廈門海底抽水試驗水文地質參數分析

王瑞芳，匡建平，張中信，馬野

（1武漢科技大學 城建學院土木系，湖北武漢 430065；2中南勘察設計院勘察中心，湖北武漢 430070）

0 引言

隨著社會經濟和交通通行的發展，地鐵、海底隧道、長江隧道等相繼開工，需要確定含水層的水文地質參數如滲透系數、導水系數、影響半徑等參數，為設計、施工提供參數。目前，確定水文參數的方法很多，馬晨光[1]提出用觀測孔水位恢復公式和等代大井聯立求解基坑潛水含水層滲透系數和影響半徑，且與實際情況接近；李術才等[2]以青島膠州灣海底隧道工程為背景，通過數值計算、模型試驗與現場監測數據分析等手段相結合的方法，對海底隧道建設期涌水量的預測進行了研究，得出合理的滲透系數；徐楊青等[3]對長江I級階地含水層的水文參數進行了分析，得出了相應的基本規律和特性；趙琳琳等[4]結合長春地鐵一號，采用多種方法來確定含水層的水文參數；王辛[5]等以三門湖抽水試驗為依據，對穩定井流理論的裘布依模型和非穩定流理論的泰斯模型進行了分析對比。

以上研究方法主要是針對靜水位的抽水試驗進行的，徐超[6]雖然對廈門東通道陸域、海域的水文參數進行了計算，但并未考慮海水潮汐的作用影響。本文通過廈門第二東通道的海域砂層抽水試驗，考慮海水潮汐作用來確定海底砂層的水文參數。

1 工程簡介

廈門第二東通道工程，是擬建的廈門第二西通道工程的東延伸段。項目起點位于廈門本島北部埭遼水庫東側，在翔安側劉五店村登陸，下穿擬建的濱海東大道，并設置互通式立體交叉與其銜接，項目終點位于在建的翔安大道互通西側。為使該項目順利進行，需查明擬建項目場地的水文地質條件，提供含水層的水文地質參數（滲透系數、影響半徑等），為設計施工部門提供可靠的依據，圖1為海域部分水文試驗點示意圖。

圖1 廈門海域部分水文試驗點

2 試驗場地地質情況及抽水試驗布置

2.1 工程地質條件

由勘察報告數據[7]，對于地層概化如下：①新近填土：巖性主要為填土及填筑土；②層隔水黏性土層：主要為淤泥、淤泥質土、粉質黏土和黏性土；③含水砂層：巖性主要為細、中、粗、礫砂；④基巖：巖性為花崗巖，該層分為④-1全風化花崗巖、④-2強風化花崗巖和④-3中風化花崗巖。

2.2 水文地質條件

廈門潮汐屬正規則半日潮，抽水試驗期間擬建場地潮汐最高水位為6.14m，最低水位為0.13m，潮差為2.11～6.01m。各類地下水主要接受相鄰含水層的側向補給及海水的下滲補給，并向海域低洼方向滲流排泄。抽水試驗前對地下水進行靜止水位觀測，觀測結果對比潮汐表表明：地下水靜止水位與海水水位呈周期性變化。

2.3 抽水試驗

該次抽水試驗采用一艘500t的船泊浮式鉆探平臺，XY-200鉆機，潛水泵型號為100SD0-90/1.1（圖2）。試驗以抽取含水砂層、強風化花崗巖的兩組試驗，本文以抽取含水砂層的試驗來分析其滲透系數。在砂層抽水試驗中，設抽水主井（ZJ1）1個，同層觀測井（GC1、GC2）2個，觀測井至抽水主井的距離分別為3m、10m，如圖2所示。其中：抽水井外管采用219mm套管至砂層內約5.5m，在孔內鉆180mm孔徑至粉質黏土約1.0～1.5m，在孔內下146mm花管至粉質黏土內約1.0m；觀測井外管采用146mm套管至砂層內約5.5m，在孔內鉆130mm孔徑至粉質黏土約0.5m，在孔內下146mm花管至粉質黏土頂面，試驗布置如圖3所示。

圖2 海上抽水試驗

圖3 砂層水文試驗井安裝示意圖

抽水試驗流量以水表測量為主，基巖水位值由自動數顯液位計測量為主，以獲取準確真實的試驗資料。

3 抽水試驗曲線

砂層抽水試驗一共分為三個落程，根據自動數顯液位計測量的四個通道（可分別測定抽水井、觀測井1及2、海水水位）、時間表等工具記錄的數據，繪制曲線如圖4—圖7。

圖4 砂層第一組降深、第二組降深s-t過程曲線

圖5 砂層第三組降深s-t過程曲線

圖6 流量-降深曲線

圖7 砂層靜水位與潮汐水位降深-時間曲線

從以上曲線可以看出：

（1）試驗期間，當砂層含水層抽水時，水位在起始階段快速下降，其后逐漸趨于平緩，離抽水區域近的觀測井承壓水位降深大，位置相對較遠的觀測井承壓水位降深小；（2）砂層三個降深隨著時間的變化，潛水動水位及靜水位和潮汐水文基本同步波動，砂層潛水直接受海水潮汐水位控制，補給源和海水有很密切關系；（3）根據三個落程的流量-降深曲線，近似成線性關系；（4）在抽水試驗過程及恢復過程中，觀測孔及主抽水井中水位在某時間段內水位略高于海水水位，這是由于系統誤差造成的。

