图9-23　跨孔法测试装置

为了测定地下水的流向、流速和地层的透水性、地下渗流途径的连通性，常利用坑、井或钻孔进行水文地质试验。在测定地层透水性能的主要指标渗透系数（K）时，要根据地层的特点和含水的情况，选定适当的试验方法。

9.2.4.1　地下水流向与流速的测定

在同一含水层内，选择3个以上水井或钻孔，在井（孔）内水位稳定的情况下，同时测定其水位，假定每两个井（孔）间地下水水位线为直线，连成三角形，按内插法，根据3个井（孔）水位即可绘制等水位线图，由高水位线向低水位线作垂线，该垂线的方向即为该含水层内地下水的流向（图9-24）。

一般井（孔）间距不宜小于100m，因为间距太小，两井（孔）间的水位差不明显，不易辨清其流向。由于地下水的流向因地下水的补给、排泄、径流条件不同而异，所以有时还要在不同部位、不同季节进行测定，以了解地下水的变化规律。

测定地下水流向后，可在已有井（孔）顺流向的下游侧打一个钻孔到相应的含水层中。在前一井（孔）内投入食盐（或荧光红等无毒性的染色剂），定时地从下游孔内取样测定水中Cl-的含量（或着色的程度），然后绘制出Cl-含量（或着色浓度）与时间的关系曲线（图9-25）。从投入食盐（或染料）到关系曲线上出现峰值的这段时间（T）和两孔（井）的间距（L），即可求出地下水的实际流速（u）。

图9-24　地下水等水位线图绘制

1.流向；2.等水位线；3.井、孔符号及其内水位高程

图9-25　Cl-含量与时间关系曲线

渗透流速（v）按下式换算：

式中：n——含水层的孔隙度。

试验孔距取决于含水层的透水性，一般可参照表9-4布置。

表9-4　测定地下水流速的孔距与含水层关系表

在测试中选用何种试剂，主要取决于地下水的化学成分。在地下水Cl-含量小于500～600mg/L的地方，可使用食盐做试剂，碱性水中可使用荧光红，酸性水中可使用亚甲基兰或阿尼林青等染料。

由于含水层的吸附作用不同，试剂的用量也有所不同。荧光红的投入量可参照表9-5。食盐一次投入量可在10～200kg范围内。

表9-5　1m渗层长度内荧光红用量

9.2.4.2　野外试坑渗水试验

野外试坑渗水试验适用于野外测定地表包气带疏松土层和风化岩石的渗透系数。它的优点是能较好的保持岩土的天然结构，而且设备简单、费用少、操作方便。当地下水位较深（在探坑、井底部5m以下）时，试验结果较准确。

9.2.4.2.1　渗水试验装置

渗水试验设备主要有：①一个带尖刃的无底圆形铁桶或铁环（内径为35.75cm，断面面积为1000cm2，高30～40cm），插入试坑坑底土中10～20cm；②两个盛水水箱，一个往铁桶内供水，一个往铁桶外供水。整个装置如图9-26所示。

9.2.4.2.2　渗水试验原理

根据达西渗透定律：

式中：Q——往圆筒（或铁环）内灌入的稳定流量（L/min）；

I——水力坡降，I=h/l（图9-26）；

图9-26　渗水试验装置示意图

1.圆筒或铁桶；2.往圆筒内注水的水箱；3.往圆筒外注水的水箱；d.圆筒直径；h.土中某点到水面的距离；l.土中某点到坑底的距离

F——过水面积（m2），亦即圆筒的内底面积；

K——岩土渗透系数。

当渗水时间很长，渗水已达到很长的距离后，则h≈l，I≈1，故上式可改写成：

而欲使渗径很长，使试验更接近实际，则应保证有足够长的渗水时间。

9.2.4.2.3　试验步骤

（1）根据地质资料，选择有代表性的试验场所，开挖一个圆形试坑。把渗水圆筒垂直压入土层中，压入深度10～20cm，然后把圆筒内的土轻轻铲出，筒底以上保留的土层厚1～2cm，圆筒外坑底与筒内坑底一样平。然后在坑底铺一层厚2～3cm的粗砂、砂砾石，保护坑底土层不受冲刷破坏。

