基于现场试验确定水文地质参数的方法研究

Research on Methods for Determining Hydrogeological Parameters Based on Field Experiment

摘要: 本文以溪洛渡水电站为背景，综合利用水位恢复试验、结构面注水试验及水位动态试验数据，通过不同解析模型估算了水库蓄水期的水文地质参数。基于钻孔水位恢复试验，采用Theis公式计算了渗透系数与导水系数；针对坝址区发育的缓倾角结构面，通过注水试验并运用Dupuit公式与镜像法，评估了其透水性；同时，利用长观孔的水位动态数据，结合Boussinesq方程反演了相关参数。通过对比分析不同方法的适用性与结果，揭示了坝址区不同水文地质结构的渗透性差异，为岩体透水性评价及地下水防控提供了可靠依据。

Abstract: Based on a case study of the Xiluodu Hydropower Station, this study integrates data from multiple field investigations—including water-level recovery tests, structural plane water injection tests, and groundwater-level monitoring—to estimate hydrogeological parameters during reservoir impounding using different analytical models. Permeability and transmissivity coefficients were derived from borehole water-level recovery tests analyzed via the Theis solution. For the low-angle interlayer and intralayer structural planes, which are well developed in the basalt and dominate groundwater flow, isolated injection tests were conducted, and the Dupuit formula combined with the image well method was applied to evaluate their hydraulic conductivity. Additionally, using long-term monitoring data from observation boreholes and accounting for river stage fluctuations and groundwater recharge conditions, parameters were inversely estimated using the Boussinesq equation. A comparative analysis of the different methods highlights their respective applicability and limitations, while revealing permeability variations among different hydrogeological units. The results provide a robust basis for quantitatively assessing rock mass permeability, characterizing groundwater flow, and informing seepage control strategies for the project.

1. 引言

水文地质参数(如渗透系数、贮水系数等)是表征地下水运动与储容特性的关键指标，对地下水资源评价、污染防控及岩土工程至关重要。传统室内试验(如岩心试验)难以全面反映实际地下水环境的复杂性，限制了参数精度与应用效果。因此，基于现场试验的方法(如抽水试验、注水试验等)日益受到重视，因其能更真实地反映原状地质条件，提升参数可靠性与适用性[1]。

该方法的意义主要体现在四方面：一是提高参数准确度，如通过多种现场渗透试验获取更可靠的渗透系数；二是为地下水资源管理与污染防治提供科学依据，例如准确预测污染物迁移规律；三是支持地下水合理开发与可持续利用，如优化开采方案；四是推动多学科交叉与技术融合，促进水文地质研究的创新与发展。总之，现场试验方法显著提升了水文地质参数研究的科学性与实践价值。

2. 坝址区基本地质条件

金沙江溪洛渡坝址区位于中国西南地区，青藏高原和云贵高原向四川盆地过渡的斜坡地带。该区地势高低起伏，整体呈西高东低的趋势。山脉主要呈近南北及北东向走向，由地质构造所控制。该区山势陡峭，海拔多在2000~3000米以上。金沙江是该区的主要河流，总体呈北东向流经，其切割深度大于1000~1500米，谷坡陡峻，河道狭窄，河床平均坡降约千分之一左右。沿金沙江两岸可见有零星不连续的小范围Ⅰ~Ⅳ级阶地。

3. 水文地质参数确定

3.1. 水位恢复试验

为了能在钻孔中取不同层位岩层地下水作水质分析。在钻进过程中，对各取水样段进行了严格的止水处理，然后采用简易的提水办法将钻孔中混合水提取[2]。提水停止后，详细记录了每一试验段钻孔地下水的恢复水位，这样就有可能利用这些恢复水位资料求解岩体水文地质参数[3]。

在坝址附近的左岸401孔、404孔和右岸602孔、603孔进行了提水试验，以获取相关参数。401孔口高程为422.76 m，试段孔深202.80 m至248.90 m，岩性为灰岩，提水延续时间为135 min，流量为12.53 m³/d。404孔口高程为381.44 m，试段底部埋深107.0 m，试段长9.3 m，岩性为微晶玄武岩，提水延续时间为135 min，流量为20.12 m³ /d。602孔试段埋深157.77 m至174.35 m，岩性为灰岩，提水延续时间为200 min，流量为4.01 m³/d。603孔口高程为393.20 m，进行了两次提水试验，第一次试验是在1997年2月20日，试段埋深126.86 m至127.93 m，岩性为灰岩，提水延续时间为125 min，流量为6.81 m³/d；第二次试验在1997年3月1日进行，试段长113 m，岩性为灰岩，提水延续时间为180 min，流量为8.98 m³/d。通过这些试验，可以获得坝址区的水文地质参数，如渗透系数和贮水率等，并为后续的坝址区渗流分析提供重要的参数依据，水文参数见表1~表5。

