用单位出水量计算渗透系数.docx

第一章 用单位出水量计算渗透系数的可行性研究概况在铁路建设中，为了提高预测生产井出水量的精度，同时不使用观测孔，又节 省勘探费用和缩短勘探周期本文在搜集国内外关于单孔抽水试验计算渗透系数的 理论公式和经验公式，重点分析裘布依公式的基本假定和适用范围，找出影响传统 计算方法精度的主要因素，结合铁路一般供水站用水量较小的特点，寻求单孔抽水 试验计算水文地质参数简单可行的新方法该方法主要根据勘探孔的抽水试验资料，建立 Q—S 抛物线方程，用数值方法求 算S=1m时的单位出水量q值，然后求算渗透系数K值，再代入裘布依公式中求算引 用补给半径 R 值在计算过程当中，使用了数理统计方法此外，还使用了基姆公 式，以便解决只做一次水位降深时求算S=1m时的近似单位出水量q值从而用小口 径（＜ 146mm）勘探试验孔的水文地质参数K, R值，预测大口径（〉146mm）生产井 （大口井、管井、结合井、干扰井、渗渠即水平集水管）等的出水量第二章 渗透系数和影响半径传统计算公式与存在问题第一节 裘布依公式的假设条件和使用范围自 1863 年法国水力学家裘布依提出潜水井和承压水井公式以来历经百余年， 至今仍然被广泛使用着。

实践证明，该公式诞生以来，在指导人类开发地下水资源 方面起到了举足轻重的作用，促进了社会进步并获得了经济效益但是长期以来在 使该公式时，由于种种原因，常常忽视了该公式的适用范围和条件，因而造成系列 误差，影响了渗透系数和引用补给半径的计算成果一，裘布依公式QR1, 承压水完整孔 K二 In— （2-1）2兀 MS r2，潜水完整孔K = Q -lnR (2-2)兀(H2 一 h2- r式中K—含水层渗透系数（m/d）；Q—钻孔出水量（m3/d）;S—水位降深（m）;M—承压含水层厚度（m）;H—天然情况下潜水含水层厚度（m）;h—潜水含水层在抽水试验时的孔内剩余厚度（m）;R—含水层半径，即应用补给半径（m）;过滤管半径（m）二、裘布依公式的假设条件抽水孔内水头上、下一致,即地下水沿过滤管进入孔内时是均匀的（二维流）;（1） 在半径为R的圆柱体外保持常水头；（2） 抽水前地下水是静止的,即天然水力坡度为零;（3） 承压水的顶、底板是水平的隔水层；潜水的底版是水平的隔水层,抽水时孔边 水力坡度不大于 1/4；（4） 含水层是均质水平的三、裘布依公式的基本假定与实践的关系 当抽水孔的出水量达到一定的数量（一般为大降深）时，孔壁周围含水层将产 生如下问题：（一） 孔壁边界条件1、 孔壁及其周围含水层中产生三维流 由于过滤管壁的摩阻，地下水沿过滤管运动必然产生水头损失，因而沿过滤管的水头为深度Z的函数，这种边界变化影响到含水层内部，使孔周围的地下水由二 维平面流变为具有Z方向分速的三维流，致使在同一半径r处不同深度Z的水头不 等。

事实上在三维流区即bW1.6倍含水层厚度的范围（b为距抽水孔的距离），裘布依 公式就不适用2、 孔周围产生紊流 在含水层中进行抽水时，水力坡度增大到一定数值时，流速和水力坡度不再保持线性关系（简称层流），此时达西定律不再有效，从而使在该基础上推导的所有公 式包括裘布依公式也就失效；在粗颗粒地层，流速和水力坡度一开始抽水就呈非线 性关系而符合抛物线或指数关系（简称紊流）因而裘布依公式也不宜应用3、潜水中裘布依假定的失效 在潜水中目前通用的公式均在流线倾角的正弦用正切代替的基础上推导的，当潜 水的水力坡度大于1/4时，该假定就失效，此时渗流场内的势分布与裘布依公式 描述的完全不同二）、含水层的“影响半径” 裘布依公式的影响半径实质上是含水层的补给半径，在此边界上始终保持常水 头如我国陈雨孙先生在〈〈单井水力学〉〉一书中介绍裘布依公式中R的含义时指出 的：1、 R 不是实际地下水面下降的边界，不是降落漏斗，在抽水时水面下降可以波 及到整个含水层一直到补给边界;2、 与出水量Q和水位降深S无关，即Q、S或大或小，R值都是固定的；3、 R与含水层的渗透性（渗透系数k的大小）无关；4、 R与孔径（r）大小无关，但出水量与孔径密切相关，孔径愈大愈接近裘布 依公式；5、 R时含水层补给条件的参数，R愈小，补给条件愈好，反之R愈大，补给条件愈差；6、R 的大小受下列三个条件控制：（1） 含水层形状；（2） 钻孔在含水层中的位置；（3） 补给源的类型和补给的强弱。

