一种识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法制造技术

本发明专利技术公开了一种识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法，包括如下步骤：1)基于钻孔正薄壁效应影响下的环状双层有限厚度井孔试验模型，推导在钻孔内瞬时微小水位变化的条件下钻孔水位随时间变化的解析解，通过MATLAB编程得到正薄壁情况下标准曲线数据并绘制HD

【技术实现步骤摘要】
一种识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法


[0001]本专利技术涉及一种识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法，属于含水层水文地质参数测试的


技术介绍

[0002]随着国家经济的发展和人口的增长，对地下水的开发利用以及工程建设中对地下水系统的扰动越来越剧烈，由此引发的地面沉降、海水入侵、地下水污染等环境资源问题也越来越突出，所有这些问题都会涉及到含水层水文地质参数。
[0003]确定含水层水文地质参数的传统试验方法有抽水试验、注水试验等。传统试验在实际运用中各有明显的优缺点，抽水试验耗费人力物力多，试验复杂耗时长，注水试验数据记录较麻烦，而且结果往往不够准确。
[0004]微水试验是较为新颖的求取钻孔附近小范围内含水层水文地质参数的试验方法，它的原理是通过瞬间微小的增加/减少钻孔内的水量，从而引起钻孔内水位随时间上升/下降，研究其随时间变化规律，进而求取含水层的水文地质参数。微水试验有试验周期短(几小时甚至几十秒)、设备简单、耗费人力物力少、结果较为精确的特点。但是，由于钻孔成井时残余的泥浆、次生泥浆或破碎的细颗粒渗入钻孔周围含水层的孔隙，使钻孔附近含水层介质的透水能力下降，导致钻孔周围介质的渗透性小于含水层的渗透性，便会产生正薄壁效应，而且正薄壁效应对微水试验结果的影响更大，远远大于正薄壁效应对传统抽水试验等试验方法的影响。但是，目前还没有比较成熟的考虑正薄壁效应的微水试验理论模型，对于薄壁效应类型的定性识别研究的也很少，因此，本专利技术的提出，可以填补正薄壁效应影响下钻孔正薄壁效应的识别并确定含水层水文地质参数的空白，具有很强的应用价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法，基于正薄壁钻孔试验模型，推导在钻孔内瞬时微小水位变化的条件下钻孔水位随时间变化的解析解，通过实测数据与标准曲线匹配，确定钻孔试验段含水层渗透系数和贮水率，并为识别薄壁类型提供依据。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法，包括如下步骤：
[0008]1)基于钻孔正薄壁效应影响下的环状双层有限厚度井孔试验模型，推导在钻孔内瞬时微小水位变化的条件下钻孔水位随时间变化的解析解，通过MATLAB编程得到正薄壁情况下标准曲线数据并绘制HD
‑
τ标准曲线；
[0009]2)基于钻孔微水试验中水位恢复随时间变化的试验数据，匹配标准曲线以识别钻孔正薄壁及因子，同时，采用配线法确定钻孔试验段含水层渗透系数和贮水率。
[0010]步骤1)中，基于钻孔正薄壁效应影响下的环状双层有限厚度井孔试验模型的方程形式比较复杂，采用拉普拉斯变换的方法，对基于钻孔正薄壁效应影响下的环状双层有限厚度井孔试验模型进行求解，将试验模型的方程、定解条件通过无量纲因子和参变量转换为无量纲形式，并依次进行拉普拉斯变换，得：
[0011][0012]其中：为无量纲形式水位变化；p为无量纲时间；α为薄壁因子；γ表示井管储蓄效应大小；β的大小反映代表在此强弱比例下，是两层之间的透水性差异性影响较大亦或是储蓄效应的差异性影响较大；I0(x)为第一类修正贝塞尔函数；K0(x)第二类修正贝塞尔函数；a1、a2、c1、c2为常数系数，无实际物理意义。
[0013]公式(35)即为拉普拉斯变换域中所得出的最终解，但是想要在实际实验中运用此解，还需要对公式(35)进行拉普拉斯逆变换。
[0014]采用AWG算法对公式(35)进行拉普拉斯逆变换：
[0015][0016]其中：g(t)为实空间的像原函数；G(s)为拉氏空间的像函数；N为求和项数；t为时间；i为正整数；V
i
为综合系数；
[0017][0018]将公式(35)代入公式(36)中进行拉普拉斯逆变换得：
[0019][0020]式中：H
D
(τ)为拉普拉斯逆变换后的水位变化无量纲形式，其余符号意义同上。