Table 1. 401 Water level recovery data

表1. 401水位恢复资料

编号	累积时间t (min)	$1+\frac{t_p}{t^{\prime }}$	地下水位埋深$\Delta$ (m)	剩余降深$s^{\prime }$ (m)	备注
1	0		100.00	49.20	孔口至地面高差： Δ = 0.7 m； 最大降深： $S_{\max }$ = 49.20m； 注水延续时间： $t_p$ = 135min； 流量： Q = 12.53 m^3/d
2	14	10.64	98.90	48.10
3	15	10.00	98.10	47.30
4	17	8.94	96.90	47.30
5	18	8.50	95.95	44.50
6	19	8.11	95.30	44.50
7	20	7.75	94.50	43.70
8	21	7.43	93.90	43.10
9	27	6.00	90.20	39.40
10	35	4.86	85.45	34.65
11	45	4.00	80.10	29.30
12	55	3.45	70.00	19.20
13	75	2.80	62.00	11.20
14	95	2.42	57.00	6.20
15	115	2.17	55.00	4.20
16	135	2.00	53.00	2.20
17	155	1.87	51.30	0.50
18	175	1.77	51.00	0.20
19	295	1.46	50.90	0.10

Table 2. 404 Water level recovery data

表2. 404水位恢复资料

编号	累积时间t (min)	$1+\frac{t_p}{t^{\prime }}$	地下水位埋深$\Delta$ (m)	剩余降深$s^{\prime }$ (m)	备注
1	0		42.24	31.04	孔口至地面高差Δ = 0.5 m； 最大降深$S_{\max }$ = 31.04 m； 抽水延续时间 $t_p$ = 135min； 流量： Q = 20.12 m^3/d
2	5	28.00	29.44	18.24
3	10	14.50	22.64	11.44
4	15	10.00	18.69	7.49
5	20	7.75	16.05	4.85
6	25	6.40	14.25	3.05
7	35	4.86	12.75	1.55
8	45	4.00	11.51	0.31
9	65	3.08	11.21	0.01

Table 3. 602 water level recovery data

表3. 602水位恢复资料

编号	累积时间t (min)	$1+\frac{t_p}{t^{\prime }}$	地下水位埋深$\Delta$ (m)	剩余降深$s^{\prime }$ (m)	备注
1	0		60.13	35.58	孔口至地面高差Δ = 0.6 m； 最大降深$S_{\max }$ = 35.58 m； 抽水延续时间： $t_p$ = 200 min； 流量： Q = 4.01 m^3/d
2	10	21.00	56.53	31.98
3	15	14.33	53.43	28.88
4	20	11.00	50.91	26.36
5	25	9.00	48.58	24.03
6	30	7.67	45.94	21.39
7	35	6.71	43.03	18.48
8	40	6.00	40.67	16.12
9	45	5.44	38.02	13.47
10	50	5.00	30.85	6.30
11	55	4.64	30.52	5.97
12	85	3.35	29.00	4.45
13	110	2.82	27.25	2.70
14	165	2.21	26.85	2.30
15	200	2.00	25.95	1.40
16	240	1.83	25.32	0.77

Table 4. 603-1 water level recovery data

表4. 603-1水位恢复资料

编号	累积时间t (min)	$1+\frac{t_p}{t^{\prime }}$	地下水位埋深$\Delta$ (m)	剩余降深$s^{\prime }$ (m)	备注
1	0		44.95	21.70	孔口至地面高差Δ = 0.6 m； 最大降深； $S_{\max }$ = 21.70 m； 抽水延续时间： $t_p$ = 125min； 流量： Q = 6.81 m^3/d
2	10	13.50	42.80 .	19.55
3	20	7.25	40.20	16.95
4	30	5.17	39.70	16.45
5	40	4.13	38.55	15.30
6
7	60	3.08	36.50	13.25
8	70	2.79	35.50	12.25
9	80	2.56	34.40	11.15
10	100	2.25	32.15	8.90
11	120	2.04	30.00	6.75
12	140	1.89	28.20	4.95
13	160	1.78	27.00	3.75
14	190	1.66	25.85	2.60
15	220	1.57	24.70	1.45
16	280	1.45	23.70	0.45
17	340	1.37	23.45	0.20

