基于抽水試驗(yàn)的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法研究

秦甜甜 丁國(guó)輝

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210005)

1 引 言

我國(guó)大中城市地鐵工程的建設(shè)正如火如荼，與此同時(shí)，車站基坑突涌水、地下市政管網(wǎng)破裂、道路路面塌陷等事故屢見不鮮，基坑降水措施不當(dāng)是造成上述事故的主要原因之一。由此可見，準(zhǔn)確的含水層水文地質(zhì)參數(shù)是確定合理的基坑降水設(shè)計(jì)方案的重要依據(jù)[1]。

以往多采用裘布依穩(wěn)定井流公式計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。然而，該方法較為單一，并且常與實(shí)際誤差較大[2]。南京地鐵十一號(hào)線六合區(qū)政府站水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。基于該車站潛水及承壓含水層的抽水試驗(yàn)資料，本文采用穩(wěn)定井流裘布依公式[3]、非穩(wěn)定井流泰斯配線法[4]、直線圖解法[5]和水位恢復(fù)法[6]分別計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。上述不同方法的計(jì)算結(jié)果不同，并且均存在一定的誤差[7]。本文對(duì)以上多種方法進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合車站場(chǎng)地地質(zhì)條件為基坑降水設(shè)計(jì)確定較為可靠的含水層水文地質(zhì)參數(shù)。

2 工程概況

南京地鐵十一號(hào)線工程南起大橋北路站，北至金牛湖站。線路全長(zhǎng)45.2km，共設(shè)17座車站。

六合區(qū)政府站位于南京市六合區(qū)寧六公路與通湖路交叉口南側(cè)，沿寧六公路東側(cè)規(guī)劃綠地布置。該車站為地下兩層島式站，基坑長(zhǎng)270m，寬19.2m，標(biāo)準(zhǔn)段基底埋深16.0～18.5m，擬采用明挖法施工，鉆孔咬合樁或鉆孔灌注樁加止水帷幕支護(hù)。

3 場(chǎng)地地質(zhì)條件

3.1 工程地質(zhì)條件

六合區(qū)政府站位于滁河漫灘平原區(qū)，場(chǎng)地巖土層總體分布較為穩(wěn)定。地基土為第四系沖淤積相的粉土、砂土及黏性土。車站基坑開挖范圍內(nèi)土層為②-1cd2-3層粉土夾粉砂和②-1bd4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉砂互層。下伏基巖以白堊系赤山組的泥質(zhì)砂巖為主，局部為砂巖、泥巖，基巖埋深約42m。

車站的工程地質(zhì)條件總體上較差，各地層巖性、結(jié)構(gòu)及分布特征如工程地質(zhì)剖面圖1所示。

圖1 六合區(qū)政府站工程地質(zhì)剖面

3.2 水文地質(zhì)條件

a. 地表水。車站場(chǎng)地東側(cè)位于新河范圍，地表水較為豐富，平均水位標(biāo)高8.26m，平均水深1.85m。河底淤泥平均厚度0.38m，河底為②-1c2-3粉土層。

b. 地下水。場(chǎng)地地下水類型主要有松散層孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖風(fēng)化帶裂隙水三類。其中潛水含水層由①層填土、新近沉積的②-1cd2-3層粉土夾粉砂組成，該層平均厚度18.5m，穩(wěn)定水位埋深1.50～1.75m，平均水位標(biāo)高8.12m；孔隙承壓水含水層由③-2d1層粉砂和③-4e層中粗砂混卵礫石組成，平均厚度5.0m，穩(wěn)定水位埋深6.00～6.58m，平均水位標(biāo)高6.46m；基巖風(fēng)化帶裂隙水含水層由白堊系赤山組砂巖、泥巖及泥質(zhì)砂巖組成，因場(chǎng)地基巖埋深大于40m，對(duì)地鐵施工影響不顯著。

4 抽水試驗(yàn)概況

本次對(duì)潛水和承壓含水層進(jìn)行了分層抽水試驗(yàn)，且均為完整井。其中W1、W2分別為潛水和承壓水含水層抽水孔；G1-1、G1-2為潛水含水層觀測(cè)孔；G2-1、G2-2為承壓水含水層觀測(cè)孔。

