粘性土多孔抽水試驗滲透性研究

姚 陽，郭衛新，張黨立，婁國川

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

粘性土具有孔隙度大而透水性差的特點，屬于弱透水層。在傳統水文地質學中，粘性土往往被直接視為隔水層，對強透水的粗砂、細砂等含水層起邊界控制作用，不是主要的研究對象，對粘性土層的研究主要集中于可壓縮性引起的地面沉降問題。近20年來，研究者發現第四系粘性土中的水流、溶質運移和地球化學過程對于水文地質條件和環境變化具有重要意義。因此粘性土的水文地質研究逐漸成為國際水文地質和環境地質領域的熱點之一［1］。

滲透系數是土的重要物理參數之一，其測定方法主要有兩類:一類是室內試驗，另一類是現場實測，現場實測主要有滲水、注水、微水和抽水試驗［2－3］。目前粘性土的滲透系數主要通過室內土工試驗獲取，但土工試驗結果容易受到取樣擾動的影響，而且往往只能代表小尺度條件下的參數特征［4－5］。特別是Q4(第四系全新世)的粘性土由于沉積年代較短，隨著分布區域、地貌類型、密實程度的不同而表現為同一工程分類的粘性土滲透系數變化的幅度很大(一般在10－3～10－7cm/s)［6］。為了獲得適用于現場大尺度條件下的滲透系數，有必要進行現場抽水試驗。本文以南水北調中線工程總干渠某段粘性土為例，采用多孔抽水試驗計算粘性土的滲透系數，并與室內試驗進行對比分析，探討粘性土的滲透性，對渠道開挖降排水具有重要的指導意義。

1 工程地質概況

工程區屬黃沁沖積平原，地形較平坦開闊，地面高程105.4～111.8 m，地勢微向東南傾斜。場區地層主要為第四系全新統沖積土層(Q1al4):上部主要為黃土狀中、重粉質壤土、粉質粘土，局部可見鈣質結核，相變較頻繁，局部夾輕粉質壤土和粉細砂，單層厚度一般2～15 m，局部達20 m;下部為中細砂層，主要分布于場區下部，揭露厚度5～10 m。本標段渠坡和渠基土體巖性主要由黃土狀重粉質壤土、黃土狀中粉質壤土和粉質粘土組成。場區地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水和第四系松散巖類孔隙承壓水。潛水含水層主要為上部黃土狀壤土和粉質壤土，總厚度一般15～20 m，局部渠段＞20 m。根據勘察資料黃土狀壤土和粉質壤土滲透系數 K=2.24 ×10－6～6.02 ×10－5cm/s，一般屬微—弱透水，賦水條件較差。潛水地下水位一般100～103 m，埋深 3.57 ～10.08 m。潛水主要接受大氣降水入滲、側向徑流等方式補給，排泄方式主要為蒸發、側向徑流及人工開采。

2 抽水試驗

2.1 試驗設計

為準確獲取粘性土的滲透性，正確指導渠道開挖降排水，開展了現場抽水試驗。該段渠道過水斷面為梯形斷面，內坡一級坡為 1∶2.0，渠底高程 99.2 m，渠底寬度21～22 m。抽水試驗點位于渠道附近，上部為中粉質壤土和黃土狀重粉質壤土，厚度約24 m，下部為砂壤土。試驗井井深18 m(從井口計)，井口高程108.1 m，開孔孔徑800 mm，過濾器采用混凝土加筋濾水管，為非淹沒式過濾器，井管內徑300 mm，外徑360 mm;濾料采用1～3 mm石英砂料;濾水管全部設置在上部的中粉質壤土和黃土狀重粉質壤土，井底部以下約6 m為砂壤土;同時在鑿井時對井管底部和下部進行了粘土球封填處理，即對濾水管下部投放粘土球進行封填，可近似認為為相對隔水層，抽水試驗井結構見圖1。同時在附近布置2個觀測孔來觀測地下水位的變化，成孔孔徑0.054 m，觀測孔與試驗井同深同結構，觀測孔開孔孔徑150 mm，井管采用直徑為110 mm的PVC管加工而成，分為濾管段和實管段，觀測孔1距主井3.34 m，觀測孔2距主井5.76 m。試驗期間主井初始地下水位埋深6.42 m(從井口計)，含水層厚度11.58 m，濾管長度11.58 m。

圖1 抽水試驗井結構示意圖Fig.1 The structural diagram of pumping test well

抽水試驗時，盡量采用小流量進行抽水，以避免對下部砂層含水層的擾動，因此此次抽水試驗近似視為潛水完整井流的抽水試驗。試驗點共進行了三個落程的多孔抽水試驗，水位最大降深值應根據水文地質條件，并考慮抽水設備能力確定，其余2次降深值宜分別為最大降深值的1/3和2/3。抽水強度不宜太大，以免抽干井孔，同時粘性土水位下降快而恢復慢，水位恢復時觀測時間盡可能長。抽水試驗的穩定標準，在抽水穩定延續時間內，抽水孔涌水量和動水位與時間關系曲線只在一定的范圍內波動，并沒有持續上升或下降的趨勢，以最遠觀測孔的動水位基本穩定為準。抽水試驗的穩定延續時間，要求大落程≥16 h，中、小落程均≥8 h。水位觀測采用地下水位自動記錄儀，水位記錄頻率均設計為1 min，對主井測壓管和觀測孔中的水位進行同步觀測。

2.2 計算公式

根據穩定流抽水試驗資料及《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》(SL 320—2005)，本次按照潛水完整井［7－8］分別采用多孔完整井及主井單孔完整井裘布衣公式［9－10］進行計算。