Table 5. 603-2 water level recovery data

表5. 603-2水位恢复资料

编号	累积时间t (min)	$1+\frac{t_p}{t^{\prime }}$	地下水位埋深$\Delta$ (m)	剩余降深$s^{\prime }$ (m)	备注
1	0		30.20	7.20	孔口至地面高 = 0.5 m； 最大降深$S_{\max }$ = 31.04m； 抽水延续时间$t_p$ = 135 min； 流量：Q = 20.12 m^3/d
2	5	37.00	29.60	6.60
3	10	19.00	27.60	4.60
4	20	10.00	25.60	2.60
5	30	7.00	23.60	0.60

根据$s^{\prime }$ 与$lg\frac{t}{t^{\prime }}$ 曲线斜率法，运用软件计算各个钻孔所对应的参数，绘制$s^{\prime }$ 与$lg\frac{t}{t^{\prime }}$ 曲线，并进行拟合得到斜率i，从而计算得到参数T的值。各个钻孔拟合曲线如下图1~图5所示[3]。

Figure 1. 401 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

图1. 401 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

Figure 2. 404 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

图2. 404 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

Figure 3. 602 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

图3. 602 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

Figure 4. 603-1 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

图4. 603-1 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

Figure 5. 603-2 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

图5. 603-2 $s^{\prime }-\lg t/t^{\prime }$

由上表可得斜率i的数值，代入公式[1]

$T=0.183\frac{Q}{i}$

可求得导水系数(T)，数据如下表6所示：

Table 6. Water level recovery test results

表6. 水位恢复试验成果

钻孔编号	Q (m^3/d)	t (min)	$i=\frac{2.3Q}{4\pi T}$	T (m/d)
401	12.53	135	71.8085	0.03193
404	20.12	135	19.8287	0.18569
602	4.01	200	33.5756	0.02186
603-1	6.81	125	21.6952	0.05744
603-2	8.98	180	8.0313	0.20461

3.2. 现场注水试验

基于溪洛渡水电站坝址玄武岩中缓倾角的层间层内错动带极为发育，这些缓倾角的结构面对整个岩体地下水的运动起着控制作用，是天然状态下和水库蓄水以后地下水的主要渗流通道。为了获取不同类型结构面透水性的定量参数，利用风钻对典型结构面单独成孔，作简易注水试验，求出结构面的透水性参数[4]。

具体现场试验时，利用了两岸平硐内现存的岩体声波测试孔。成孔的类型有两种，其一是平行于错动带的钻孔，其二是斜交错动带的钻孔。试验采用了如图6的装置。分别在PD12和PD45两平硐的四个点计三种类型层内错动带进行了试验。

Figure 6. Misalignment water injection test device

图6. 错动带注水试验装置

试验1，位于PD12硐深49 m处的下游硐壁，沿层内错动带Lc2成孔。岩性为P₂β₆玄武岩，微新岩体。错动带为绿帘石充填，错动带岩脉坚硬、完整性好。岩脉与围岩接触面有钙膜及岩粉，顺岩脉与围岩接触面透水，垂直结构面不透水，脉厚2 cm~3 cm。透水类型属裂隙型。花管长l = 1.23 m，半径r_w = 2.25 cm，注水试验前先在孔内试验注水，使水位至孔口，取层内错动带平均厚度b = 2.5 cm，测定主孔稳定降深s_w = 99 cm时，对应的流量为Q = 2.049 cm³/min。

试验2，位于PD45硐下游支硐，岩性为P₂β₆玄武岩、微新。顺Lc5层内动带成孔。错动带宽6 cm~7 cm，带内为石英、绿帘石条带，产状N30˚E/SE∠19˚。在后期构造作用下，条带部分压碎成碎屑，局部成粉状，碎砾2 cm~0.2 cm居多。错动带两侧有2 cm~5 cm 的褐色破碎影响带。试验孔深l = 119.0 cm，降深s_w = 93.0 cm，孔半径r_w = 2.25 cm，流量为Q = 3.3 cm³/min，取b = 6 cm。