7、 为区别传统“影响半径R”的概念，本文用“引用补给半径R”来表示裘布 依公式中的R值；8、 假设的“引用补给半径R”是圆形的，但在自然界中的含水层中，进行抽水 实验时，实际形成的降落漏斗很少有圆形的三） 顶、底板的隔水层裘布依公式假定潜水含水层的底板和承压含水层的顶，底板都是绝对隔水的， 然而实际隔水层如粘性土却并非绝对隔水，在抽水试验或水源地开采时，常可观测 到表层粘性土中潜水位下降甚至疏干，这表明上覆“隔水层”的潜水已向下卧含水 层进行补给在具有越流渗流补给时，通过不同半径圆柱面的流量不等因此，当有垂直补 给时，只有在bW0.178R时，裘布依公式才能适用第二节 以往渗透系数和影响半径的计算方法及其存在的问题一 影响半径 R 值的确定从公式（2-1）和（2-2）可看出，裘布依公式中有R和K两个未知数，应首 先求出引用补给半径R值，方能求出渗透系数k值裘布依公式假定含水层是一个半径为R的圆柱体，在该圆柱体的外周解保持一 个常水头H,构成含水层一个边界条件，除此之外，再无其它补给来源一） 群孔抽水试验当单孔在含水层中抽水，出水量和水位降深均达到稳定时，说明含水层的补给 能力满足单孔抽水的需要，因而也就必然存在着一个具体的数“R”来反映含水层对 钻孔的补给能力。

但是，单孔抽水试验时，不能从含水层动水位的测量中直接得出 因此，以往采用设置观测孔的方法求算影响半径R值根据有关规范，观测孔的设 置应符合如下要求：（1）以抽水孔为原点，布置1~2条观测线；（1） 每一条观测线上的观测孔一般为3个；（2） 距抽水孔进的第一观测孔，应避开三维流的影响；（3） 各观测孔的过滤器长度宜相等，并安置在同一含水层和同一深度上；（4） 抽水试验前和抽水试验过程中，必须同步测量抽水孔和观测孔的静止水 位和动水位从上述规定可看出设置观测孔的条件是比较严格的，尤其是观测孔距抽水孔的 距离，应考虑避开三维流的影响抽水后实际下降漏斗，在距抽水孔很近的范围内 （即bW0.178R）属对数关系，当观测孔聚居抽水孔的b三0.178R后就变为贝塞尔函数关系，贝塞尔函数的斜率较对数函数为少，因此当观测孔越远时，计算的K值越 大如前所述，三维流区在bW1.6倍含水层厚度范围内当含水层的厚度、补 给能力、渗透性、过滤官场度、半径和出水量等各种因素配合得当，或采用小降深 抽水，在渗流场中可以找到部首孔比边界条件也不随含水层补给条件影响的一个区 域，即在1 .6MWbW0.178R范围内，进行群孔抽水试验，可以获得符合 裘布依假定条件的引用补给半径R值。