[0021]公式(35)为模型在拉氏空间内的解析解，其中参数a1、a2、c1、c2的运算涉及到第一类和第二类修正贝塞尔函数I0(x)、I1(x)和K0(x)、K1(x)，四种函数均为级数形式，通常为了方便运算会根据性质对其进行了简化。考虑到余项的省略会对模型计算结果造成影响，因此在进行MATLAB编程时直接调用贝塞尔函数besseli(0，x)、besseli(1，x)和besselk(0，x)、besselk(1，x)。不对余项省略。
[0022]通过公式(37)，利用MATLAB编程，运行得到正薄壁情况下不同薄壁因子α所对应的标准曲线数据，再根据标准曲线数据绘图即可获得正薄壁效应影响下HD
‑
τ标准曲线。
[0023]步骤2)中，通过试验数据绘制出HD
′‑
t实测曲线，使实测曲线与标准曲线的纵坐标轴保持对齐，然后将实测曲线沿横坐标轴平移使得实测曲线与标椎曲线相拟合，记下相拟合的标椎曲线对应的α值、β值与γ值，同时，任选一匹配点，记下对应的坐标值[τ]和[t]，然后计算含水层渗透系数K2、含水层贮水率S2、正薄壁层渗透系数K1和正薄壁层贮水率S1，其中：
[0024]含水层贮水率：
[0025]正薄壁层贮水率：
[0026]含水层渗透系数：
[0027]正薄壁层渗透系数：
[0028]式中：下标1，2分别表示正薄壁层和承压含水层内参数；t为时间；K为渗透系数；S为贮水率；r
c
为钻孔套管半径；B为承压含水层厚度；γ表示井管储蓄效应大小；τ表示无因次时间。
[0029]步骤2)中，试验数据的获得方法，包括如下步骤：
[0030]A、在现场钻孔至需要测试的含水层的底面、并将含水层底面以上的土样取出钻孔，同时将花管下至试验段，长度与试验段厚度相同，花管上部连接不透水的死管作为套管，然后用绳索将可自动记录水位数据的多功能探头放置于井孔内(死管和花管内侧)水位以下2米左右并至等待水位稳定，这样就形成了确定正薄壁效应影响下含水层水文地质参数的井孔试验模型；
[0031]B、通过瞬间气压、提水、抽水或注水方式改变钻孔内的水位，并记录钻孔水位随时间的变化；然后，基于钻孔微水试验中水位恢复随时间变化的试验数据，匹配标准曲线以识别钻孔正薄壁及因子，同时，采用配线法确定钻孔试验段含水层渗透系数和贮水率。
[0032]本申请死管指管壁为密封面(不透水)的管；花管指管壁为镂空面(透水)的管。
[0033]本专利技术操作简便、耗时短且精度高，可完成钻孔正薄壁效应及因子的识别，并可确定含水层渗透系数和贮水率等水文地质参数，且一次试验可以同时求得试验段含水层渗透系数和贮水率，获取的参数多，解决了钻孔正薄壁效应的识别并实现了钻孔正薄壁影响下微水试验确定水文地质参数的关键技术问题。
[0034]本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法，其特征在于：包括如下步骤：1)基于钻孔正薄壁效应影响下的环状双层有限厚度井孔试验模型，推导在钻孔内瞬时微小水位变化的条件下钻孔水位随时间变化的解析解，通过MATLAB编程得到正薄壁情况下标准曲线数据并绘制HD
‑
τ标准曲线；2)基于钻孔微水试验中水位恢复随时间变化的试验数据，匹配标准曲线以识别钻孔正薄壁及因子，同时，采用配线法确定钻孔试验段含水层渗透系数和贮水率。2.如权利要求1所述的识别钻孔正薄壁效应并确定含水层水文地质参数的微水试验法，其特征在于：步骤1)中，采用拉普拉斯变换的方法，对基于钻孔正薄壁效应影响下的环状双层有限厚度井孔试验模型进行求解，将试验模型的方程、定解条件通过无量纲因子和参变量转换为无量纲形式，并依次进行拉普拉斯变换，得：其中：为无量纲形式水位变化；p为无量纲时间；α为薄壁因子；γ表示井管储蓄效应大小；β的大小反映代表在此强弱比例下，是两层之间的透水性差异性影响较大亦或是储蓄效应的差异性影响较大；I0(x)为第一类修正贝塞尔函数；K0(x)第二类修正贝塞尔函数；a1、a2、c1、c2为常数系数，无实际物理意义；采用AWG算法对公式(35)进行拉普拉斯逆变换：其中：g(t)为实空间的像原函数；G(s)为拉氏空间的像函数；N为求和项数；t为时间；i为正整数；V
i
为综合系数；将公式(35)代入公式(36)中进行拉普拉斯逆变换得：式中：H
D
(τ)为拉普拉斯逆变换后的水位变化无量纲形式，其余符号意义同上；利用MATLAB编程，得到正薄壁情况下不同薄壁因子α所对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵燕容，董小松，朱留杰，王浩楠，王长生，吕培，王锦国，张子民，魏裕丰，李良琦，赵亮，靳文超，许林军，
申请(专利权)人：河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程建设管理局，
类型：发明
国别省市：