（2）用水箱不间断地向圆筒内灌水，以补偿坑内水的下渗，并保证筒内水层厚度始终保持在10cm，同时往圆筒外不断灌水（为避免坑底淤塞，注入坑内的水必须是清水。放入坑底的粗砂或砂砾石应用清水洗净），以保持筒内外两侧水位于同一高程（图9-26）。

图9-27　Q的历时曲线示意图

（4）确定出渗水的稳定流量Q，根据式（9-7）计算出渗透系数。

9.2.4.3　钻孔压水试验

压水试验是测定岩体透水性的一种常用方法。对于地下水位以上包气带裂隙岩体，则是测定透水性的主要手段。

9.2.4.3.1　试验原理

在一定压力下，把清水压入钻孔某段（即试验段）岩体裂隙中，使岩体内的钻孔周围形成倒漏斗状水压面（图9-28）。当压入流量（Q）和水头总压力（P）趋入稳定后，即可计算出在试验段长度（l）范围岩体的单位吸水量或单位吸水率（ω）。

式中：ω——试验段岩体的单位吸水量[L/（min·m·m）]；

Q——稳定的压入流量（L/min）；

P——压水时试段所受水柱总压力（m）；

l——试验段长度（m）。

单位吸水量是表征岩体渗透性大小的指标，它是指单位压力下单位长度试段在单位时间内岩体的吸水量。根据ω，采用下式可近似确定试验段岩体的渗透系数：

图9-28　压水试验示意图

1.水箱；2.水泵；3.压力表；4.气泵；5.套管；6.调压计；7.回水管；8.流量计；9.黏土；10.止水栓塞；11.砂砾层；12.裂隙岩体

式中：K——试验段岩体的渗透系数（m/min）；

r——钻孔的半径（m）。

当试验段底与下部隔水层的距离大于试验段长度时，采用式（9-9）计算，反之采用式（9-10）计算。也可根据下式近似确定试验段岩体的渗透系数：

当岩体中裂隙小易遭岩粉堵塞时，公式中渗透系数可取大值，否则取小值。

9.2.4.3.2　试验方法

压水试验一般采用自上而下分段压水试验的方法。

（1）试验段长度的选定。每个试验段一般取5m左右。当遇破碎岩体段不足5m长时，应尽可能缩短试验段长度。而在透水量很小的地层，试验段长度可适当延长。

（2）压水时压力值的选定。每个试验段一般采用3个压力进行3次压水试验。一般为5m、10m、15m（即50kPa、100kPa、150kPa）或10m、20m、30m（即100kPa、200kPa、300kPa）3个水柱压力值。其最大水柱压力应接近水库建成后该处岩体可能受到的最大水头值。

（3）计算参数的确定。压水试验后，每个压力段均要得出压入流量（Q）、试验段长（l）和试段所受水柱总压力（S）3个参数，用作计算该段岩体单位吸水量。前两个参数比较容易获得，水柱总压力（S）则需根据地下水位的具体位置分别考虑（图9-29）。