进行群孔抽水试验，勘测成本高、周期长、难度大当观测孔的设置不符和上 述规定随意布置时，获得的值仍然是降落漏斗半径，而不是应用补给半径二) 单孔抽水试验 铁路供水，一般用水量较小，在水文地质勘察中往往采用单孔抽水试验，而不 设置观测孔一般采用如下经验式计算影响半径：R=2S 时 (2-3)R=10S 东 (2-4)从公式(2-3 )和(2-44 )中看出，影响半径R是依水位降渗S变化的，这 与裘布依假定的条件是相矛盾的也与上述陈雨孙先生对R的论述发生了矛盾 二 渗透系数 K 值计算有界和无界等等渗透系数计算的方法和公式很多，主要分为利用水位下降资料或利用水位恢复 资料计算利用水位下降资料计算又分为稳定流抽水试验和非稳定流抽水试验；进 一步分为承压水和潜水、单孔和群孔、完整孔和非完整孔(一)利用群孔抽水试验资料计算K值1 稳定流抽水试验计算 K 值承压水完整孔： 有一个观测孔时(2-5)0.366Q(lg - lg )K = r1 rw—M(S -S )w1有两个观测孔时2-6)衣 0.366Q (lg -lg )K = r2 r1M (S - S )12潜水完整孔： 有一个观测孔时，2-7)0.73Q (lg -lg )K = r1 rw (2H - S - S )(S - S )w 1 w 1有两个观测孔时2-8)0.73Q(lg - lg ) r2 rw (2H -S -S )(S -S )w 1 1 2式中S —抽水孔水位降深（m）;wS、S —1、2号观测孔的水位降深（m）；12r —抽水孔的半径（m）；wrl、r2——1、2号观测孔距抽水孔的距离（m）；其他符号同上。

2利用非稳定流抽水实验资料计算K值完整孔非稳定流抽水试验，有降深一时间（S—lgt）量板法、降深一距离（S— lgr2）量板法、直线解析法、水位恢复法和直线斜率法等计算渗透系数的方法上 述方法均采用观测孔的水位降深和水位恢复资料计算群孔抽水试验的观测孔，应严格按前述的有关规定布置 不难看出，无论稳定稳定流抽水试验还是非稳定流抽水试验 ,该方法勘测成本 高、周期长、采用观测孔的水位资料进行计算,尤其是稳定流抽水试验,应以观测孔的 水位达到要求的稳定延续时间,抽水才能结束,这就延长了抽水历时时间,有时抽水需 几天甚至更长二）利用单孔抽水试验资料计算渗透系数铁路一般的给水站和生活供水站用水量较小 ,多采用单孔抽水试验资料计算 K 值,当完整井时常常采用公式（2-1）、 （2-2）与公式（2-3）或（2-4）联立求解用经验公式计 算的R值代入裘布依公式,其结果有一个R值，就有一个对应的K值，这与裘布依公式 中把 R 视为常数的假定条件发生了矛盾,即使考虑了三维流和紊流的影响,仍然会在 不同出水量时得出不同K值的不合理结果这是以往计算渗透系数时往往被忽视的 一个问题对于单孔抽水试验,在水位相同的情况下,由于钻孔结构不同所计算的渗透系数 K值也不同，如无过滤管K值也不同，填砾过滤器比不填砾的K值大等等。

第三章 单孔抽水计算渗透系数新方法研究利用群孔抽水试验方法计算含水层渗透系数K和引用补给半径R,虽然能符合裘 布依公式的假定条件，但勘测周期长、成本高，很难适应当前市场经济形势的需要而 结合铁路一般供水工程用水量小，多采用小孔径钻探、单孔抽水试验的方法，因而迫切 需要解决水文地质参数计算中的这一矛盾 ，研究可操作性强、精度符合要求的新方 法第一节 “单位出水量法”的研究一 国内外发表的计算渗透系数的经验公式 在收集的大量国内外既有计算方法和研究成果中,有针对性地选择几个计算渗透 系数的经验公式进行研究,国内外发表的经验公式如下: （一）”单位出水量法”,原苏联捷年鲍姆和格林鲍姆的经验公式潜水含水层:(3-1)承压水含水层:(3-2)K二旦M式中 K—含水层渗透系数（m/d）;q—水位降深S=lm时的单位出水量5 2/d）;H—潜水含水层厚度（m）；M承压含水层厚度（m）二）《水文地质工程地质》1973年第 4期邓厚基《单孔抽水试验确定渗透系数的新 方法》一文，经验公式承压水或承压潜水潜水K 二邑 *100M(3-3)K 二 q *100H式中q一单位出水量（L/s・m）;其他符号同上三）1977年前苏联＜＜取水井设计和钻探简明手册＞＞中的经验式K二㈣m式中m。