基于大孔徑抽水試驗確定長江漫灘區水文地質參數

李 士 永

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

隨著城市建設快速發展，基坑工程隨之增多，獲取準確的水文地質參數是基坑降水方案的重要依據。含水層滲透性主要取決于土的巖性、粒徑及結構，計算求參時的影響因素較多，如井壁、井周三維流的程度、紊流區存在與否、含水層厚度的有效利用度、抽水時間相關的影響半徑、頂底板的隔水性、天然水力坡度及邊界補給條件等。采用單一的穩定流計算方法獲取水文地質參數往往誤差較大，本文基于抽水試驗，采用穩定流裘布依公式(二觀測孔、三觀測孔)，非穩定流泰斯配線法、Jacob直線圖解法和水位恢復法等[1-4]多種方法進行計算對比分析，綜合確定水文地質參數。

2 工程概況

本次抽水試驗位于南京地鐵2號線西延工程魚嘴停車場，該停車場為地下停車場，基坑總長度約527 m，寬約93 m，深約15 m，基坑大；場地位于南京河西魚嘴濕地公園南側，屬于長江漫灘地貌單元，地形較平緩。

2.1 工程地質條件

根據鉆探資料顯示，場地覆蓋層厚度較大，覆蓋層深度范圍內以填土、全新世中晚期沉積的新近沉積土(包括淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉細砂層、中粗砂層及含礫中粗砂)為主。場地下伏基巖埋深約60 m，巖性為白堊系浦口組(K2p)泥巖、粉砂質泥巖。

2.2 水文地質條件

抽水試驗場地位于長江東岸，秦淮新河北側。對工程影響的地表水體主要為長江水。

本場地地下水分為孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。潛水含水層為①層人工填土等，分布于長江漫灘的淺部。承壓水含水層由粉質黏土與粉砂互層、粉細砂層、中粗砂以及含卵礫石中粗砂組成含水層；隔水頂板為淤泥質粉質黏土、粉質黏土，隔水底板為下伏基巖。少量基巖裂隙水分布于中風化巖體裂隙。繪制場區的水文地質剖面簡圖，見圖1。

3 抽水試驗概況

本次抽水試驗針對巨厚承壓水含水層進行，布設1口大孔徑(直徑800 mm)完整井，以抽水井為中心分別向北側和西側各布設3個抽水井，各井基本參數見表1。

表1 抽水孔、觀測孔孔深及結構表

本次抽水試驗共進行三次降深，分別為5.00 m, 10.07 m和15.14 m，出水量分別為30.715 m3/h,59.627 m3/h和 85.100 m3/h，持續抽水時間為75 h，抽水試驗各觀測井降深情況見表2。

表2 抽水試驗承壓含水層各觀測井降深情況表 m

由于試驗場地距長江較近，試驗期間對長江水位進行了同步觀測，長江水位始終高于地下水位，補給地下水，地下水與江水水位同步變化，滯后時間約為2 h～3 h，表明地表水(江水)與本次試驗承壓水含水層有一定的水力聯系。

4 水文地質參數計算

4.1 穩定流計算滲透系數

1)根據裘布衣假設條件，按照SL 320—2005水利水電工程鉆孔抽水試驗規程[5]附錄B表B-2(1)，多孔抽水試驗承壓水完整孔公式：

其中，M為含水層厚度，m；S1，S2均為觀測孔水位降深，m；r1，r2均為觀測孔至主井距離，m。

2)本次試驗有2條勘探線，每條勘探線上有3個觀測井，根據裘布衣假設條件，采用承壓完整井公式，充分利用觀測孔資料綜合計算含水層的滲透系數，計算公式：

其中，ki-j為第i孔至第j孔的滲透系數，m/d；ri,rj分別為抽水孔至i，j觀測孔距離，m；ΔS為j觀測孔與i觀測孔水位差，m；M為承壓含水層厚度，m。

將k1-2值繪在觀測井GC2上，將k1-3值繪在觀測井GC3上，將以上兩點連成直線1，根據直線1的趨勢延長交觀測井GC1上于M點。將k2-3值繪在觀測井GC3上，將k1-2值繪在觀測井GC1上，同樣將以上兩點連成直線2交于觀測井GC2上于N點。最后將M,N兩點連成直線，根據直線的趨勢延長交于主孔半徑縱坐標處于K點，K點的縱坐標值即為所求的k0-0，如圖2所示。

