤器的松散地层钻孔。试验孔的选择和布置完全视场地情况和勘探需要而定。试验可以是完整井，也可以是非完整井。对于非完整井，试验段应与滤管设置的位置相对应。2.安装自由振荡法试验设备:
[0045]在试验段位置，自由振荡式试验设备需要水头激发系统、传感器系统和数据采集系统。同时注水式自由振荡法水头激发需配备一定功率的水泵一台，将传感器系统中的压力传感器通过数据传输导线(数据线)连接数据记录仪。将压力传感器沿钻孔下落至试验区段，并需确保其在井孔水位激荡后，仍然位于水面之下。另外，试验段上下必须用栓塞止水，非试验段用套管封闭，保证只有试验段与含水层有水力联系。
[0046]3.采用注水式激发水头的方式进行试验:
[0047]向孔内注入一定的水量，通过自由振荡式试验设备使地下水位产生波动，同时观察数据采集系统所记录的水头随时间的变化过程。
[0048]4.试验数据的整理、计算渗透系数:
[0049]首先对原始观测记录进行整理、校核，发现问题应及时分析研究和解决。其次分析试验地段的地质、水文地质条件的基础上，结合试验孔的结构、含水层类型、试验方法和阻尼系数ζ大小，通过基于振荡方程的渗透系数计算方法对同一组试验数据进行渗透性参数计算。
【权利要求】
1.基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，其特征在于，包括以下步骤: A.钻探试验孔至试验要求深度； B.在试验段位置安装自由振荡法试验设备； C.采用注水式激发水头的方式进行试验； D.对实验数据进行整理，计算渗透参数。
2.如权利要求1所述的基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，其特征在于，步骤A中，所述试验孔为基岩裸孔或者为设置有过滤器的松散地层钻孔，试验孔的选择和布置视场地情况和勘探需要设置。
3.如权利要求1所述的基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，其特征在于，步骤B中，所述自由振荡法试验设备包括水泵、水头激发系统、传感器系统和数据采集系统；所述传感器系统中的压力传感器通过数据传输线连接数据采集系统中的数据记录仪。
4.如权利要求3所述的基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，其特征在于，步骤B中，将压力传感器沿钻孔下落至试验区段，并需确保其在井孔水位激荡后，仍然位于水面之下；此外，试验段上下须用栓塞止水，非试验段用套管封闭，保证只有试验段与含水层有水力联系。
5.如权利要求1所述的基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，其特征在于，步骤C中，所述采用注水式激发水头的方式进行试验包括:向孔内注入一定的水量，通过水头激发系统使地下水位产生波动，同时观察数据采集系统所记录的水头随时间的变化过程。
6.如权利要求1所述的基于注水式自由振荡法的水文地质试验方法，其特征在于，步骤D中，所述对实验数据进行整理，计算渗透参数，包括: 首先对原始观测记录进行整理、校核；然后在分析试验地段的地质、水文地质条件的基础上，结合试验孔的结构、含水层类型、试验方法和阻尼系数大小，通过基于振荡方程的渗透系数计算方法对同一组试验数据进行渗透性参数计算。
【文档编号】G01N15/08GK104297129SQ201410594850
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】崔中涛, 张世殊, 石定国, 单诗涵, 李进元, 崔怀树, 徐海洋, 张巍, 龚淑华 申请人:中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司