当地下水位在试验段以下时，以通过试段l/2处的水平线作为压力计算零线[图9-29（a）]。总压力值S：

当地下水位在试验段以内时，以通过地下水位以上试段l/2处的水平线作为压力计算零线[图9-29（b）]。总压力值S：

当地下水位在试验段以上时，以地下水位线作为压力计算零线[图9-29（c）]。总压力值S：

式中：S——压水时试段所受的水柱总压力（m）；

Sm——压水时压力表读数（m）；

图9-29　地下水位与试段的3种不同位置

SH——压力表至试段顶端距离（m）；

l——试段长度（m）；

l0——试段内地下水位至试段顶端距离（m）；

Sd——地下水位至压力表的距离（m）；

ΔS——水进入工作管或内管后的总压力损耗值。可按下式计算：

式中：f——摩擦系数，一般在光滑铁管中为0.02～0.03；

g——重力加速度（=9.8m/s2）；

Q——管中水流流量（L/min），即压入流量；

d——工作管内径（m）；

L——工作管长度（m），即栓塞底部至压力表中心的距离。

9.2.4.3.3　试验步骤

（1）清水钻进。压水试验的钻孔要用清水钻进，不能使用泥浆钻进，因泥浆进入岩体裂隙中会影响压水试验成果。在拟用栓塞止水位置处钻进时，应尽量保持钻孔的孔径均匀，孔壁完整。

（2）冲洗钻孔。试验前应用大压力大流量把钻孔内的沉积物冲洗干净，以免在压水时堵塞裂隙，影响试验成果。

（3）校正孔深。冲洗后，要校正孔深。先用钻头校正，然后用钻杆校正。两次校正的孔深之差即为残留岩芯长，残留岩芯长度不应超过20cm。

（4）测量孔内水位。孔深校正后，立即观测地下水稳定水位，一般可每隔10min观测一次，直到连续4次水位读数值中任两次水位相差不超过8～10cm时，即可视为稳定。

（5）安装试验设备。安装过程应注意检查各种管材的质量和长度是否合适。

（6）安装后进行试压检查。检查管路是否畅通，有无漏水，水泵与动力设备运转是否正常，流量表所示数字与孔内耗水量是否相符，压力表是否灵敏等，在试压过程中继续观察和检查。

试压中应特别观察孔内管外的水位，以检查栓塞止水效果。用稍大于试验最大压力加压30min，若管外水位上升不超过10cm，即可认为栓塞止水合格。

（7）正式压水。调节阀门，使压力稳定后，每10min观测一次流量，当连续4～7次（相当30min至60min）流量读数的最大和最小差值小于平均值的10%时，即可结束压水。

（8）成果的初步检查。在压水过程中应及时记录和整理出压入流量（Q）及水柱总压力（S）数值，绘出S-Q曲线。凡符合图9-30曲线，说明试验结果合理，否则应检查原因。若不是计算上的错误，也不是地质上的原因，则应重新试验或补做几个点试验，去掉明显不合理的点，一直到得出正确结果为止。正确的试验结果应是：①S-Q曲线通过坐标圆点；②S-Q线为直线，或为向S轴弯的抛物线；③Q3＞Q2＞Q1。

9.2.4.3.4　成果整理(www.daowen.com)