(1)多孔穩定流抽水計算公式。當S-lg r關系呈直線時，滲透系數K:

影響半徑R:

以上公式中各個參數意義如下:K——含水層滲透系數(m/d);Q——抽水量(m3/d);H——自然情況下的含水層厚度(m)，本試驗取11.58 m;R——影響半徑(m);S1、S2——觀測井 1、觀測井 2 水位降深(m);r1、r2——觀測井1、觀測井2距主井的距離(m);本試驗分別取 3.34 m，5.76 m。

(2)單孔穩定流抽水計算公式。當Q-Δh2關系呈直線時，滲透系數K:

影響半徑R:

式中:r為抽水井過濾器半徑(m)，本試驗取0.4 m;h為抽水試驗時含水層厚度(m);S為抽水主井水位降深(m);其它字母含義同上。

2.3 試驗成果

試驗點抽水試驗主井及觀測井的降深和抽水量見表1，主井及觀測井的S-t曲線和S-lg r關系曲線分別見圖2-圖5，主井Q-Δh2關系曲線見圖6。

表1 主井及觀測井降深和抽水量成果表Table 1 The drawdown and pumping yield results table of main well and observation wells

2.4 滲透系數計算

(1)多孔穩定流計算。由圖5可知，S-lg r關系基本呈直線，可按照公式(1)、公式(2)進行計算(表2)。

圖2 主井降深—時間關系曲線Fig.2 The drawdown and time curve of main well

圖3 觀測孔1降深—時間關系曲線Fig.3 The drawdown and time curve of observation well 1

圖4 觀測孔2降深—時間關系曲線Fig.4 The drawdown and time curve of observation well 2

圖5 主井及觀測孔S-lg r關系曲線Fig.5 S-lg r curve of main well and observation wells

(2)單孔穩定流計算。由圖6可知，Q-Δh2關系基本呈直線，可按照公式(3)、公式(4)進行計算(表3)。

圖6 主井Q-Δh2關系曲線Fig.6 Q-Δh2 curve of main well

表2 多孔抽水試驗滲透系數計算成果表Table 2 The permeability coefficient calculation results table of pumping test with multiple observation wells

表3 主井抽水試驗滲透系數計算成果表Table 3 The permeability coefficient calculation results table of main well pumping test

3 試驗成果分析

前期勘察成果中黃土狀壤土和粉質壤土室內試驗滲透系數 K 為(2.24 ～6.02)×10－5cm/s，本次抽水試驗測得粘性土的滲透系數 K為(5.17～5.59)×10－4cm/s，室內試驗獲取的土體滲透系數和原位試驗相比偏小。分析主要原因如下:

(1)抽水試驗其結果已包含了實際地層結構及分布因素的影響，結果較準確;而室內試驗根據所采取的土樣進行滲透系數試驗，往往受樣品尺寸大小和擾動的影響，測得的滲透系數偏小。

(2)室內試驗所用的土樣具有隨機性，室內試驗測定值僅能反映所取土樣的滲透性能，或者說僅能反映某一點某一深度處粘性土的滲透性能;而原位試驗結果可以相對比較客觀地反映粘性土的綜合滲透性能。

(3)研究發現粘性土中除發育孔隙外，還存在裂隙，室內試驗不能反映粘性土中孔隙、裂隙相互連通的影響，由此得到的滲透系數有一定的局限性，而現場試驗一般可克服該缺點。

(4)室內滲透試驗所測試的結果一般是垂直滲透系數，而實際遇到的土體往往是各向異性的，水平滲透系數與垂直滲透系數往往相差較大，尤其是具有夾層、互層構造的土層。

4 結語

由于室內試驗尺度效應、取樣隨機性和擾動、土層裂隙發育及土體滲透性各向異性等因素對滲透系數的影響，因此室內試驗獲取的粘性土的滲透系數往往偏小。對于含水層的滲透系數，建議開展原位抽水試驗，特別是在進行工程降水時，應采用抽水試驗獲取符合現場工程實際的滲透系數。

粘性土滲透性很差，在粘性土中進行抽水試驗，抽水強度不宜太大，以免疏干井孔，同時水位下降快而恢復慢，每個落程要保持足夠的穩定時間，同時水位恢復時觀測時間盡可能長，以獲取較為準確的數據計算滲透參數。

［1］ 楊利超，王旭升，焦赳赳，等.粘性土層井孔抽水試驗的參數識別［J］.工程勘察，2011(6):32 －35.

［2］ 葉正強，李愛群，楊國華，等.粘性土的滲透規律性研究［J］.東南大學學報，1999，29(5):121 －125.

［3］ 鞠曉明，何江濤，王俊杰，等.抽水試驗與微水試驗在確定水文地質參數中的對比分析［J］.工程勘察，2011(1):51 －56，63.

［4］ 宋厚園，彭振斌.抽水試驗在長沙某地鐵車站勘察中的應用［J］.山西建筑，2011，37(34):57 －58.

［5］ 王烈，李開超.穩定流抽水試驗滲透系數的對比分析［J］.地下水2012，34(2):40 －41.

［6］ 丁金粟.土力學與基礎工程［M］.北京:地震出版社，1992.

［7］ SL320—2005，水利水電工程鉆孔抽水試驗規程［S］.

［8］ GB50027—2001，供水水文地質勘察規范［S］.

［9］ 陳崇希，林敏.地下水動力學［M］.武漢:中國地質大學出版社，1999.

［10］ 薛禹群.地下水動力學［M］.北京:地質出版社，1997.