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現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管法的制作方法

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現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管法的制作方法與工藝

本發(fā)明涉及一種現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管法,尤其是一種現(xiàn)場(chǎng)確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)、貯水率等水文地質(zhì)參數(shù)的方法。



背景技術(shù):

隨著社會(huì)的快速發(fā)展,由于弱透水層釋水引起地面沉降的資源與環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重。僅中國(guó)長(zhǎng)江三角洲,由于地下水超采引起的地面沉降大于200mm的面積已占區(qū)域面積的十分之一,其中最大累積沉降量達(dá)2.80m,已造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)500億美元;此外,地下水的污染也由上部含水層向深部擴(kuò)展。所有這些都與含水層系統(tǒng)重要的組成部分弱透水層的水文地質(zhì)特性密切相關(guān)。弱透水層的水文地質(zhì)參數(shù)(如傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)、貯水率)不僅對(duì)預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和控制地面沉降有重要意義,而且對(duì)地下水資源開發(fā)、評(píng)價(jià)和計(jì)算以及含水層系統(tǒng)污染物運(yùn)移規(guī)律和熱能傳導(dǎo)規(guī)律的研究有著重要的意義。

雖然,對(duì)于含水層水文地質(zhì)參數(shù)確定方法已有較多研究,大多數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)抽水(或注水)試驗(yàn)的方法,然而,相鄰含水層的弱透水層的水文地質(zhì)參數(shù)確定方法研究的卻很少,這一方面是由于我們一直以來(lái)認(rèn)為弱透水層是隔水層或相對(duì)隔水層,作為水資源量其貢獻(xiàn)率很小,因此很少專門給予重視和得到必要的研究,時(shí)常將弱透水層忽略或者作為一種邊界處理;另一方面也缺少一種有效的原理和方法能用于現(xiàn)場(chǎng)直接確定這些參數(shù),如常用的確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)并不適用于滲透性微弱的弱透水層。此外,即使有對(duì)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究的,也局限于室內(nèi)研究,目前尚無(wú)對(duì)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)原位研究的試驗(yàn)理論和方法的實(shí)踐,因此,本發(fā)明的提出可以填補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的技術(shù)方法的空白,具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題,本發(fā)明基于現(xiàn)場(chǎng)雙管技術(shù),推導(dǎo)在內(nèi)管弱透水層一側(cè)水頭降低某一常量(水位不低于弱透水層頂面)而外管保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解,提出一種現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管法。這一方法不僅理論嚴(yán)密,而且可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試,具有試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作,獲取的參數(shù)齊全、精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)方案:一種現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管法,首先,在現(xiàn)場(chǎng)形成具有確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管試驗(yàn)?zāi)P停陔p管試驗(yàn)?zāi)P?,推?dǎo)在內(nèi)管弱透水層水頭降低某一常量(水位不低于弱透水層頂面)而外管一側(cè)保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解;然后,給出基于測(cè)量的內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料,采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率的方法。

雙管試驗(yàn)?zāi)P偷膶?shí)現(xiàn)方法為:首先,在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔至需要測(cè)試的弱透水層的頂面,同時(shí)將套管下至弱透水層的頂面并將套管內(nèi)弱透水層頂面以上的土樣取出鉆孔,然后利用鉆機(jī)壓力將套管從弱透水層的頂面壓至弱透水層的底面,然后在套管中心放入直徑約為套管直徑一半的PVC管,同樣,將PVC管下放置至弱透水層的頂面,然后再用鉆機(jī)壓力降PVC管壓入至需要測(cè)試的弱透水層的試段底部,并通過(guò)吸泥的方式將外管中的弱透水層土樣吸出圓環(huán)形套管,然后在圓環(huán)形套管中底部鋪設(shè)礫石作為反濾層,并在PVC管中對(duì)應(yīng)于弱透水層的試段頂部位置鋪設(shè)礫石作為反濾層。這樣就在現(xiàn)場(chǎng)形成了確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的雙管模型。

此時(shí),確保圓環(huán)套管和PVC內(nèi)管中水位與鉆孔外地下水位一致。在PVC管中布置抽水泵管,將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)。在圓環(huán)套管中上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶,馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處,使圓環(huán)套管內(nèi)水位保持定水位(地下水位)。在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后,瞬時(shí)開啟抽水泵,使PVC管中水位產(chǎn)生一定的水位差,并保持內(nèi)外管的水頭差固定不變,并記錄內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化,所述的一定的水位差是指產(chǎn)生水位差后保證水位在試段頂面以上就可以,也就是水位不能低于試段頂面;然后,基于雙管試驗(yàn)?zāi)P停茖?dǎo)在內(nèi)管弱透水層一側(cè)水頭降低某一常量(水位不低于弱透水層頂面)而外管保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解,根據(jù)實(shí)測(cè)的內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料,采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率。

