基于抽水試驗的灰巖承壓含水層水文地質參數分析

呂紅娟

(河北省地礦局 第七地質大隊，河北 三河 065201)

0 引 言

獲取真實反映地層的水文地質參數是巖土工程勘察中的重要工作內容，直接關系到地下工程防排水設計施工的可靠性和工程建設的安全性[1-3]。近年來，由于地下水誘發的基坑工程事故和隧道涌水突泥事故等屢見不鮮，其中最為重要的原因是抽水試驗計算獲取的水文地質參數往往依賴于經驗公式和水文工作者的經驗進行修正，與實際地層情況產生較大差異[4-6]。特別是對于灰巖地區，依賴抽水試驗求解巖土層的水文地質參數，往往需要大量的觀測孔和多次抽降次數才能獲取較為精確可靠的數據，需要耗費較高的人力和時間成本，采用數值模擬反演計算地層的水文地質參數是解決問題的有效途徑[7]。

本文依托南京地鐵4號線樺墅站-仙林東站區間設中間風井的抽水試驗，在分析場區的工程地質與水文地質特征的基礎上，采用抽水試驗與水文觀測孔相結合的方法，對中間風井基坑的主要水源層周沖村組灰巖承壓含水層進行水文試驗。依據現場測試成果，基于VISUAL MODFLOW軟件，創建地下水系統的水文地質數值模型，以獲取場區周沖村組灰巖承壓含水層滲透系數、導水系數等水文地質參數。為灰巖地區承壓含水層水的水文地質參數精確預測提供一定的依據，本研究具有一定的理論和實踐意義。

1 工程概況

南京地鐵4號線一期工程線路西起龍江站，由南京主城一路向東，北繞紫金山，進入紫東地區，東至仙林湖站，全長34.008 km，設車站17座，車輛段1處(青龍車輛段)，主變電所2座。樺墅站-仙林東站區間設中間風井兼作盾構工作井1座，里程范圍為右DK42+050.533～右DK42+066.133，寬15.6 m，長23.8 m，工作井基坑底部深17.5 m，基坑開挖方式采用鉆孔灌注樁+水平內撐結合旋噴止水。見圖1。

圖1 工程場區位置示意圖

2 場區工程地質條件及水文地質特征

2.1 工程地質條件

試驗場地表層為可塑～硬塑狀Q4黏性土，厚度一般為8～23 m，下伏基巖為周沖村組灰巖和象山群砂巖，厚度較大；受地質構造和風化作用的影響，場地內基巖裂隙和溶蝕較為發育，巖石巖性、強度變化大。

區間風井位置處的主要地層為：①素填土(Q4)：黃灰～灰色，松散，以可～軟塑狀粉質黏土為主，夾少量碎石、植物根莖、磚屑等，厚度約1.00～1.20 m；②粉質黏土(Q43-2)：灰黃～黃灰，以可塑為主，局部軟塑，偶含腐植物碎屑，有光澤，干強度中等，韌性中等，無搖震反應，厚度約1.50～2.00 m；③粉質黏土(Q42-1)：灰黃～黃褐，可～硬塑，含鐵錳質結核和少量鐵質斑浸染，見青灰色高嶺土細脈和小團塊，局部偶夾鈣質結核，底部夾巖石碎塊，厚度約5.80～6.50 m；石灰巖(T2z)，灰色～灰紫色，層狀構造，巖芯呈短柱狀～柱狀，局部碎塊狀。局部為角礫狀灰巖。溶孔和溶蝕洞極發育，頂部呈蜂窩狀，洞內多被黏性土和風化巖塊沖填，往下充填物漸少，巖塊強度高，其中13.20～14.90 m、16.80～19.20 m、22.25～28.50 m、35.45～39.50 m、41.10～45.20 m段裂隙發育，巖芯破碎，其余段較完整，47.00～47.75 m為溶洞。