潛水含水層進(jìn)行一次降深穩(wěn)定流抽水，抽水流量34.38m3/d，抽水持續(xù)時(shí)間76.5h，其基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 潛水含水層抽水試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)

承壓含水層采用三次降深穩(wěn)定流抽水，其中第一次降深抽水76h后停電，此時(shí)主井水位基本穩(wěn)定，而觀測(cè)孔水位尚未穩(wěn)定，隨后進(jìn)行水位恢復(fù)觀測(cè)。第二、三次降深為連續(xù)抽水試驗(yàn)，一次性水位恢復(fù)，抽水持續(xù)時(shí)間101.5h。三次抽水流量分別為621.24m3/d、863.28m3/d、946.80m3/d；主井和觀測(cè)井過(guò)濾器長(zhǎng)度均為5.0m。基本數(shù)據(jù)見表2。

表2 承壓含水層抽水試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)

本次在對(duì)承壓含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)潛水含水層的水位進(jìn)行了觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果顯示潛水含水層的水位幾乎沒有變化。由此說(shuō)明，承壓含水層和潛水含水層之間并無(wú)水力聯(lián)系。

5 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

5.1 穩(wěn)定流公式法

依據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件，可將潛水和承壓含水層近似視為均質(zhì)、各向同性、等厚的無(wú)限含水層，其滲流服從達(dá)西定律的穩(wěn)定流。穩(wěn)定流公式中分為單孔和有觀測(cè)孔的兩種計(jì)算方法。由于水躍值對(duì)于單孔穩(wěn)定流公式計(jì)算的結(jié)果影響較大，故本次僅利用帶兩個(gè)觀測(cè)孔的穩(wěn)定井流公式[8]進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算：

(潛水)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中K——含水層的滲透系數(shù)，m/d；Q——試驗(yàn)涌水量，m3/d；H，M——潛水和承壓水含水層的厚度，m；r1，r2——觀測(cè)井與抽水井之間的距離，m；S1，S2——觀測(cè)井水位降深，m；R——影響半徑，m。

5.2 非穩(wěn)定流法

根據(jù)車站勘察資料顯示，試驗(yàn)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，抽水很難形成理論上的穩(wěn)定流，因此利用穩(wěn)定井流公式計(jì)算的參數(shù)存在一定的誤差。為了減小上述誤差，本次依據(jù)非穩(wěn)定流觀測(cè)方法，對(duì)主井和觀測(cè)井分別進(jìn)行水位觀測(cè)，并采用泰斯配線法和直線圖解法進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)算。

5.2.1 泰斯配線法

選取與標(biāo)準(zhǔn)曲線W(u)—1/u模數(shù)相同的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙，繪出實(shí)測(cè)s—t關(guān)系曲線；保持上述兩圖的坐標(biāo)軸平行，移動(dòng)s—t曲線，直到野外測(cè)試點(diǎn)與圖中標(biāo)準(zhǔn)曲線全部或大部分重合為止，如圖2所示。在重合曲線上任取一點(diǎn)，讀出相應(yīng)的坐標(biāo)值；將重合點(diǎn)坐標(biāo)代入泰

圖2 泰斯配線

斯公式[9]計(jì)算參數(shù)：

(5)

其中

u=r2/4at

式中T——導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；s——降深，m；t——時(shí)間，min；r——井徑，m；a——導(dǎo)壓系數(shù)，cm2/s； 其他參數(shù)同上。

5.2.2 直線圖解法

根據(jù)主井及觀測(cè)井在抽水開始后不同時(shí)間觀測(cè)到的水位資料繪制s—lgt曲線，如圖3所示。求該曲線直線段的斜率C，并按式(6)計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)[10]：

(6)

圖3 s—lgt曲線

5.3 水位恢復(fù)法

前述幾種求參方法利用的均是抽水階段觀測(cè)的數(shù)據(jù)，水位很容易受到抽水流量的微小變化而產(chǎn)生波動(dòng)。為了減少這方面的影響，根據(jù)主井及觀測(cè)井在抽水結(jié)束后觀測(cè)到的水位恢復(fù)資料繪制s—lgt/t′曲線，如圖4所示。

