提水试验在某油气管道工程隧道勘察中的应用

1、提水试验在某油气管道隧道工程勘察中的应用刘 峰 （中国有色金属工业西安勘察设计研究院 西安 710054）摘要：本文主要以提水试验在某油气管道隧道工程勘察中的应用为例，首先对提水试验采用的设备、特点、步骤进行了简单介绍；然后根据稳定潜水井流原理求解渗透系数，最终为隧道涌水量的估算及隧道设计提供依据。关键词：弱透水层 提水试验 渗透系数 隧道涌水量0 引言隧道工程勘察中水文地质勘察是一项重要内容，水文地质勘察即通过在现场进行的不同类型的水文地质试验，求取隧道岩土层渗透系数，从而评价隧道水文地质条件。现场水文地质试验种类繁多，包括抽水试验、渗水试验、放水试验、注水试验、地下水示踪试验等等。其中，最常用的就是抽水试验。但是，对于弱含水层或因其过水能力小、或因其补给条件差、或兼而有之，综合反映为富水性较弱，故钻孔单位涌水量q均不大，无论采用空压机、水泵或其它工具进行抽水试验，都存在误差大、成本高、机械磨耗大等缺点。因此，在实际工作中常采用提水试验（简易抽水试验）代之。1 油气管道工程某隧道工程概况某油气管道工程是我国实施能源战略的重点项目之一，是我国能源进口的西南大通道，由原油和天然气两条管道

2、组成。拟在楚雄市禄丰县大洼子山以隧道形式穿越该山体，隧道场区属于北亚热带区，多年平均相对湿度74%，多年平均气温16.2，多年平均降水量915.2mm，日最大降水量123.3mm，年平均蒸发量2214.9mm。水系主要为星宿江，属红河水系，主要包括禄丰南河、星宿江和弥渡河。星宿江流域面积为1444km2，比降为0.41%，最大流量为60.3m3/s，最小流量为0.60m3/s，平均流量为11.69m3/s。该隧道全长约1.21km，隧道最大埋深193m。隧道所在场区地层属侏罗系中统上禄丰群（J2），其地层组以一套陆相和滨海相沉积的酒红、暗紫红、棕红色泥岩、钙质泥岩、杂色泥岩及粉砂岩为主；底为棕红色砂砾岩、砾岩，顶部为含盐泥灰岩，下部夹中粗粒石英砂岩。场区覆盖层主要由第四系残坡积粘性土、含碎石粘性土及块石、块碎石夹粉质粘土等组成，厚度一般为5.0米，最厚不大于30米。根据钻探资料（分别于钻孔进、出口处各布置钻孔一个，钻孔深度均超过设计底板15.0米）及现场工程地质调查，场区地下水类型为第四系松散孔隙水及基岩裂隙水。主要赋存于隧道穿越段内范围内的第四系覆盖层及钙质泥岩、砂岩、泥灰岩中，在坡

3、脚以泉的形式排泄。2 现场提水试验根据在隧道进、出口布设钻孔揭露，隧道洞身段地层中等风化钙质泥岩、砂岩及泥灰岩组成，裂隙较发育，岩体渗透性、补给及径流条件均较差，含水层富水性弱，出水量较小，因此进行抽水试验不符合实际情况。为此，我们采用提水试验的方法来求取隧道洞身段附近岩土层的渗透系数。2.1 提水试验的特点在野外进行的各种水文地质试验中，提水试验具有设备简单、操作便捷的特点，并且能够较为准确的反映含水层的实际状况。实际上，提水试验也可以视为一种简易的抽水试验，根据井流理论，抽水试验可分为稳定流抽水和非稳定流抽水两种方式。我们所进行的提水试验，是通过调整提桶数和时间间隔使得地下水流动达到稳定状态，实为稳定流抽水。2.2 提水试验的设备试验前准备好试验设备，包括提筒、储水管、花管、钢丝绳、电测水位计及秒表等。2.3 提水试验的原理提水试验中的储水管由套管和花管组成：下部为底端封死的套管，其长度比提水筒长12m ，上接长0. 20. 5m 的同径花管，再上接同径套管或花管，要求提水筒放入的深度提水筒顶与过滤花管底部等高，每次提水提水筒不得满管，否则调整储水管的位置（详见图1提水试验示意图）

4、。“储水管”中的水位始终低于过滤花管底部，那么，孔内之地下水便一直源源不断地经花管流入“储水管”，过滤花管实际上起着抽水机作用，花管底的位置即可视为动水位位置。这样，动水位便为一稳定的常数。只要该时段内每次提出的水量被其提水间隔时间所除的值(即涌水量Qi) 波动范围符合稳定标准，则表示涌水量Q 也稳定。这样，提水试验即为的稳定流抽水试验。图1 提水试验示意图2.4 提水试验方法及步骤(1) 检查提水试验设备的可靠性；(2) 用比孔径小一级的提筒进行大降深洗井。并观测地下水静止水位；(3) 根据洗井的流量、降深等资料，确定提水落程、配好“储水管”(配管时应考虑变化落程时调整该管长度简便) 、选定各落程提筒及相应的提水时间间隔、配好量水桶；(4) 按落程要求，将“储水管”下入孔内。其下入深度为花管底与选定的动水等高；(5) 将提筒用钢丝绳系牢，经天车、滑轮吊入“储水管”，边吊边量，使提筒顶与花管底等高，并在钢丝绳上与水位零点等高处标注耐久醒目的记号；(6) 用提筒快速将“储水管”内之水提出管外，使管内水位降至花管底下某一位置(可根据预计涌水量估算) ；(7) 选定正式提水的最佳时间间隔；先