4 水文地質參數求取

判斷抽水是穩定流和非穩定流的方法：正式抽水前，靜水位觀測應每30min觀測一次，2h內變幅不大于2cm，且無連續上升或下降趨勢，可視為穩定[8]。本文根據穩定流和非穩定流來計算砂層的水文地質參數。

4.1 穩定流理論的裘布依模型

4.1.1 按單孔抽水井試驗確定

依據《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》附錄8，利用抽水井水位下降資料，計算單孔穩定流潛水非完整井滲透系數K及影響半徑R，計算公式如下：

根據抽水試驗數據，整理出計算結果如表1所示。

表1 砂層抽水試驗數據

其中：r2為觀測井到抽水井的距離（m），rw為抽水孔內徑（m），Sw為抽水井落程 （m），S1、S2為第一、 第二觀測井落程（m）。

計算得出：第一降深，滲透系數K=5.54m/d，影響半徑R=35.13m；第二降深，滲透系數K=7.17m/d，影響半徑R=93.68m；第三降深，滲透系數K=9.85m/d，影響半徑R=67.70m。

綜合以上，得砂層的滲透系數為7.52m/d，影響半徑R=65.50m。

4.1.2 按單孔抽水井加一個觀測井試驗確定

（1）按單孔抽水井加第一觀測井試驗確定

計算得出：第一降深滲透系數K=5.06m/d，第二降深滲透系數K=3.42m/d，第三降深滲透系數K=6.94m/d，綜合得砂層的滲透系數為5.14m/d。

（2）按單孔抽水井加第二觀測井試驗確定

計算得出：第一降深滲透系數K=5.00m/d，第二降深滲透系數K=2.86m/d，第三降深，滲透系數K=6.14m/d，綜合得砂層的滲透系數為4.67m/d。

4.1.3 按單孔抽水井加二個觀測井試驗確定

計算得出：第一降深滲透系數K=4.72m/d，第二降深滲透系數K=3.70m/d，第三降深滲透系數K=5.85m/d，綜合得砂層的滲透系數為4.76m/d。綜合三種方法，得砂層的滲透系數為5.65m/d。

4.2 非穩定流理論的配線法

抽水井和觀測井的水位變化隨海水潮位變化而處于周期性變化，嚴格來說，海底砂層抽水屬于非穩定流。采用配線法計算非穩定流抽水試驗的水文地質參數，相比于陸上抽水試驗，海上抽水試驗水位變化受海水潮汐影響較大，因此考慮主井、觀測井降深宜扣除潮汐水位的波動變化。觀測井水位變化受海水位變化影響較大，不能直接反應含水層水位的變化，因此采用主井抽降s-t曲線。根據蔣輝[9]的方法和步驟，方法為標準曲線和實際數據點的擬合：根據試驗數據繪制的曲線制作好插圖，插入調節圖片大小，插入到1/u-Wu)雙對數坐標標準曲線中，選中插圖，通過操作鍵盤的“上下左右”按鍵，平行移動2個坐標軸，實現實際數據點曲線與標準曲線吻合。繪制三次抽降的s-t曲線如圖8所示。

圖8三次降深非穩定流擬合lgt-lgs曲線

圖8 中，橫坐標為lgt，縱坐標為lgs，t為抽水開始起的時間，s為降深，由三次降深抽降擬合曲線上可看出，第三降深擬合效果較好，擬合計算數據如表2所示。

表2 三個降深的非穩定流的水文地質參數

表2中， t為抽水時間（min），s為主井的降深（m），u為承壓含水層貯水系數，T為承壓含水層導水系數，Q為穩定流的抽水量（m3），K為滲透系數，=T/M，M為含水層厚度（m），根據試驗數據和圖3，M=3m。根據《水利水電工程鉆孔試驗規程》[8]計算滲透系數的公式及第一降深數據為例來計算水文參數：

按相同的方法及表1、表2數據，可得三個降深的滲透系數和影響半徑。綜合，海上砂層抽水試驗屬于非穩定流，而非穩定流中第三降深的曲線擬合最好。

5 結語

本文依據廈門第二東通道海底砂層的承壓完整井抽水試驗數據，繪制出三個落程的降深-時間等關系曲線，并得出相應的規律。結合穩定流的三種計算方法和非穩定流計算方法，分析了廈門海底抽水試驗，對承壓完整井有兩個觀測孔的海上抽水數據處理過程進行了探索，得出的滲透系數是真實可靠的。

海底抽水試驗嚴格來說，屬于非穩定流抽水試驗。采用1/u-W(u)雙對數坐標標準曲線來確定含水層的水文地質參數比穩定流理論的裘布依模型理論確定值更加符合工程實際。

由于試驗的單一性和場地的局限性，所得的結論具有一定的區域局限性，仍需要更多的現場試驗進一步驗證本文提出的結論。