4.2 非穩定流計算滲透系數

4.2.1降深—時間(lgS—lgt/r2)配線法

根據承壓井非穩定流公式(泰斯公式)：

得:

其中，T為導水系數，m2/d；S為曲線配合點水位降深，m；r為觀測孔至主井距離，m；t為曲線上配合點時間；l為濾水管長度，m；M為含水層厚度，m；W(u，1/u)為承壓孔完整井無越流補給井函數；a為導壓系數，m2/d；u*為貯水系數。

利用GC1觀測井水位降深資料，作lgS—lgt/r2曲線，與標準曲線配合，取配合點1/u=3.5，W(u)=2.7，S=0.12 m，t=10 min(見圖3)，代入上式得：T=1 319.88 m2/d，k=30.69 m/d，a=31 501 m2/d，貯水系數u*=4.19×10-2。

4.2.2Jacob直線圖解法

當u≤0.01時可利用Jacob公式計算參數。

上式表明S與lgt/r2呈線性關系，斜率為2.3Q/4πT，因此：

其中,i為直線的斜率，此直線在零降深線上的截距為t/r2；u*為貯水系數。

利用GC2觀測井水位降深資料(第1降深)，繪制S—lgt/r2曲線，如圖4所示。將S—(t/r2)曲線直線部分延長，取得截距(t/r2)0=2.5×10-2。直線斜率i=ΔS=0.09。代入上述公式進行計算，得出：T=1 499.12 m2/d，k=34.86 m/d，u*=5.86×10-2。

4.2.3水位恢復法(兩點法)

4.3 影響半徑(R)的計算

1)根據SL 320—2005水利水電工程鉆孔抽水試驗規程附錄F。

有兩個觀測井的承壓水影響半徑的計算公式：

其中，R為影響半徑，m；S1,S2均為觀測孔內水位降深，m；r1，r2均為抽水孔至觀測孔之間的距離，m。

2)通過圖解法求影響半徑。

觀測孔數目較多時可用圖解法。對承壓孔任一觀測孔都滿足:

其中，Si,ri分別為任一觀測孔的降深、主井至抽水井的距離，則上式可寫為：

Si與lgri呈線性關系，當Si=0時，ri=R，以S為縱坐標，lgr為橫坐標點繪不同觀測孔的Si和ri的關系，可求得抽水孔影響半徑。

5 參數的分析與選用

各種求參方法計算結果見表3。

表3 各種求參方法計算結果

從表3中可以看出，不同求參方法的計算結果存在差異，其原因主要有兩點：

1)試驗段深度所在地層顆粒組成的差異。

場地位于長江漫灘區，從勘察成果資料來看，試驗場地承壓含水層的巖性主要為粉細砂、含礫粗砂，局部夾薄層粉質黏土，而粉質黏土薄層在空間分布具有不均質性，因此造成不同地段的含水層的滲透性存在差異。

2)使用不同計算方法產生的差異。

穩定流公式僅利用抽水試驗穩定狀態的數據，計算結果偏大；非穩定流泰斯配線法具有主觀性，前期數據擬合較差，一般計算結果偏?。籎acob直線圖解法是在u≤0.01時利用公式計算，代表性較低，計算結果偏大；水位恢復法利用抽水過程中及水位恢復中后期穩定資料，其計算結果較為準確。

結合地質條件，從工程的安全性考慮，本次抽水試驗段承壓含水層綜合滲透系數k=34.50 m/d，抽水試驗過程最大影響半徑R=564.91 m，導水系數T=1 510.03 m2/d，壓力傳導系數a=32 644 m2/d。

6 結論與建議

1)不同求參方法均存在一定的誤差，在確定水文地質參數時，應采取不同的計算方法對比分析，綜合確定參數。

2)本工程基坑大，開挖深度較深，場地地下水接受臨近長江水補給，承壓含水層綜合滲透系數(k)為34.50 m/d，抽水試驗過程最大影響半徑R=564.91 m。

3)含水層的顆粒組成對試驗過程影響較大，薄層與夾層在空間分布具有不均質性，會造成不同地段的含水層的滲透性存在差異，參數使用過程中應結合具體地質條件綜合確定。