5、按洗孔资料初定的间隔时间进行试提，若每次提出的水均为满管，说明提水能力不够，则应缩短间隔时间或增长提筒；若每次提出的水量太少，则应增长提水时间间隔，直至每次提出的水量均达到提筒容积的85 %左右为止，此时间间隔即为最佳值；(8) 按最佳时间间隔进行提水，并记录每次提出的水在量水桶中的高度h测和间隔时间t ，直至达到要求的稳定延续时间为止；(9) 观测恢复水位；时间从“储水管”内水位回升至花管底时起算，开始时每隔5、10、15min观测1次水位，以后每隔30min观测1次；直到接近静止水位；(10) 变换落程，按步骤(4)(9) 进行试验；(11) 按(1)(3) 式计算各落程降深S 和涌水量Q ；S = L - L 1 ； (1) ； (2)当提水时间间隔相同时， (2) 式可简化为： (3)式中：L 水位零点至花管底的距离，m；L1静止水位深，m；A 量水桶一厘米高的容积，L ；ti 两次提水时间间隔；S；h测i每次提出的水放入量水桶中的高度；cm；n 计算时段内的提水次数。3 提水试验数据整理及水文地质参数计算3.1 现场试验数据整理钻探施工过程中在钻孔ZK01及ZK02均进行了提

6、水试验，表1及图2和图3分别列出了各试验孔提水试验井流达到稳定状态后的降深、提水量和延续时间及各钻孔地层概况。表 1 试验孔提水试验数据钻孔编号孔深（m）孔径（mm）静水位埋深（m）稳定降深（m）稳定提水次数n稳定后(cm)稳定后(h)A（量水桶1cm的高的体积L）备注ZK0160.07535.004.5055.71.015.7第一次降深7.901415.12.0第二次降深13.601617.52.0第三次降深ZK0260.07530.004.7099.61.515.7第一次降深8.501517.02.0第二次降深11.701719.32.0第三次降深图2 ZK01号孔地层示意图 图3 ZK02号孔地层示意图3.2 水文地质参数计算前面已经指出，若提水试验过程中，提水流量和水位同时相对稳定，并有一定延续时间，提水试验相当于稳定流抽水试验；另外按照隧道场区钻孔技术要求及地层岩性，钻孔钻至隧道底板下15.0m；从钻探岩芯来看， 钻孔底部岩石RQD和岩芯采取率都在90%以上，裂隙不发育，且呈闭合状态，属中等风化微风化完整的基岩。因此，可以将钻孔视为完整井，采用裘布依稳定潜水井流公式来计算渗透

7、系数k（YS5215-2000，式5.3.8）：式中： Q 钻孔涌水量，m3/d ； H 含水层厚度，m； S 提水试验水位下降值，m；R 影响半径，m； r 提水孔半径，m。根据（YS5215-2000，式5.2.4）潜水条件下，影响半径R可选用下式进行计算即：（其中符号同上式）。3.3 试验数据计算结果试验孔数据计算结果详见下表2。表2 试验孔提水试验数据结果钻孔编号涌水量（m3/h）钻孔单位涌水量（m3/（hm）影响半径（m）综合渗透系数k(m/d)透水性分级分段估算建议渗透系数k(m/d)备注ZK010.0890.0206.063.02E-02弱透水性2.92E-02第一次降深0.1190.01510.552.92E-02弱透水性第二次降深0.1370.01017.672.90E-02弱透水性第三次降深ZK020.1000.0216.402.68E-02弱透水性2.45E-02第一次降深0.1330.01611.172.48E-02弱透水性第二次降深0.1520.01315.262.45E-02弱透水性第三次降深试验孔Q-S曲线详见下图4及图5：图4 ZK01号孔Q-S曲线图5 ZK02号孔Q-S曲线4 结论（1）从试验成果可得出如下结论：在各种条件相同情况下，岩土层渗透性随着含水层厚度变大而减小，与岩体的完整性及节理裂隙发育程度基本吻合（即钻孔揭露底部岩石完整程度好于上部）。因此为了求得弱含水层水文地质参数，提水试验方法是一种省时、省工且资料较准确的水文地质试验方法，故宜推广使用。（2）根据隧道区钻孔提水试验结果并结合现场的地质调查、流量测量工作及物探等资料，可采用铁路工程水文试验规程（TB10049-2004）附录B2中地下水动力学法的古德曼经验式（B.2.1-1）对隧道最大涌水量进行分段计算预测。根据隧道地区水文地质计算的分段涌水量及隧道水文地质富水性特征，可对隧道工程水文地质条件进行总体评价，以供设计使用。参考文献：1铁路工程水文试验规程（TB10049-2004），中国铁道出版社。2抽水试验规程（YS5215-2000），中国计划出版社。3石中平，水文地质求参实际问题探讨，西安理工大学学报。4王胜平，阎高翔，洪正修，弱含水层两种提水试验方法， 西部探矿工程。

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