微水試驗——原理、方法與工程實踐解析

在水文地質勘察與巖土工程設計中，地層的滲透特性是評估地下水流動、基坑穩定性、路基沉降等問題的關鍵參數。微水試驗（Miniature Water Test）作為一種低成本、低擾動的原位測試技術，因設備簡單、操作便捷且適用于淺層或弱透水層，成為工程實踐中獲取滲透系數的常用方法。本文將從原理、設備、步驟、數據處理及應用場景等方面，全面解析微水試驗的技術體系與工程價值。

一、試驗原理：達西定律的原位應用

微水試驗的核心理論基礎是達西定律（Darcy's Law），該定律描述了水在多孔介質中的滲透規律：
$Q = K \cdot A \cdot \frac{\Delta H}{L}$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（$m/s$m/s），$A$A 為過水斷面面積（$m^2$m2），$\Delta H$ΔH 為水頭差（$m$m），$L$L 為滲透路徑長度（$m$m）。

微水試驗通過在鉆孔中定量注入或抽出地下水，記錄水位隨時間的變化，結合試驗邊界條件（如套管直徑、試驗段長度），反演計算地層的滲透系數。與抽水試驗、壓水試驗相比，微水試驗的注水量小（通常小于100L）、試驗時間短（數小時內完成），對地層的擾動極小，尤其適合粉質粘土、粉土、砂土等淺層弱透水層的測試。

二、試驗設備：簡單卻關鍵的工具組合

微水試驗的設備體系由鉆孔工具、水位監測裝置、注水系統及記錄設備組成，均為工程現場常見工具，無需復雜調試：

1. 鉆孔工具：用于鉆進試驗孔，常用小型鉆機（如手提式鉆機）或洛陽鏟，孔徑通常為50-100mm，孔深根據試驗目的確定（一般1-10m）。
2. 套管與濾水管：套管用于保持孔壁穩定，防止坍塌；濾水管（或帶孔套管）置于試驗段，允許水與地層交換，長度通常為0.5-2m。
3. 水位監測裝置：精確測量孔內水位變化，常用電測水位計（精度±1mm）或鋼尺水位計，需提前校準。
4. 注水系統：包括量筒（用于定量注水）、水泵（如需持續注水）及軟管，確保注水速率穩定。
5. 記錄設備：計時器（記錄時間）、筆記本（記錄水位、注水量）或數據采集儀（自動記錄）。

三、試驗步驟：標準化操作流程

微水試驗的操作需嚴格遵循**《建筑工程地質勘探與取樣技術規程》（JGJ/T 87-2012）**等規范，確保數據準確性。以下為典型步驟：

1. 場地準備

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

2. 鉆孔與下套管

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

3. 初始水位觀測

待鉆孔穩定后（一般靜置2-4小時），用電測水位計測量初始水位（$H_0$H0?），記錄讀數（精確至1mm），重復測量3次，取平均值。

4. 注水試驗

采用定流量注水法（常用）或定水頭注水法：

• 定流量注水：用量筒向孔內勻速注入水（如每分鐘注入10L），記錄每時刻的水位（$H_t$Ht?）及注水量（$Q$Q）。當水位上升速率趨于穩定（如連續30分鐘水位變化小于1mm/min），停止注水。
• 定水頭注水：保持孔內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間的變化，直至注水量穩定。

5. 恢復水位觀測

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

6. 試驗結束

拔出套管，回填鉆孔，清理場地，整理試驗記錄。

四、數據處理：從原始記錄到滲透系數

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

1. 公式選擇

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

2. 數據整理

從試驗記錄中提取：

• 穩定注水量 $Q$Q（如10L/min = 1.67×10?? $m^3/s$m3/s）；
• 試驗段長度 $L$L（如0.5m）；
• 穩定水頭差 $\Delta H$ΔH（如初始水位1.5m，穩定水位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

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

五、應用場景：工程中的“滲透偵探”

微水試驗因低擾動、高適應性，廣泛應用于以下工程領域：

1. 地下水水源地勘探

在淺層含水層（如潛水含水層）中，微水試驗可快速測定滲透系數，評估地下水補給能力，為水源井布局提供依據。

2. 基坑降水設計

基坑開挖前，需了解坑周地層的透水情況，微水試驗可測定粉質粘土、粉土等弱透水層的滲透系數，為降水井數量、深度設計提供參數，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，微水試驗可評估地基土的滲透特性，防止雨水下滲導致路基軟化；邊坡工程中，可測定邊坡土體的滲透系數，預測地下水對邊坡穩定性的影響（如滑坡）。

4. 地質災害防治

在巖溶、塌陷區，微水試驗可探測地層的透水性差異，識別巖溶通道或空洞，為災害防治（如注漿加固）提供依據。

六、注意事項：確保試驗準確性的關鍵

1. 試驗段選擇：避免在斷層、夾層、回填土等不均勻地層進行試驗，確保試驗段地層均勻。
2. 鉆孔質量：鉆孔需垂直，孔壁不得坍塌或縮徑，套管需下至試驗段底部，防止試驗段與非試驗段串水。
3. 水位觀測：使用精度≥1mm的水位計，每次觀測需重復3次，取平均值；注水過程中，水位計需固定位置，避免擾動。
4. 注水速率：定流量注水時，速率需穩定（波動≤10%），避免因注水過快擾動地層結構（如將細顆粒沖出）。
5. 數據合理性檢查：計算滲透系數后，需與區域地質資料對比（如相鄰鉆孔的滲透系數），若差異過大，需重新試驗。

結語：小試驗，大價值

微水試驗作為一種“輕量級”原位測試技術，以其設備簡單、操作便捷、結果可靠的優勢，成為工程地質勘察中的“利器”。隨著物聯網、大數據技術的融入（如實時水位監測、智能數據處理），微水試驗的效率與精度將進一步提升，為地下水開發、工程建設及地質災害防治提供更有力的技術支撐。

無論是在城市基坑工程中保障施工安全，還是在鄉村水源地勘探中尋找清潔地下水，微水試驗都在默默地發揮著“滲透偵探”的作用——用數據揭示地層的“水密性”，為工程決策保駕護航。