2.2 場區水文地質特征

場區水文地質條件較復雜，地下水類型齊全，孔隙裂隙水、巖溶裂隙水和孔隙潛水均有分布，各類地下水的水文地質特征如下：

孔隙潛水主要分布于地層淺部①素填土和②粉質黏土中，③粉質黏土為相對隔水層。補給來源主要為周邊基巖裸露接受大氣降水，以蒸發、側向徑流、下滲方式排泄。

基巖孔隙裂隙水主要分布于象山群砂巖基巖破碎帶和風化裂隙發育帶，具承壓性。補給來源為周圍山丘基巖裸露區的降雨入滲補給，由于受裂隙分布及相互連通條件的影響，徑流滯緩，具有一定的不均勻性，一般以側向徑流為主要排泄方式。

巖溶裂隙水主要分布于周沖村組灰巖巖溶孔洞、溶隙、裂隙內，具承壓性。地下水富水程度取決于巖溶及風化裂隙發育程度。試驗場巖體裂隙、溶隙、溶孔極為發育，鉆井施工中漏漿現象普遍，單井涌水量較大，富水性、透水性較好。據鉆探采芯表明，淺部溶孔、溶隙多被軟～流塑狀黏土充填。巖溶裂隙水補給來源為周圍山丘基巖裸露區的降雨入滲補給，沿破碎帶、節理裂隙密集帶匯集徑流，主要以地下徑流的形式排泄。巖溶裂隙水含水巖組為本次抽水試驗的目的層。

試驗場松散層主要為粉質黏土，孔隙潛水不發育。勘察期間，各鉆孔灰巖巖溶裂隙水穩定水位埋深3.62～4.40 m，水位標高11.08～11.14 m，水位受大氣降水影響變化較大。據勘察期間所測水位及臨近區域水文地質資料，灰巖巖溶裂隙水水位年變幅3 m左右。

根據場地工程地質勘察資料分析，區間風井場地在平面上基巖分布有二套地層，象山群砂巖和周沖村組灰巖，基本以區間風井的南界為分界線，北側為周沖村組灰巖，南側為象山群砂巖，見圖2。

圖2 工程場區基巖水文地質圖

3 現場抽水試驗

為準確確定場地灰巖的富水性及滲透性，采用抽水試驗與水文觀測試驗相結合的方法求取其水文地質參數，共布置1口抽水井，孔號為HX2，5口觀測井，觀測井分近南北和東西兩個方向布設。近南北方向平行于隧道，布設3口觀測井，距抽水井的距離分別為5、10和25 m，孔號分別為HX3、HX4、HX5；近東西方向垂直于隧道，布設2口觀測井，距抽水井的距離分別為10和20 m，孔號分別為HX6、HX7。抽水試驗井的平面位置示意見圖3，抽水孔和觀測孔參數見表1。3個降深的抽水試驗及水位恢復試驗共歷時42 d。

圖3 抽水孔和觀測孔平面示意圖

表1 觀測孔和抽水孔的試驗參數

采用非穩定流方法(同時兼顧穩定流方法)進行試驗，抽水設備為深井潛水泵，水位測量使用電子水位計，抽水主孔水位測量精確到厘米，觀測井中的水位測量精確到毫米。出水量采用水表或三角堰板測量，使用水表測量時讀數精確到0.1 m3，使用三角堰測量時讀數精確到毫米。

在試驗性抽水結束后、正式抽水前，觀測靜止水位。觀測時間間隔：每30 min或1 h觀測1次，連續4個測點變幅不大于2 cm，且無持續上升或下降趨勢，視為穩定。取最后4個測點的水位平均值作為靜止水位值。

對抽水井水位的觀測在正式抽水試驗開始后第0.5、1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各測一次，以后每隔30min測一次(當水位近似穩定后，每1h觀測1次)，直到水位降相對穩定；所有觀測井水位同步觀測。抽水試驗過程中保持相對穩定的抽水量。

抽水試驗結束，立即進行恢復水位觀測。抽水井在抽水停止后第0.5、1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、120 min各測一次，以后每隔30min測一次，直到水位穩定；所有觀測井水位同步觀測，直至基本完全恢復。恢復水位穩定標準與靜止水位觀測要求相同，并與抽水前靜水水位進行比較。