试验3，位于PD45硐下游支硐108 m处，岩性为P₂β₆玄武岩、微新。顺Lc2层内错动带成孔。错动带宽20 cm，以破碎角砾岩为主，角砾棱角明显，粒径以小于2 cm 的砾石居多，约占80%，岩屑充填于角砾间、挤压密实。错动带与两侧围岩接触面上各有一层0 cm~1 cm灰白色细粒软岩。注水试验时顺错动带在距孔50 cm范围内均有水溢出。试验孔深l = 124.5 cm，降深s_w = 100.0 cm，孔半径r_w = 2.25 cm，流量Q = 240.0 cm³/min，取b = 20 cm。

由试验数据可得结构面的各个参数：Q,l，R_w，M,S_w；将所得试验数据代入公式 $K=\frac{Q}{2\pi s_{w}b}\left[\ln \frac{1+a^2}{1+4a^2}+\frac{1}{a}\left(2arctga-arctg2a\right)\right]$

可计算的结构面的渗透系数K_e，结果如下表7所示：

Table 7. Structural plane permeability test results

表7. 结构面透水性试验成果

试验编号	Q (cm^3/min)	L (cm)	Rw (cm)	M (cm)	Sw (cm)	渗透系数Ke (cm/s)
试验1	2.409	123	2.25	2.5	99	4.54×10-5
试验2	3.3	119	2.25	6	93	3.35×10-5
试验3	240	124.5	2.25	20	100	6.50×10-4

3.3. 水位动态试验

自89年以来，坝址区布设了长观孔对两岸地下水进行了长期观测。由于金沙江水位年变幅大，两岸地下水垂向补给微弱，近岸侧地下水位的动态主要受金沙江水位控制。因此，可以利用近河谷岸坡钻孔的地下水位动态资料，近似计算水文地质参数。

取X25、X35和X50三个长观测孔1992年地下水位长观资料见表8，据不同时间的水位值图解参数a。其中x₂₅ = 57.1 m，x₃₅ = 85.7 m，x₅₀ = 371.4 m。

Table 8. Long-term observation data of water level dynamics in rivers and wells

表8. 长观孔及河水位动态资料

绝对时间	1992年	10.5~10.30	11.10	11.20	11.30	12.10	12.20	12.30
相对时间	(d)	0	10	20	30	40	50	60
水位高程$h\left(m\right)$	X25	379.06	376.08	375.10	374.24	373.55	373.05	372.22
	X35	379.40	376.34	374.90	374.63		373.33	372.53
	X50	379.51	379.41	378.26	377.86	377.41	377.13	376.69
	河水位	380.59	377.27	375.72	375.24	374.25	373.41	362.74
相对水位 $\Delta h\left(m\right)$	X25	0.00	2.98	3.96	4.82	5.51	6.01	6.84
	X35	0.00	3.06	4.50	4.77		6.07	6.87
	X50	0.00	0.1	1.25	1.65	2.10	2.38	2.82
	河水位	7.85	7.85	7.85	7.85	7.85	7.85	7.85

Figure 7. X25

图7. X25

Figure 8. X35

图8. X35

Figure 9. X50

图9. X50

取河水位为初始水位，根据水位动态资料，作不同时刻同一长观孔水位变化的实测曲线$\lg \frac{\Delta hx，t}{\Delta h0，t}~\lg t$ 与$\lg F \lambda ~\lg \frac{1}{ \lambda { }^2}$ 标准曲线进行配线，如下图7~图9所示[4]。

选取匹配点，确定匹配点得坐标值得到$\frac{\Delta hx，t}{\Delta h0，t}，t，F \lambda ，\frac{1}{ \lambda { }^2}$ 。代入公式

$a=\frac{x^2}{4t{\lambda }^2}$

求得压力传导系数a的值，如下表9数据：

Table 9. Water level dynamic test results 1

表9. 水位动态试验成果1

钻孔编号	$\frac{1}{ \lambda { }^2}$	$F \lambda$	t(d)	$\frac{\Delta hx，t}{\Delta h0，t}$	X (m)	a (m^2/d)
X25	4.0411	0.4731	50	0.7656	57.1	65.8782
X35	2.7447	0.3864	20	0.5732	85.7	59.6679
X50	1.9498	0.3033	60	0.3592	371.4	1120.6310

取勘测剖面I₁-I₂上的长观孔X71，X49和勘测剖面I-I上的长观孔X41，X45，根据其水位动态资料见表10、表11，作同一时刻不同距离上水位变化的实测曲线$\lg \frac{\Delta hx，t}{\Delta hx，0}~\lg x$ 与$\lg F\lambda ~\lg \lambda$ 标准曲线进行配线见图10、图11 [5]。选择1994年9月11日5天的退水过程和1994年8月25日至8月29日5天的回水过程分别计算参数[5]。