本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作,解析解理論嚴(yán)密,采用配線法確定參數(shù),方法簡(jiǎn)單易掌握,可以解決目前現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法原位確定弱透水水文地質(zhì)參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,克服了現(xiàn)場(chǎng)取樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試的誤差;同時(shí),一次實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)求得弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率,獲取的參數(shù)多;由于抽水流量測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)且誤差小,由此求得的參數(shù)精度高。最為重要的是,該方法實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù),因此,該方法有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

所述雙管試驗(yàn)?zāi)P蛷南碌缴弦来伟ㄔ嚇佣?、濾層、水;從外到內(nèi)依次包括直徑為127mm的外管、直徑為75mm的內(nèi)管、內(nèi)管圓柱試樣和濾層;所述PVC內(nèi)管弱透水層頂面鋪設(shè)一層礫石濾層,在內(nèi)管套管中布置抽水泵管,將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)。所述外管上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶,馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處,使外管內(nèi)水位保持定水位(地下水位);在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后,瞬時(shí)開啟抽水泵,使內(nèi)管套管中水位產(chǎn)生一定的水位差,并保持內(nèi)外管的水頭差固定不變,并記錄內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化。

所述基于內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料,采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率的方法,即將記錄的內(nèi)管抽水泵流量Q除以內(nèi)管弱透水層圓柱橫截面積S,化為單位面積流量q(cm/min),在與標(biāo)準(zhǔn)曲線相同模的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中作q~t實(shí)測(cè)曲線,與標(biāo)準(zhǔn)曲線配線,使兩條曲線重疊最好,任選一匹配點(diǎn),記下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值[q]、和[t],代入相應(yīng)公式計(jì)算傳導(dǎo)系數(shù)a、滲透系數(shù)K、貯水率μ。

有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明所提供的確定弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):

①推得的解析解,理論嚴(yán)密,因此方法有嚴(yán)格的理論依據(jù);

②實(shí)現(xiàn)弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的原位測(cè)試,并且試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作;

③采用配線法確定參數(shù),方法簡(jiǎn)單易掌握;

④一次實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)求得弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率,獲取的參數(shù)多;

⑤由于流量測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)且誤差小,由此求得的參數(shù)精度高。因此,該方法有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖;

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的雙管試驗(yàn)?zāi)P停?/p>

圖3為截面流量標(biāo)準(zhǔn)曲線;

圖4為截面流量標(biāo)準(zhǔn)曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例,進(jìn)一步闡明本發(fā)明,應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍,在閱讀了本發(fā)明之后,本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

現(xiàn)場(chǎng)確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管法,首先,在現(xiàn)場(chǎng)形成具有確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的內(nèi)管降深雙管試驗(yàn)?zāi)P停陔p管試驗(yàn)?zāi)P?,推?dǎo)在內(nèi)管弱透水層水頭降低某一常量(水位不低于弱透水層頂面)而外管一側(cè)保持地下水位不變條件下內(nèi)管弱透水層單位水平面積的流量公式解析解;然后,給出基于測(cè)量的內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)資料,采用配線法確定弱透水層傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)和貯水率的方法。

雙管試驗(yàn)?zāi)P蛷南碌缴弦来伟ㄔ嚇佣?、濾層、水;從外到內(nèi)依次包括直徑為127mm的外管、直徑為75mm的內(nèi)管(PVC內(nèi)管)、內(nèi)管圓柱中的試樣和濾層;PVC內(nèi)管弱透水層頂面鋪設(shè)一層礫石濾層,在內(nèi)管套管中布置抽水泵管,將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)。所述外管上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶,馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處,使外管內(nèi)水位保持定水位(地下水位);在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后,瞬時(shí)開啟抽水泵,使內(nèi)管套管中水位在試段頂面以上,產(chǎn)生水位差,并保持內(nèi)外管的水頭差固定不變,并記錄內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化。

弱透水層參數(shù)確定的原理:

(1)弱透水層水流模型的解析解

假設(shè)內(nèi)管弱透水層柱體飽和承壓且壓力水頭處處相等,通過(guò)內(nèi)管抽水泵使水頭降低某一定值(但不能低于外管弱透水層的頂面),而外管地下水位不變,同時(shí)測(cè)定內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間的變化。這時(shí)弱透水層為垂向流,取如圖2坐標(biāo)系,這樣弱透水層水流模型為

式中,0<u<l,其中的u指的是u(z,t),u(z,t)為內(nèi)管弱透水層z點(diǎn)t時(shí)刻的水位變化值,z點(diǎn)代表試段中Z軸上的點(diǎn);為內(nèi)管側(cè)水位降深;l為弱透水層厚度;a=K/μ為弱透水層傳導(dǎo)系數(shù);K為弱透水層滲透系數(shù);μ為弱透水層貯水率。

對(duì)于內(nèi)管弱透水層水流模型I,經(jīng)分離變量和傅立葉變換,得解為

n代表自然數(shù);

