對《建筑與市政工程地下水控制技術規范》的幾點商榷

尚許雯，尚銀生

(1.山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032；2.山西省勘察設計研究院有限公司，山西 太原 030013)

2017年3月實施的JGJ 111—2016《建筑與市政工程地下水控制技術規范》[1]，將原規范[2]適用范圍降水工程擴展為地下水控制工程，增加了隔水帷幕、回灌、監測的設計和施工相關規定，對有關內容進行了大量的合并、修改、補充和完善；明確了強制性條文“地下水控制工程不得惡化地下水水質，導致水質產生類別上的變化”。但其中個別基本概念、有關地下水滲流的部分計算公式仍有待商榷。

1 關于鉆孔注水試驗滲透系數計算時利用的形狀系數

JGJ 111—2016推薦的鉆孔常水頭注水試驗的滲透系數計算式為

(1)

式中，K—土的滲透系數，cm/s；Q—穩定水流量，cm3/ s；F—形狀系數，cm；H—試驗水頭，cm。

顯然，JGJ 111—2016附錄A簡圖示意的水文地質概念模型都屬于半無限厚含水層中的非完整井，含水層很厚，從而近似地忽略了隔水底板對水流的影響，因而在實際工程應用中存在一定的局限性；否則，還應考慮隔水底板的影響，將含水層作為有限厚來處理。

即便以半無限厚含水層來處理，根據滲流理論，以井底進水、井底與井壁同時進水的承壓水非完整井為例，其流量計算公式相應為[3-6]：

Q=2πKrs

(2)

(3)

式中，r—井半徑，cm；s—水位降深，cm；其他符號意義同上。

同樣都是以達西定律為基礎，假定含水層半無限厚等推導而來，但井底進水時兩者形狀系數差別較大；井壁進水時兩者比較接近。因此，有必要探尋問題的根源及更為恰當的滲透系數計算公式。

無論是井底進水的潛水、承壓水含水層，還是井底、井壁同時進水的潛水、承壓水含水層，它們都是半徑為r的鉆孔，形狀相同，進水條件相同，似乎形狀系數應該相同但卻不同。因為它實際上包含了眾多試驗條件。即利用同樣的公式[式(1)]，只是用不同的形狀系數，來反映不同的水力性質——潛水或承壓水；來反映不同的進水條件——井底進水、井底與井壁同時進水；來反映半無限厚含水層滲流特征，顯然有些簡單化。何況，雖然稱之為形狀系數，但量綱卻是長度，或者說，以長度量綱反映形狀至少還不夠確切。因此，形狀系數不是一個恰當的術語。SL 345—2007《水利水電工程注水試驗規程》對其定義為反映鉆孔注水試驗段邊界條件的參數，其中明顯包含了水文地質信息?；蛟S，直接根據地下水動力學滲流理論及水文地質試驗、數值模擬的利用，能夠得到更為適宜的、相應水文地質條件下的滲透系數計算公式。

2 關于井壁允許出水能力及單井出水能力

(1)JGJ 111—2016中5.3.7節規定管井過濾器長度宜與含水層厚度一致。當含水層較厚時，過濾器的長度可按下式計算確定：

q=π·d·ne·v·l

(4)

該式利用的濾水管進水流速是吉哈爾特經驗公式，進而計算單井出水量，而吉哈爾特經驗公式是根據含水層巖性特征，來計算井壁進水流速，并以此來確定單井出水能力。因此，式(4)不僅將(設計)單井出水量與單井出水能力、也將濾水管進水流速與井壁允許進水流速混淆在一起。

(2) 附錄C.0.5中降水管井的單井出水能力按下式確定：

(5)

式中，r—過濾器半徑，m；k—土的滲透系數，m/d。

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3 非完整井向完整井的轉化條件

JGJ 111—2016中條文解釋4.2.3節中提到：對于巨厚含水層，水位降深與含水層厚度相比較小時，可轉化為完整井計算。

在含水層很厚或埋藏較深的地區，由于受經濟技術條件限制或因含水層部分厚度就能滿足工程的要求，常采用非完整井開采地下水，或降低地下水水位。按過濾器在含水層中的進水部位不同，非完整井分為井底進水、井壁進水、井壁和井底進水三類。地下水流向非完整井的水流形式與完整井的水流形式不同，流向非完整井的地下水流為三維流，而且，當其他條件相同時，非完整井的流量小于完整井的流量。再者，水量計算時必須考慮過濾器在含水層中的位置和頂底板對水流狀態的影響，如果含水層很厚，則可以近似地忽略隔水底板對水流的影響，按半無限厚含水層來考慮，以半無限厚含水層中的非完整井、井壁進水的潛水非完整井為例，

(6)

當水位降深與含水層厚度相比較小時，它依然是一個不完整井井流計算公式，因為在這個井壁進水的潛水非完整井公式中，由于含水層很厚,利用的是過濾器長度，未涉及含水層厚度。

當水位降深與過濾器長度相比較小時，上式可簡化為

(7)

式中，R—影響半徑。

4 關于非穩定流狀態下的影響半徑

JGJ 111—2016中4.4.4條提出：降水影響半徑的確定可按下式計算：

(8)

非穩定流理論中，無論是Theis公式還是Jacob公式，本身不包含影響半徑的概念，因此，理論上講，在無限延伸的無越流補給的含水層中是不存在影響半徑的。

將用于承壓水計算的Jacob簡化式(式9)與穩定流理論Dupuit公式(式10)作對比，即

(9)

(10)

將用于潛水水量計算的Jacob簡化式(式11)與穩定流理論Dupuit公式(式12)作對比，即

(11)

(12)

都可得出上述結論。然而對于非穩定流理論，無論是Theis公式還是Jacob公式等，都可以直接計算任何位置、任何時間的降深，因而再計算所謂的影響半徑無任何意義。如JGJ 111—2016中式(E.0.1-1)、式(E.0.1-3)雖然沒有影響半徑這個參數，但已經進行了有關水位的預測。

5 其他

(1)JGJ 111—2016中2.2節符號中，T為導壓系數，應為導水系數，而且似乎沒有必要在此列出，因為JGJ 111—2016中并沒有直接利用該系數。

(2)式(C.0.3-1)、式(C.0.3-2)中常用對數應為自然對數。

(3)條文解釋4.5.1節、4.5.2節中L3應為L4。

(5)式(E.0.2-1)、式(E.0.2-2)與表B.0.5中線狀基坑涌水量計算公式本質相同，只不過前者根據水流連續性原理利用已知一個斷面的位置與水頭等來計算所求斷面的水位降深。因此，附錄E.0.2“條狀……”應該為“線狀……”。

6 結論

由于地下水控制工程的復雜性及人工地基對水文地質條件的改變，需要相應的理論公式或經驗公式來盡可能正確地反映地下水滲流特征[8]，簡單化的形狀系數難以響應。當有利用三維流理論解決問題的條件時，盡可能不利用平面二維流理論；當有利用非穩定流理論解決問題時，盡可能不利用穩定流理論，并盡可能利用數值法。因而JGJ 111—2016應包括相應鼓勵性研究型條款。