廈門海底抽水試驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)分析

王瑞芳，匡建平，張中信，馬野

（1武漢科技大學(xué) 城建學(xué)院土木系，湖北武漢 430065；2中南勘察設(shè)計(jì)院勘察中心，湖北武漢 430070）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和交通通行的發(fā)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(zhì)參數(shù)如滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、影響半徑等參數(shù)，為設(shè)計(jì)、施工提供參數(shù)。目前，確定水文參數(shù)的方法很多，馬晨光[1]提出用觀測孔水位恢復(fù)公式和等代大井聯(lián)立求解基坑潛水含水層滲透系數(shù)和影響半徑，且與實(shí)際情況接近；李術(shù)才等[2]以青島膠州灣海底隧道工程為背景，通過數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等手段相結(jié)合的方法，對海底隧道建設(shè)期涌水量的預(yù)測進(jìn)行了研究，得出合理的滲透系數(shù)；徐楊青等[3]對長江I級階地含水層的水文參數(shù)進(jìn)行了分析，得出了相應(yīng)的基本規(guī)律和特性；趙琳琳等[4]結(jié)合長春地鐵一號，采用多種方法來確定含水層的水文參數(shù)；王辛[5]等以三門湖抽水試驗(yàn)為依據(jù)，對穩(wěn)定井流理論的裘布依模型和非穩(wěn)定流理論的泰斯模型進(jìn)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(yàn)進(jìn)行的，徐超[6]雖然對廈門東通道陸域、海域的水文參數(shù)進(jìn)行了計(jì)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(yàn)，考慮海水潮汐作用來確定海底砂層的水文參數(shù)。

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(xiàng)目起點(diǎn)位于廈門本島北部埭遼水庫東側(cè)，在翔安側(cè)劉五店村登陸，下穿擬建的濱海東大道，并設(shè)置互通式立體交叉與其銜接，項(xiàng)目終點(diǎn)位于在建的翔安大道互通西側(cè)。為使該項(xiàng)目順利進(jìn)行，需查明擬建項(xiàng)目場地的水文地質(zhì)條件，提供含水層的水文地質(zhì)參數(shù)（滲透系數(shù)、影響半徑等），為設(shè)計(jì)施工部門提供可靠的依據(jù)，圖1為海域部分水文試驗(yàn)點(diǎn)示意圖。

圖1 廈門海域部分水文試驗(yàn)點(diǎn)

2 試驗(yàn)場地地質(zhì)情況及抽水試驗(yàn)布置

2.1 工程地質(zhì)條件

由勘察報(bào)告數(shù)據(jù)[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(zhì)土、粉質(zhì)黏土和黏性土；③含水砂層：巖性主要為細(xì)、中、粗、礫砂；④基巖：巖性為花崗巖，該層分為④-1全風(fēng)化花崗巖、④-2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和④-3中風(fēng)化花崗巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

廈門潮汐屬正規(guī)則半日潮，抽水試驗(yàn)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(cè)向補(bǔ)給及海水的下滲補(bǔ)給，并向海域低洼方向滲流排泄。抽水試驗(yàn)前對地下水進(jìn)行靜止水位觀測，觀測結(jié)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(yàn)

該次抽水試驗(yàn)采用一艘500t的船泊浮式鉆探平臺，XY-200鉆機(jī)，潛水泵型號為100SD0-90/1.1（圖2）。試驗(yàn)以抽取含水砂層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的兩組試驗(yàn)，本文以抽取含水砂層的試驗(yàn)來分析其滲透系數(shù)。在砂層抽水試驗(yàn)中，設(shè)抽水主井（ZJ1）1個(gè)，同層觀測井（GC1、GC2）2個(gè)，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(nèi)約5.5m，在孔內(nèi)鉆180mm孔徑至粉質(zhì)黏土約1.0～1.5m，在孔內(nèi)下146mm花管至粉質(zhì)黏土內(nèi)約1.0m；觀測井外管采用146mm套管至砂層內(nèi)約5.5m，在孔內(nèi)鉆130mm孔徑至粉質(zhì)黏土約0.5m，在孔內(nèi)下146mm花管至粉質(zhì)黏土頂面，試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖2 海上抽水試驗(yàn)

圖3 砂層水文試驗(yàn)井安裝示意圖

抽水試驗(yàn)流量以水表測量為主，基巖水位值由自動數(shù)顯液位計(jì)測量為主，以獲取準(zhǔn)確真實(shí)的試驗(yàn)資料。

3 抽水試驗(yàn)曲線

砂層抽水試驗(yàn)一共分為三個(gè)落程，根據(jù)自動數(shù)顯液位計(jì)測量的四個(gè)通道（可分別測定抽水井、觀測井1及2、海水水位）、時(shí)間表等工具記錄的數(shù)據(jù)，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(shí)間曲線