(2)弱透水層流量的解析解

t時(shí)刻通過(guò)位置z單位水平面積的流量

無(wú)量綱化:

其中,為無(wú)量綱流量,而和為無(wú)量綱位置和時(shí)間;為與弱透水層性質(zhì)和厚度有關(guān)參數(shù),稱為滯后指數(shù)。

在式(3)中令和得弱透水層頂面和底面單位水平面積流量(取正值,不考慮流量方向)變化如圖3和圖4。

從弱透水層頂面單位水平面積流量變化圖3看出,起初時(shí)刻流量最大并隨著時(shí)間增大迅速衰減,當(dāng)即t≥τ0后,流量趨于定值底面單位水平面積流量變化則相反(如圖4),起初時(shí)刻流量為0,并隨著時(shí)間增大迅速增大,當(dāng)以后增速趨緩;當(dāng)即t≥τ0后,流量也趨于定值

弱透水層參數(shù)確定方法:

對(duì)于時(shí)刻通過(guò)位置單位水平面積的流量

對(duì)上述二式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),有

(6)、(7)二式右邊的第二項(xiàng)都是常數(shù),因此在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi),實(shí)驗(yàn)獲得的q(0,t)~t和截面標(biāo)準(zhǔn)曲線(如圖3)在形狀上是相同的,只是縱橫坐標(biāo)平移了和采用配線法,將二曲線重疊,任選一匹配點(diǎn),記下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值[q]、和[t],代入上述(4)、(5)二式,得:

滲透系數(shù):

擴(kuò)散系數(shù):

貯水率:

當(dāng)t=τ0或t→∞時(shí)弱透水層流量趨于穩(wěn)定。這時(shí)頂、底面單位時(shí)間流入與流出量相等,記為qy,有式(2)同樣可得滲透系數(shù):

另外,有式(3)對(duì)于時(shí)刻通過(guò)位置單位水平面積的流量

對(duì)上述二式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),有:

當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得z=l截面q~t資料,同樣以截面標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖4所示,采用配線法確定上述參數(shù)。

如圖1所示,試驗(yàn)步驟:

(1)首先,在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔至需要測(cè)試的弱透水層的頂面,同時(shí)將套管(外管)下至弱透水層的頂面并將套管內(nèi)弱透水層頂面以上的土樣取出鉆孔,然后利用鉆機(jī)壓力將套管從弱透水層的頂面壓至弱透水層的底面,然后在套管中心放入直徑約為套管直徑一半的PVC管(內(nèi)管),同樣,將PVC管下放置至弱透水層的頂面,然后再用鉆機(jī)壓力降PVC管壓入至需要測(cè)試的弱透水層的試段底部,并通過(guò)吸泥的方式將外管中的弱透水層土樣吸出圓環(huán)形套管,然后在外管與內(nèi)管之間形成的圓環(huán)形套管中底部鋪設(shè)礫石作為反濾層,并在PVC管中對(duì)應(yīng)于弱透水層的試段頂部位置鋪設(shè)礫石作為反濾層。這樣就在現(xiàn)場(chǎng)形成了確定內(nèi)管弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)的雙管模型。

(2)確保圓環(huán)套管和PVC內(nèi)管中水位與鉆孔外地下水位一致。在PVC管中布置抽水泵管,將抽水泵管底部放置地下水位以下一段距離(試段頂面以上)。在圓環(huán)套管中上部端口位置設(shè)置馬利奧特瓶,馬利奧特瓶的進(jìn)水管下端放置地下水位高程處,使圓環(huán)套管內(nèi)水位保持定水位(地下水位)。

(3)在試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后,瞬時(shí)開啟抽水泵,使PVC管中水位在試段頂面以上,產(chǎn)生水位差,并保持內(nèi)外管的水頭差固定不變,并記錄內(nèi)管抽水泵流量隨時(shí)間變化;

(4)記錄:內(nèi)管抽水泵流量觀測(cè)的時(shí)間,宜在打開抽水泵后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min鐘各觀測(cè)一次,記錄在表中,以后可每隔30min鐘觀測(cè)一次。

(5)持續(xù)觀測(cè),直至每隔30min內(nèi)管抽水泵流量基本不變,可終止試驗(yàn)。

(6)參數(shù)計(jì)算:將記錄的內(nèi)管抽水泵流量Q除以內(nèi)管圓柱橫截面積S,化為單位面積流量q(cm/min),在與標(biāo)準(zhǔn)曲線相同模的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中作q(0,t)~t實(shí)測(cè)曲線,與標(biāo)準(zhǔn)曲線配線,使二條曲線重疊最好,任選一匹配點(diǎn),記下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值[q]、和[t],代入式(8)、(9)和(10)計(jì)算滲透系數(shù)K、傳導(dǎo)系數(shù)a和貯水率μ。

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