微水試驗(yàn)——原理、方法與工程實(shí)踐解析

在水文地質(zhì)勘察與巖土工程設(shè)計(jì)中，地層的滲透特性是評(píng)估地下水流動(dòng)、基坑穩(wěn)定性、路基沉降等問題的關(guān)鍵參數(shù)。微水試驗(yàn)（Miniature Water Test）作為一種低成本、低擾動(dòng)的原位測(cè)試技術(shù)，因設(shè)備簡單、操作便捷且適用于淺層或弱透水層，成為工程實(shí)踐中獲取滲透系數(shù)的常用方法。本文將從原理、設(shè)備、步驟、數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用場景等方面，全面解析微水試驗(yàn)的技術(shù)體系與工程價(jià)值。

一、試驗(yàn)原理：達(dá)西定律的原位應(yīng)用

微水試驗(yàn)的核心理論基礎(chǔ)是達(dá)西定律（Darcy's Law），該定律描述了水在多孔介質(zhì)中的滲透規(guī)律：
$Q = K \cdot A \cdot \frac{\Delta H}{L}$Q=K⋅A⋅LΔH?
其中，$Q$Q 為滲透流量（$m^3/s$m3/s），$K$K 為滲透系數(shù)（$m/s$m/s），$A$A 為過水?dāng)嗝婷娣e（$m^2$m2），$\Delta H$ΔH 為水頭差（$m$m），$L$L 為滲透路徑長度（$m$m）。

微水試驗(yàn)通過在鉆孔中定量注入或抽出地下水，記錄水位隨時(shí)間的變化，結(jié)合試驗(yàn)邊界條件（如套管直徑、試驗(yàn)段長度），反演計(jì)算地層的滲透系數(shù)。與抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)相比，微水試驗(yàn)的注水量小（通常小于100L）、試驗(yàn)時(shí)間短（數(shù)小時(shí)內(nèi)完成），對(duì)地層的擾動(dòng)極小，尤其適合粉質(zhì)粘土、粉土、砂土等淺層弱透水層的測(cè)試。

二、試驗(yàn)設(shè)備：簡單卻關(guān)鍵的工具組合

微水試驗(yàn)的設(shè)備體系由鉆孔工具、水位監(jiān)測(cè)裝置、注水系統(tǒng)及記錄設(shè)備組成，均為工程現(xiàn)場常見工具，無需復(fù)雜調(diào)試：

1. 鉆孔工具：用于鉆進(jìn)試驗(yàn)孔，常用小型鉆機(jī)（如手提式鉆機(jī)）或洛陽鏟，孔徑通常為50-100mm，孔深根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定（一般1-10m）。
2. 套管與濾水管：套管用于保持孔壁穩(wěn)定，防止坍塌；濾水管（或帶孔套管）置于試驗(yàn)段，允許水與地層交換，長度通常為0.5-2m。
3. 水位監(jiān)測(cè)裝置：精確測(cè)量孔內(nèi)水位變化，常用電測(cè)水位計(jì)（精度±1mm）或鋼尺水位計(jì)，需提前校準(zhǔn)。
4. 注水系統(tǒng)：包括量筒（用于定量注水）、水泵（如需持續(xù)注水）及軟管，確保注水速率穩(wěn)定。
5. 記錄設(shè)備：計(jì)時(shí)器（記錄時(shí)間）、筆記本（記錄水位、注水量）或數(shù)據(jù)采集儀（自動(dòng)記錄）。

三、試驗(yàn)步驟：標(biāo)準(zhǔn)化操作流程

微水試驗(yàn)的操作需嚴(yán)格遵循**《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 87-2012）**等規(guī)范，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。以下為典型步驟：

1. 場地準(zhǔn)備

選擇試驗(yàn)點(diǎn)：避開地下管線、障礙物及地層異常區(qū)（如斷層、夾層），確保試驗(yàn)段位于均勻地層。清理場地，平整地面。

2. 鉆孔與下套管

用鉆機(jī)或洛陽鏟鉆進(jìn)至試驗(yàn)深度（如5m），下套管至試驗(yàn)段底部（如4.5m），套管高出地面0.1-0.2m，防止地表水流入。試驗(yàn)段長度（濾水管長度）通常取0.5-1m（如4.5-5m為試驗(yàn)段）。

3. 初始水位觀測(cè)

待鉆孔穩(wěn)定后（一般靜置2-4小時(shí)），用電測(cè)水位計(jì)測(cè)量初始水位（$H_0$H0?），記錄讀數(shù)（精確至1mm），重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。

4. 注水試驗(yàn)

采用定流量注水法（常用）或定水頭注水法：

• 定流量注水：用量筒向孔內(nèi)勻速注入水（如每分鐘注入10L），記錄每時(shí)刻的水位（$H_t$Ht?）及注水量（$Q$Q）。當(dāng)水位上升速率趨于穩(wěn)定（如連續(xù)30分鐘水位變化小于1mm/min），停止注水。
• 定水頭注水：保持孔內(nèi)水位高于初始水位一定值（如0.5m），記錄維持該水頭所需的注水量隨時(shí)間的變化，直至注水量穩(wěn)定。

5. 恢復(fù)水位觀測(cè)

停止注水后，記錄水位隨時(shí)間的下降過程（恢復(fù)水位），直至水位接近初始水位或變化趨于平緩（如連續(xù)1小時(shí)水位變化小于1mm/min）。

6. 試驗(yàn)結(jié)束

拔出套管，回填鉆孔，清理場地，整理試驗(yàn)記錄。

四、數(shù)據(jù)處理：從原始記錄到滲透系數(shù)