4 抽水試驗結果

抽水試驗采用非穩定流方法，抽水流量在3個降深抽水試驗階段均呈穩定狀態，見圖4，反映了場地地下水補給源穩定充足，抽水孔水位降深隨抽水時間的延續呈下降趨勢，一定時間后趨于穩定，抽水孔水位歷時曲線見圖5-圖9。綜合抽水試驗成果表明，場區周沖村組灰巖承壓含水層的富水性和滲透性較好，抽水結果為獲取含水層的滲透系數、導水系數、儲水系數、壓力傳導系數和降水影響半徑等水文地質參數提供了充足的基礎資料。

圖4 抽水孔HX2的3次降深流量變化曲線

圖5 抽水孔HX2第一次水位降深歷時曲線

圖6 抽水孔HX2第二次水位降深歷時曲線

圖7 抽水孔HX2第二降深水位恢復歷時曲線

圖8 抽水孔HX2第三次水位降深歷時曲線

圖9 抽水孔HX2第三降深水位恢復歷時曲線

5 水文地質參數計算

水文地質參數采用數值模型計算，在綜合分析工程區內工程地質、水文地質和地下水滲流場特征后，建立符合場區地下水滲流數值模型。并采用目前國際上流行的VISUAL MODFLOW軟件，直接在計算機上創建地下水系統的水文地質數值模型，并進行模型的校正與識別，進而得出研究區的水文地質參數。

5.1 水文地質概念模型

試驗地段巖層主要分布周沖村組灰巖，主抽水井地層0～1.20 m為①素填土(Q4)，1.20～2.60 m為②粉質黏土，2.60～8.80 m為③粉質黏土，8.80 m以下為周沖村組灰巖。根據巖土工程勘察資料，區間風井處基巖地質條件復雜，其北側為周沖村組灰巖，頂板埋深17.50～29.90 m；其南側象山群砂巖覆蓋在周沖村組灰巖之上，砂巖頂板埋深18.00～26.50 m，厚度3.90～14.00 m。由圖2可知，象山群砂巖地層(J1-2nx)與周沖村組灰巖地層(T2Z)在風井東南角處呈東南-西北向不整合接觸，象山群砂巖為弱透水含水層，灰巖為強透水含水層，因此區間風井的水源主要為西北向周沖村組灰巖巖溶裂隙水。仙林東站和樺墅站的前期勘察抽水試驗成果表明，象山群砂巖裂隙含水層滲透系數約為0.5 m/d，周沖村組灰巖地層滲透系數為26～70 m/d，為強透水層。與灰巖的滲透性相比，砂巖的滲透性相差很大，前者為后者的50～100倍，可視砂巖為相對隔水層。因此，本次抽水試驗重點計算周沖村組灰巖的水文地質參數。為了克服由于邊界的不確定性給計算結果帶來隨意性，本著定水頭邊界應遠離源、匯項的原則，通過試算，以基坑中心為起點，各向外擴展約1 600 m，即實際計算平面尺寸為3 200×3 200 m2，灰巖區域按定水頭邊界處理，砂巖區域邊界按隔水邊界處理，在地下水的減壓、疏干過程中，地下水流態為二維非穩定流。基坑內地下水的降壓、疏干井是唯一的源、匯項。

5.2 水文地質數學模型

根據上述概念模型，可建立下列與之相應的數學模型：

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z∈Ω)

(2)

H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t) (x,y,z)∈Γ1

(3)

式中：Ss為貯水率，1/m；k為滲透系數，m/d；H為點(x,y,z)在t時刻的水頭值，m；W為源匯項，1/d；t為時間，d；Ω為計算區；H0(x,y,z,t0)為點(x,y,z)處的初始水位，m；H1(x,y,z,t)為第一類邊界上的水頭值；Γ1為第一類邊界。