Table 10. Long-term observation of water dynamic data

表10. 长观孔退水动态资料

钻孔编号	X71	X49	X41	X45	备注
距河距离x (m)	68.26	365.41	142.85	320.00	94年9月7~9日退水
$\Delta hx，t$	3.37	0.57	3.12	0.78
$\Delta hx，0$	3.94	3.94	3.94	3.94
$\frac{\Delta hx，t}{\Delta hx，0}$	0.8533	0.1477	0.7919	0.1980

Table 11. Long-term observation of water dynamics data

表11. 长观孔回水动态资料

钻孔编号	X71	X49	X41	X45	备注
距河距离x (m)	68.26	365.41	142.85	320.00	94年8月25~29日回水
$\Delta hx，t$	3.83	2.45	3.11	1.26
$\Delta hx，0$	3.85	3.85	3.85	3.85
$\frac{\Delta hx，t}{\Delta hx，0}$	0.9948	0.6364	0.8078	0.3273

选取匹配点，确定匹配点得坐标值得到$\frac{\Delta hx，t}{\Delta hx，0}，x，F \lambda ，\lambda$ 。代入公式

$a=\frac{x^2}{4t{\lambda }^2}$

求得压力传导系数a的值，如下表12数据：

Table 12. Water level dynamic test results 2

表12. 水位动态试验成果2

	$\lambda$	$F\lambda$	t (d)	$\frac{\Delta hx，t}{\Delta hx，0}$	X (m)	a (m^2/d)
退水过程	0.1901	0.7880	5	0.8553	62.86	5467.0686
回水过程	0.7638	0.2654	5	0.3273	320	8776.2836

Figure 10. Drainage wiring diagram

图10. 退水配线图

Figure 11. Return water wiring diagram

图11. 回水配线图

4. 坝址区渗流分析及评价

4.1. 水位恢复试验数据分析

(1) 401孔：渗透系数0.03193 m/d，流量12.53 m³/d，提水135 min。渗透系数小，地下水流速慢，资源受限。

(2) 404孔：渗透系数0.18569 m/d，流量20.12 m³/d，提水135 min。渗透系数与流量较大，资源较丰富，流速度快，岩性为微晶玄武岩。

(3) 602孔：渗透系数0.02186 m/d，流量4.01 m³/d，提水200 min。渗透系数和流量小，但提水时间长，资源较充足，岩性为灰岩。

(4) 603孔：两次试验(1997年2月20日与3月1日)，渗透系数分别为0.05744 m/d与0.20461 m/d，流量分别为6.81 m³/d与8.98 m³/d，提水时间125 min与180 min。两次参数均较小，资源受限，岩性为灰岩。

各孔参数差异大，受地质、地形及流动机制影响。灰岩通常渗透性与储水能力高，玄武岩则较低。404孔渗透系数较高，602孔较低。

4.2. 注水试验渗流分析[6]

(1) PD12硐下游洞口：渗透率4.53 cm/s，为三者中最差。水流速度慢，需较大水头梯度才能驱动水流，可能导致水滞留时间过长引发水质问题。工程上或需采取注浆等措施改善其渗透性。

(2) PD45硐下游支洞口：渗透率3.34 cm/s。其层内错动带宽度6 cm~7 cm，内含碎石碎屑阻碍水流。较快的流速可能带走填充物，影响错动带稳定，需采取加固措施。

(3) PD45硐下游主洞口：渗透率64.87 cm/s，为三者最佳。错动带宽度约20 cm，孔隙连通性好，水流顺畅。可作为排水或引水口利用。各洞口渗透性差异显著，需根据其特性分别采取改善渗透性或工程利用等措施[6]。

4.3. 水位动态试验渗流分析

X50孔压力传导系数最大，显示其渗透性最好，水位高程最高。X25和X35孔压力传导系数较小，水位较低。初步推断地下水流向是从X50孔流向X25和X35孔方向，且水资源分布不均，X50区域更丰富。根据勘测剖面I1-I2上的X71、X49孔和剖面I-I上的X41、X45孔数据分析：回水过程的压力传导系数明显高于退水过程，表明回水时地下水渗透性更好，水资源更丰富。结合钻孔位置，X49孔距离河流最远且压力传导系数最大，初步推断地下水流向是从X49孔流向X71孔。