微水試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理核心是反演計(jì)算滲透系數(shù)，常用公式包括Hvorslev公式（適用于完整井、試驗(yàn)段較短）和Bouwer-Rice公式（適用于部分穿透井、試驗(yàn)段較長）。以下以定流量注水法為例，說明Hvorslev公式的應(yīng)用：

1. 公式選擇

Hvorslev公式適用于試驗(yàn)段長度（$L$L）遠(yuǎn)小于含水層厚度的情況，表達(dá)式為：
$K = \frac{Q}{2\pi L \cdot \Delta H} \cdot \ln\left(\frac{2L}{r_w}\right)$K=2πL⋅ΔHQ?⋅ln(rw?2L?)
其中，$Q$Q 為穩(wěn)定注水量（$m^3/s$m3/s），$L$L 為試驗(yàn)段長度（$m$m），$\Delta H$ΔH 為穩(wěn)定水頭差（$H_t - H_0$Ht?−H0?，$m$m），$r_w$rw? 為套管半徑（$m$m）。

2. 數(shù)據(jù)整理

從試驗(yàn)記錄中提取：

• 穩(wěn)定注水量 $Q$Q（如10L/min = 1.67×10?? $m^3/s$m3/s）；
• 試驗(yàn)段長度 $L$L（如0.5m）；
• 穩(wěn)定水頭差 $\Delta H$ΔH（如初始水位1.5m，穩(wěn)定水位2.0m，$\Delta H=0.5m$ΔH=0.5m）；
• 套管半徑 $r_w$rw?（如孔徑75mm，$r_w=0.0375m$rw?=0.0375m）。

3. 計(jì)算示例

代入公式：
$K = \frac{1.67×10^{-4}}{2×3.14×0.5×0.5} \cdot \ln\left(\frac{2×0.5}{0.0375}\right)$K=2×3.14×0.5×0.51.67×10−4?⋅ln(0.03752×0.5?)
$= \frac{1.67×10^{-4}}{1.57} \cdot \ln(26.67)$=1.571.67×10−4?⋅ln(26.67)
$≈ 1.06×10^{-4} × 3.28$≈1.06×10−4×3.28
$≈ 3.48×10^{-4} \, m/s$≈3.48×10−4m/s

計(jì)算結(jié)果表明，該地層的滲透系數(shù)約為3.5×10?? m/s（屬于中等透水層）。

五、應(yīng)用場景：工程中的“滲透偵探”

微水試驗(yàn)因低擾動(dòng)、高適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于以下工程領(lǐng)域：

1. 地下水水源地勘探

在淺層含水層（如潛水含水層）中，微水試驗(yàn)可快速測(cè)定滲透系數(shù)，評(píng)估地下水補(bǔ)給能力，為水源井布局提供依據(jù)。

2. 基坑降水設(shè)計(jì)

基坑開挖前，需了解坑周地層的透水情況，微水試驗(yàn)可測(cè)定粉質(zhì)粘土、粉土等弱透水層的滲透系數(shù)，為降水井?dāng)?shù)量、深度設(shè)計(jì)提供參數(shù)，防止基坑突涌或周邊地面沉降。

3. 路基與邊坡工程

路基填筑前，微水試驗(yàn)可評(píng)估地基土的滲透特性，防止雨水下滲導(dǎo)致路基軟化；邊坡工程中，可測(cè)定邊坡土體的滲透系數(shù)，預(yù)測(cè)地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響（如滑坡）。

4. 地質(zhì)災(zāi)害防治

在巖溶、塌陷區(qū)，微水試驗(yàn)可探測(cè)地層的透水性差異，識(shí)別巖溶通道或空洞，為災(zāi)害防治（如注漿加固）提供依據(jù)。

六、注意事項(xiàng)：確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵

1. 試驗(yàn)段選擇：避免在斷層、夾層、回填土等不均勻地層進(jìn)行試驗(yàn)，確保試驗(yàn)段地層均勻。
2. 鉆孔質(zhì)量：鉆孔需垂直，孔壁不得坍塌或縮徑，套管需下至試驗(yàn)段底部，防止試驗(yàn)段與非試驗(yàn)段串水。
3. 水位觀測(cè)：使用精度≥1mm的水位計(jì)，每次觀測(cè)需重復(fù)3次，取平均值；注水過程中，水位計(jì)需固定位置，避免擾動(dòng)。
4. 注水速率：定流量注水時(shí)，速率需穩(wěn)定（波動(dòng)≤10%），避免因注水過快擾動(dòng)地層結(jié)構(gòu)（如將細(xì)顆粒沖出）。
5. 數(shù)據(jù)合理性檢查：計(jì)算滲透系數(shù)后，需與區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)比（如相鄰鉆孔的滲透系數(shù)），若差異過大，需重新試驗(yàn)。

結(jié)語：小試驗(yàn)，大價(jià)值

微水試驗(yàn)作為一種“輕量級(jí)”原位測(cè)試技術(shù)，以其設(shè)備簡單、操作便捷、結(jié)果可靠的優(yōu)勢(shì)，成為工程地質(zhì)勘察中的“利器”。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的融入（如實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)、智能數(shù)據(jù)處理），微水試驗(yàn)的效率與精度將進(jìn)一步提升，為地下水開發(fā)、工程建設(shè)及地質(zhì)災(zāi)害防治提供更有力的技術(shù)支撐。

無論是在城市基坑工程中保障施工安全，還是在鄉(xiāng)村水源地勘探中尋找清潔地下水，微水試驗(yàn)都在默默地發(fā)揮著“滲透偵探”的作用——用數(shù)據(jù)揭示地層的“水密性”，為工程決策保駕護(hù)航。