当试段只作1个压力的压水试验时，可按式（9-8）计算单位吸水量。

当试段作3个以上压力的压水试验，经检查试验成果合理，符合图9-30的曲线类型，则按下面两种情况计算单位吸水量。

（1）当Q-S曲线为近直线时，计算公式为：

图9-30　压水成果判别线

1、2、3.三个压力段的试验点

式中：Q1、Q2、Q3——分别为3个压力条件下的压入流量（m3）；

S1、S2、S3——分别为3个不同的水柱总压力（m）；

l——试段长度（m）。

（2）当Q-S曲线属抛物线型时，计算公式为：

式中：q——单压流量，即在1m水柱压力下每1min的压入流量（m3/min）；

m——线型系数，压水试验正确，应是1≤m≤2，否则试验或计算有问题。

9.2.4.4　抽水试验

抽水试验是野外测定含水岩土层渗透系数的一种方法。一般是在井或钻孔内进行，井（孔）结构如图9-31所示。

图9-31　井（孔）结构类型图

1.隔水层；2.含水层；3.地下水位；4.降落漏斗

9.2.4.4.1　试验原理

从钻孔抽水后，当钻孔中地下水面（对潜水而言）或水压面（对承压水而言）的降深（图9-32中S值）和钻孔涌水量（Q）稳定，降落漏斗的轮廓也就大体稳定。用几个观测孔（图9-32中N1、N2孔）就能确定降落漏斗的边界，从而确定降落漏斗的最大半径R，习惯上R为影响半径。根据理论计算证明抽水孔的涌水量（Q）与抽水孔水面的降深（S）、观测孔水面降深（S1、S2）和含水层的渗透系数（K）成一定的函数关系。据此可以计算出岩土体的渗透系数，具体的计算公式请参阅有关文献。

9.2.4.4.2　试验方法

用水泵抽水，直到降深S与涌水量均达到要求和稳定为止。它与压水试验方法十分相似。

（1）试验段的选定。当含水层透水性变化大时，需分段抽水，亦可由上而下分段，或由下而上抽水。这时关键是做好非试验段的隔离止水工作。要保证地下水只能从试验段滤水管进入钻孔。当含水层渗透性变化不大或抽水目的是了解该层平均透水性能时，则用一个试验段抽水即可。

（2）降深S的选定。类似压水试验压力阶段的选定，计算渗透系数对每个试验段而言，有1次降深即可。但为了判定抽水试验进行的正确与否和其他目的，对一个试验段常采取3次降深抽水，将3次降深和相应的3个涌水量用Q=F（S）曲线表示（图9-33）。有时还做q=f（S）曲线（q为单位涌水量，q=Q/S）。一般是降深S越大，则涌水量Q亦加大，但它的加大一般均是直线式的或递减式的；若出现递增式的加大[图9-33（a）中曲线Ⅲ]则属非正常曲线。单位涌水量q也有规律的变化：当降深加大，则单位涌水量要减小，最多是保持不变值；若出现随降深增加单位涌水量也加大的现象，亦属非正常曲线[图9-33（b）中Ⅲ]。非正常曲线出现后应查找原因（大多是试验错误所引起），并且重做一个或几个降深试验，直至曲线正常为止。从正常曲线上分别取相应的Q、S值，即可用公式计算钻孔试段范围内含水层的渗透系数。

图9-32　有观测孔N1、N2的抽水试验

H.潜水含水层厚度；S.抽水孔水面降深；l.钻孔进水段长度；N1、N2.观测孔；r.抽水孔半径；r1、r2.观测孔至抽水孔距离；S1、S2.观测孔水面降深；R.影响半径

图9-33　抽水试验曲线

Ⅰ.潜水曲线；Ⅱ.承压水曲线；Ⅲ.非正常曲线

9.2.4.4.3　试验步骤

准备工作完成后，即开始进行抽水试验的各项工作。

（1）测地下水位（误差不大于±1cm）。

（2）试抽，即为了洗孔、试验水泵能力和井孔涌水量。若水泵抽水能力能达到最大降深为3～4m，则可采用1m、2m和3m　3个降深。

（3）试抽完毕后，测地下水稳定水位。

（4）正式抽水。使水位缓慢下降到预定测深S处，测孔中水位、流量和记录时间。最初10min测一次，以后30min测一次，直到流量、水位均稳定为止。流量、水位稳定标准是：连续6h内流量波动值小于常见值的50%，水位波动幅度不大于±1.0cm。

9.2.4.5　钻孔注水试验

若地层中无水不能进行抽水，岩性又太软弱承受不了压水试验的高压，则采用类似压水试验的办法，用水泵或人工灌水入钻孔中形成水柱。注入的流量和孔中水柱面水位值均达到稳定后，岩土体的渗透系数K即可按下式计算：