圖4 s—lgt/t′曲線

同樣求取該曲線直線段的斜率C，利用公式T=KM=0.183Q/C計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)[11]。

6 參數(shù)分析與選用

上述不同求參方法及不同降深的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)均有一定的差異。但是不同降深的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的參數(shù)變化不大，取其平均值作為計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各種求參方法計(jì)算結(jié)果

在潛水含水層中，利用帶兩個(gè)觀測(cè)孔的穩(wěn)定井流公式計(jì)算的參數(shù)作為最終結(jié)果，主要是因?yàn)闈撍畬映鏊啃　⒔瞪畈淮螅€(wěn)定井流公式法計(jì)算簡(jiǎn)便，且計(jì)算精度足以滿足實(shí)際降水設(shè)計(jì)的需要。

在承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算中，利用非穩(wěn)定流泰斯配線法計(jì)算結(jié)果偏小，是因?yàn)槌樗囼?yàn)前期階段水位下降速度較快，來(lái)不及觀測(cè)，獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，造成前期數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合精度較差，且在配線過(guò)程中人為因素影響較大。

直線圖解法計(jì)算結(jié)果偏大，因?yàn)橹挥性趗<0.05的條件下才會(huì)出現(xiàn)直線段，且直線段較短，代表性相對(duì)

較低。由于水躍值對(duì)于帶兩個(gè)觀測(cè)孔的穩(wěn)定井流公式計(jì)算的結(jié)果影響較小，其計(jì)算精度相對(duì)較高。

考慮到水位恢復(fù)法計(jì)算的參數(shù)不受流量等因素的影響，因?yàn)槌樗髁康妮p微波動(dòng)所造成的降深變化在水位恢復(fù)期間不存在，所以其降深——時(shí)間曲線比較規(guī)則，所求取的參數(shù)值較為準(zhǔn)確、可靠，且與帶兩個(gè)觀測(cè)孔的穩(wěn)定井流公式計(jì)算結(jié)果相近。

結(jié)合含水層的顆粒大小、級(jí)配及厚度分布情況，同時(shí)考慮到本工程項(xiàng)目的重要性與工程的安全角度出發(fā)，承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)采用帶兩個(gè)觀測(cè)井的穩(wěn)定流井公式法和水位恢復(fù)法兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終參數(shù)，見表4。

表4 水文地質(zhì)參數(shù)優(yōu)選值

7 結(jié) 論

a. 所有的求參方法均有各自的適用條件，且均存在一定的誤差。在計(jì)算參數(shù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地具體地質(zhì)條件及工程的實(shí)際需求，利用多種方法進(jìn)行對(duì)比分析，確定較優(yōu)的水文地質(zhì)參數(shù)。

b. 基于抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料求取承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，由于前期觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，人為因素影響較大，使得泰斯配線法計(jì)算結(jié)果偏小。實(shí)際情況完全符合直線圖解法的應(yīng)用條件較為困難，觀測(cè)數(shù)據(jù)直線段不甚明顯，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。水躍值對(duì)帶兩個(gè)觀測(cè)孔的穩(wěn)定井流公式的計(jì)算結(jié)果影響較小，計(jì)算精度相對(duì)較高。水位恢復(fù)法不受流量等因素的影響，因此計(jì)算結(jié)果較為可靠。

c. 帶兩個(gè)觀測(cè)孔的穩(wěn)定井流公式法和水位恢復(fù)法計(jì)算結(jié)果較為接近，選取兩者的平均值作為承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)的設(shè)計(jì)值，為基坑降水提供依據(jù)。最終確定的參數(shù)分別為：潛水含水層滲透系數(shù)K=0.58m/d，影響半徑R=45.71m，導(dǎo)水系數(shù)T=10.82m2/d；承壓含水層滲透系數(shù)K=24.32m/d，影響半徑R=201.95m，導(dǎo)水系數(shù)T=121.60m2/d。

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