5.3 模型識別與驗正

將計算區在平面上剖分為100×100的矩形等距網格單元，單元數共10 000個，見圖10。平面上共分兩個含水層區域，即灰巖(T2z)含水層區和砂巖(J1-2xn)相對隔水層區，見圖11。抽水井的流量由實測獲得，見圖4可知，含水層的初始水位由實測給出，含水層初始水頭值由實測值經插值給出，邊界上的水力傳導系數及潛水弱含水層和象山群砂巖弱含水層的參數值結合仙林東站和樺墅站現場抽水試驗和室內實驗給出。根據本次工作第一、第二次降深及第二次降深恢復時段的抽水試驗成果，選取抽水過程作為模型的識別時段，水位恢復過程作為模型的驗證時段[8]。

圖10 研究區數值模型平面網格剖分圖

圖11 研究區數值模型參數分區圖

對5口觀測井進行水位擬合，經水位擬合和反演計算，求得含水層的水文地質參數，各觀測孔水位擬合曲線見圖12～圖16。從擬合結果來看，計算值和觀測值的總體變化趨勢一致，其參數可用于模型預報。

圖12 觀測孔HX3水位擬合曲線

圖13 觀測孔HX4水位擬合曲線

圖14 觀測孔HX5水位擬合曲線

圖15 觀測孔HX6水位擬合曲線

圖16 觀測孔HX7水位擬合曲線

5.4 水文地質參數計算

主抽水孔HX2第一次降深抽水試驗平均流量為68.8 m3/h，最大水位降深19.56 m，HX3、HX4、HX5、HX6、HX7這5個觀測孔水位最大降深分別18.14、11.53、7.13、11.40和6.19 m；主抽水孔HX2第二次降深抽水試驗平均流量為33.7 m3/h，水位降深11.20 m，HX3、HX4、HX5、HX6、HX7這5個觀測孔水位最大降深分別10.48、7.80、5.77、8.35和5.25 m；隨后進行恢復水位觀測。根據以上的數值模型，通過反演計算，求得周沖村組灰巖承壓含水層的水文地質參數，見表2。

表2 灰巖承壓含水層的水文地質參數

綜上所得，周沖村組灰巖承壓含水層的滲透系數k為11.1～14.9 m/d，導水系數T為360.75～484.25 m2/d，壓力傳導系數a為1.04×107～4.08×107，儲水系數μ為2.00×10-5～9.00×10-5，當抽水井降深為19.56 m時，影響半徑為703 m。可見，雖然各觀測孔離抽水主孔距離不同，但計算的參數差異較小，基本能代表該含水層的特性。因此，建議各項水文地質參數選用平均值，即周沖村組灰巖承壓含水層滲透系數k為12.9 m/d、導水系數T為418.6 m2/d、壓力傳導系數a為2.84×107、儲水系數μ為4.20×10-5。結果表明，樺仙區間風井地段抽水孔單井涌水量高，地層滲透系數大。建議在保證基坑支護安全的情況下，采用降水井方案進行地下水的降排。

6 結 論

1) 經鉆探揭示，樺仙區間風井地段地質條件復雜，其北側為周沖村組灰巖；南側象山群砂巖覆蓋在周沖村組灰巖之上，兩者屬不整合接觸。周沖村組灰巖承壓含水層是本次抽水試驗目的層位。根據鉆探資料和灰巖含水層的抽水試驗資料分析，灰巖含水層裂隙和溶蝕現象極為發育，淺部分布的溶孔、溶隙多被黏土充填，總體富水性和透水性好。

2) 根據本次工作第一、第二次降深及第二次降深恢復時段的抽水試驗成果，選取抽水過程作為模型的識別時段，水位恢復過程作為模型的驗證時段，對5口觀測井進行水位擬合，經水位擬合及反演計算，求得含水層的水文地質參數。從擬合結果來看，計算值和觀測值的總體變化趨勢一致，其參數可用于模型預報。

3) 根據抽水試驗成果，單井涌水量為68.8 m3/h，主抽水孔最大水位降深為19.56 m。經計算，基巖裂隙含水層平均導水系數418.6 m2/d，平均儲水系數4.20×10-5，平均滲透系數12.9 m/d；影響半徑在水位降深為19.56 m時約為703 m。建議在保證基坑支護的情況下，采用降水井方案進行地下水的降排。