從以上曲線可以看出：

（1）試驗(yàn)期間，當(dāng)砂層含水層抽水時(shí)，水位在起始階段快速下降，其后逐漸趨于平緩，離抽水區(qū)域近的觀測井承壓水位降深大，位置相對較遠(yuǎn)的觀測井承壓水位降深小；（2）砂層三個(gè)降深隨著時(shí)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(bǔ)給源和海水有很密切關(guān)系；（3）根據(jù)三個(gè)落程的流量-降深曲線，近似成線性關(guān)系；（4）在抽水試驗(yàn)過程及恢復(fù)過程中，觀測孔及主抽水井中水位在某時(shí)間段內(nèi)水位略高于海水水位，這是由于系統(tǒng)誤差造成的。

4 水文地質(zhì)參數(shù)求取

判斷抽水是穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流的方法：正式抽水前，靜水位觀測應(yīng)每30min觀測一次，2h內(nèi)變幅不大于2cm，且無連續(xù)上升或下降趨勢，可視為穩(wěn)定[8]。本文根據(jù)穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流來計(jì)算砂層的水文地質(zhì)參數(shù)。

4.1 穩(wěn)定流理論的裘布依模型

4.1.1 按單孔抽水井試驗(yàn)確定

依據(jù)《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》附錄8，利用抽水井水位下降資料，計(jì)算單孔穩(wěn)定流潛水非完整井滲透系數(shù)K及影響半徑R，計(jì)算公式如下：

根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 砂層抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

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

綜合以上，得砂層的滲透系數(shù)為7.52m/d，影響半徑R=65.50m。

4.1.2 按單孔抽水井加一個(gè)觀測井試驗(yàn)確定

（1）按單孔抽水井加第一觀測井試驗(yàn)確定

計(jì)算得出：第一降深滲透系數(shù)K=5.06m/d，第二降深滲透系數(shù)K=3.42m/d，第三降深滲透系數(shù)K=6.94m/d，綜合得砂層的滲透系數(shù)為5.14m/d。

（2）按單孔抽水井加第二觀測井試驗(yàn)確定

計(jì)算得出：第一降深滲透系數(shù)K=5.00m/d，第二降深滲透系數(shù)K=2.86m/d，第三降深，滲透系數(shù)K=6.14m/d，綜合得砂層的滲透系數(shù)為4.67m/d。

4.1.3 按單孔抽水井加二個(gè)觀測井試驗(yàn)確定

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

4.2 非穩(wěn)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(yán)格來說，海底砂層抽水屬于非穩(wěn)定流。采用配線法計(jì)算非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的水文地質(zhì)參數(shù)，相比于陸上抽水試驗(yàn)，海上抽水試驗(yàn)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(yīng)含水層水位的變化，因此采用主井抽降s-t曲線。根據(jù)蔣輝[9]的方法和步驟，方法為標(biāo)準(zhǔn)曲線和實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的曲線制作好插圖，插入調(diào)節(jié)圖片大小，插入到1/u-Wu)雙對數(shù)坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)坐標(biāo)軸，實(shí)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)曲線與標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定流擬合lgt-lgs曲線

圖8 中，橫坐標(biāo)為lgt，縱坐標(biāo)為lgs，t為抽水開始起的時(shí)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(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三個(gè)降深的非穩(wěn)定流的水文地質(zhì)參數(shù)

表2中， t為抽水時(shí)間（min），s為主井的降深（m），u為承壓含水層貯水系數(shù)，T為承壓含水層導(dǎo)水系數(shù)，Q為穩(wěn)定流的抽水量（m3），K為滲透系數(shù)，=T/M，M為含水層厚度（m），根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖3，M=3m。根據(jù)《水利水電工程鉆孔試驗(yàn)規(guī)程》[8]計(jì)算滲透系數(shù)的公式及第一降深數(shù)據(jù)為例來計(jì)算水文參數(shù)：

按相同的方法及表1、表2數(shù)據(jù)，可得三個(gè)降深的滲透系數(shù)和影響半徑。綜合，海上砂層抽水試驗(yàn)屬于非穩(wěn)定流，而非穩(wěn)定流中第三降深的曲線擬合最好。

5 結(jié)語

本文依據(jù)廈門第二東通道海底砂層的承壓完整井抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出三個(gè)落程的降深-時(shí)間等關(guān)系曲線，并得出相應(yīng)的規(guī)律。結(jié)合穩(wěn)定流的三種計(jì)算方法和非穩(wěn)定流計(jì)算方法，分析了廈門海底抽水試驗(yàn)，對承壓完整井有兩個(gè)觀測孔的海上抽水?dāng)?shù)據(jù)處理過程進(jìn)行了探索，得出的滲透系數(shù)是真實(shí)可靠的。

海底抽水試驗(yàn)嚴(yán)格來說，屬于非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。采用1/u-W(u)雙對數(shù)坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線來確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)比穩(wěn)定流理論的裘布依模型理論確定值更加符合工程實(shí)際。

由于試驗(yàn)的單一性和場地的局限性，所得的結(jié)論具有一定的區(qū)域局限性，仍需要更多的現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的結(jié)論。