抽水試驗在長沙某地鐵車站勘察中的應用

宋厚園 彭振斌

0 引言

地下水對地鐵建設的影響可能引發(fā)地鐵開挖過程中涌水出現(xiàn)的問題，還可能引發(fā)對周邊環(huán)境產(chǎn)生的一系列問題。在地鐵建設工程中，土的滲透系數(shù)是確定地鐵設計施工抽降水的一個重要參數(shù)，是確定降水方案的關(guān)鍵。在地鐵車站、區(qū)間段的每一地質(zhì)單元各選擇一定數(shù)量鉆孔，進行水文地質(zhì)試驗。在各主要含水層分層進行水文試驗，提供巖土滲透系數(shù)，預測地鐵隧道和基坑涌水量。

目前，確定土的滲透系數(shù)的方法主要有室內(nèi)試驗測定法和現(xiàn)場抽水試驗法。室內(nèi)試驗法是確定滲透系數(shù)的最基本方法，但是由于取樣擾動及尺度效應，造成試驗結(jié)果誤差較大。野外測定法主要有抽水試驗、注水試驗和壓水試驗，野外測定相對室內(nèi)試驗測定能取得準確的滲透系數(shù)。

1 抽水試驗原理

抽水試驗是從鉆孔中抽水并根據(jù)其出水量(Q)與降深(s)的關(guān)系，確定含水層滲透性及了解相關(guān)水文地質(zhì)條件的一種原位試驗方法。抽水試驗包括穩(wěn)定流抽水試驗和非穩(wěn)定流抽水試驗。其中穩(wěn)定流抽水試驗是指抽水過程中，要求出水量和動水位同時相對穩(wěn)定，并延續(xù)一定時間的抽水試驗;非穩(wěn)定流抽水試驗是指抽水過程中，保持出水量固定，觀測動水位變化，或保持降深固定，觀測出水量變化的抽水試驗。承壓水及潛水穩(wěn)定流完整井單孔抽水試驗見圖1，圖2。

在單孔穩(wěn)定流完整井抽水試驗中，承壓水和潛水的滲透系數(shù)計算公式為:

其中，K為各向同性巖體滲透系數(shù)，m/s;s為鉆孔水位降深，m;Q為穩(wěn)定抽水流量，m3/s;M為承壓水或潛水含水層厚度，m;R為抽水影響半徑，一般采用經(jīng)驗值，m;r為鉆孔半徑，m。

圖1 承壓水穩(wěn)定流完整井單孔抽水試驗

圖2 潛水穩(wěn)定流完整井單孔抽水試驗

除了裘布依公式之外，還有巴布什金公式、吉林斯基公式等，分別可以用來求解不同抽水條件下均質(zhì)巖體的滲透系數(shù)。

2 抽水試驗要求

對砂礫石透水層進行抽水水文地質(zhì)試驗，評價其富水性、透水性以及對地鐵施工及運營的影響。抽水試驗采用穩(wěn)定流抽水試驗。

2.1 一般技術(shù)要求

1)鉆探過程中必須按有關(guān)要求進行簡易水文地質(zhì)觀測。2)為查明每個含水層(帶)的靜水位、承壓水頭高度、水質(zhì)、水量和進行分層評價，在各含水層之間進行嚴格的止水工作。3)根據(jù)含水層(帶)顆粒級配情況、風化破碎程度、巖溶發(fā)育及充填狀況，決定是否安裝過濾器。安裝過濾器的長度、位置應與含水層相對應，嚴禁錯位。4)過濾器安裝完畢、開始抽水前應進行洗孔。

2.2 抽水試驗要求

抽水試驗前后應準確測量有效孔深，試驗孔采用穩(wěn)定流抽水試驗，對多層含水層應進行分層抽水試驗，要求一次性鉆至設計孔深后，從下至上進行分層抽水。

1)如果含水層為基巖，視基巖的破碎程度，決定對含水層部分是否下濾管。2)洗孔，直到水清、砂凈、無沉淀時為止，量取穩(wěn)定水位。3)抽水試驗的穩(wěn)定延續(xù)抽水時間:粘性土為24 h，砂類土16 h，碎石土穩(wěn)定時間8 h。若為非穩(wěn)定流抽水試驗，其延續(xù)時間應符合有關(guān)規(guī)定。4)流量穩(wěn)定標準，為在涌水量無連續(xù)增大或變小的區(qū)間內(nèi)，各次流量的最大差值與平均流量值之比不得大于3%。水位穩(wěn)定標準為在抽水試驗穩(wěn)定延續(xù)時間內(nèi)，水位無持續(xù)上升或下降趨勢;動水位不得大于平均水位降深的1%。5)抽水試驗結(jié)束后取水樣。停泵后測量恢復水位。