式中：S——钻孔中注入水柱高度（m）；

Q——注入耗水量（L/min）；

r——钻孔半径（m）。

9.2.4.6　地下水连通试验

为查明岩溶系统及岩溶地下水的补给、运移和排泄条件，在水利水电工程勘察中往往需要进行一些连通试验。其目的为：

（1）判断岩溶地下通道的连通情况，确定各岩溶洞穴、水点之间的水力联系。

（2）确定岩溶地下水的补、排关系，运移方向及流速。

（3）论证隔水层或相对隔水层的可靠性。

连通试验的方法很多，这里主要介绍最为常用的示踪试验法。示踪试验是最直观的也是比较可靠的测定岩溶地下水连通情况的一种方法。

示踪试验的原理为投放能溶于水或漂浮于水面的示踪剂于地下水中，并随地下水的运移而流动，随地下水的排泄而排出。因此，可以用于计算地下水的流速，确定地下水的流向。还可依据示踪剂的浓度变化和浓度曲线类型，来反演岩溶管道的类型以及地下水的排出量等。示踪试验法适用于洞穴系统内有水流运动的情况，这种运动水流可以是天然的稳定水流或大雨后形成的暂时水流，也可以是人为灌水形成的水流。

示踪试验成果是研究岩溶地下水流态、性质的基础。可以研究岩溶管道在地下的埋藏情况、发育形式及地下水动力条件等。

示踪剂一般要求满足以下条件：①悬浮、易溶或易分散于水中均匀地随水流动；②在物理、化学、光化学或生物的作用下，具有可靠的稳定性；③检测精度较高，能进行快速测定，多次测量；④无毒或低毒，不影响水质的可用性，不污染环境；⑤价格便宜，来源丰富。

示踪剂主要有以下几类：

（1）化学染料示踪类。包括荧光素、酸性大红、龙胆紫等。方法简便易行，但检测多用肉眼和比色法，精度不高。近年来多用荧光素作示踪剂，用萤光灯（仪）检测，效果良好。

（2）固形漂浮物类。包括石松孢子、酵母菌等，取样与分析方法复杂，但效果较好。石松孢子是一种多年生蕨类植物的花粉，淡黄色粉末，比重为1.05～1.09，与水的比重相近，能在水中悬浮。个体小，直径为30～35μm。在显微镜下观察极易识别，它能染成多种颜色，通过染色不仅与当地的天然石松孢子相区别，易于检测，而且通过染成多种颜色，可进行多点投放，多点接收。

（3）放射性同位素类。如氚（3H）、铬（51Cr）、钡（32Br）等，分析方法复杂，但灵敏度高。对这类示踪剂有特殊的要求，主要是：①半衰期要适中，使在试验的估计时间结束以前，在地下水中的放射性仍能具有被检测的强度；②毒性低，要选用不易在身体内集聚，生物半衰期短的放射性物质。但由于其放射性污染，所以要根据周边环境条件具体确定是否采用。

（4）铵离子类。一般采用NH4CI、NH4HCO3等。优点是便宜、无毒、灵敏度高、测试简单；缺点是易被水生植物吸收，回收率低，遇混浊水易被吸附。我国研制的钼酸铵[（NH4）6·MO7O24·4H2O]，既适用于室内，又适用于野外现场分析，效果较好。

（5）无机盐类。如氯化钠、氯化钾、氯化锂、氯化锶、氯化铯等。我国以往使用食盐（氯化钠）比较普遍，在距离不长的地段上效果好。食盐用量主要取决于地下径流量大小、试验距离长短以及所用的检测方法等，一般只需要几十千克，而多的有达几吨以上。检测方法主要有滴定法，即用硝酸银、铬酸钾滴定水样。当发现白色或赤褐色沉淀时，根据硝酸银或铬酸钾的消耗量即可算出水样中的氯离子含量；也可用万能电表检测，从电流强度（mA）推算电阻率；还可用液体电阻计进行检测，其灵敏度比万能电表高。该方法的缺点是，由于天然背景值很高，而且随时间起伏很大，因此示踪剂浓度要求比较大，容易对环境造成污染，水里的生物也可能将受到威胁。