當含水層或鄰近含水層復雜，地下水補給來源不明或其他問題需要進行長期抽水試驗時，其時間可適當延長。在測定水位上升或下降趨勢時，應考慮周圍有無其他影響因素，注意孔內(nèi)抽出的水倒流或回滲入孔內(nèi)。

2.3 其他技術(shù)要求

1)合理選擇抽水設備和測試儀器，正式抽水前應作一次最大水位降低的試抽，其延續(xù)時間一般為4 h～8 h，試抽后要正確測定靜止水位及孔深，通過試抽確定最大可能水位下降值，初步測定涌水量和水位下降的關(guān)系。2)正式抽水一般進行三次，三次水位降深值最好為抽水前水柱高度的1/6，2/3，1/2，若抽水設備性能達不到上述要求時，也可根據(jù)試抽時最大水位降深s來確定，即三次水位降深值分別為1/3s，2/3s，s。3)水位、出水量測量時水位波動允許范圍:水泵抽水時:5 cm;空壓機抽水時:10 cm～20 cm;出水量波動范圍均不宜超過3%。4)抽水試驗孔每次水位下降開始后，其動水位和出水量的觀測時間，應在第5 min，10 min，15 min，20 min，25 min，30 min各測一次，以后每隔30 min各測一次。5)每次抽水試驗結(jié)束后，抽水試驗孔應按停泵后的第1 min，2 min，3 min，4 min，6 min，8 min，10 min，15 min，20 min，25 min，30 min 各測一次恢復水位，以后每隔30 min各測一次恢復水位，直到接近或達到靜止水位。6)抽水過程及時繪制水量、水位曲線等綜合性圖表。當發(fā)現(xiàn)曲線反常時應查明原因，及時糾正，必要時重新進行抽水試驗。

3 工程實例

為了查明砂礫石層滲透性及富水性，長沙地鐵軌道交通1號線詳細勘察某地鐵站進行單井抽水試驗。該鉆孔孔深35.50 m，卵石層埋深為10.10 ～12.80，層厚2.70 m，靜止水位為 6.20 m。

1)繪制出水量、動水位與時間關(guān)系過程曲線(Q—t及s—t曲線見圖3)。開始抽水時的Q—t及s—t曲線表現(xiàn)為水位下降較快和出水量較大，且不穩(wěn)定。經(jīng)過一段時間后趨于穩(wěn)定，且這兩條曲線基本是平行的。如果現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)Q，s值不是相應的變化，要及時檢查分析和處理。

圖3 Q—t及s—t過程曲線圖

2)繪制出水量與水位降深關(guān)系曲線(Q=f(s)曲線見圖4)，用于了解和判別含水層的水力性質(zhì)和出水能力，推算井的可能最大涌水量與單位涌水量，并檢查抽水試驗成果的正確性。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，Q，s關(guān)系呈直線型。

圖4 Q—s關(guān)系曲線

進行了三個落程抽水，分別為:降深s1=1.72 m時，涌水量Q1=178 m/d;降深s2=3.45 m時，涌水量Q2=339 m/d;降深s3=5.23 m時，涌水量Q3=515 m/d。利用式(1)，式(2)計算滲透系數(shù) k=57.19 m/d，影響半徑 R=301 m。

4 結(jié)語

1)在含水層較深或堅硬巖區(qū)，鉆進施工困難，成本費用較高，采用單井抽水試驗，以節(jié)省成本費用。

2)抽水過程嚴格按照技術(shù)要求進行，及時繪制水量、水位曲線等綜合性圖表。當發(fā)現(xiàn)曲線反常時應查明原因，及時糾正，必要時重新進行抽水試驗。

3)單井抽水試驗不能直接采用裘布依公式計算滲透系數(shù)k，而需結(jié)合其他公式(吉哈爾特或庫薩金公式)，概略計算。

[1]SL 320-2005，水利水電工程鉆孔試驗規(guī)程[S］.

[2]TB 10049-2004，鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S］.

[3]GB 50307-1999，地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S］.