基于抽水試驗確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)計算方法

趙衍杰,張志超,王桂林,呂玉勇,董 健

(東營市勘察測繪院，山東 東營 257091)

1 概述

近年來，地下工程的開發(fā)和利用受到人們越來越多的關(guān)注，基坑降水是基坑工程施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是保證基坑順利開挖的關(guān)鍵[1-2]。在實際工程中，大部分基坑降水方案完全依靠經(jīng)驗，缺乏可靠的研究數(shù)據(jù)，對滲透系數(shù)、降水影響半徑等研究不足。本文通過現(xiàn)場抽水試驗計算滲透系數(shù)、影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)，對該地區(qū)地下空間含水層水文地質(zhì)參數(shù)計算有一定的積極影響。

2 現(xiàn)階段抽水試驗存在的問題

現(xiàn)階段，在開展水文地質(zhì)勘探工作的過程中，由于缺乏系統(tǒng)的、完整的工程勘探體系，對實際勘探效果有一定的影響。目前，勘探技術(shù)不夠先進，很多勘探單位一味追求速度，不做抽水試驗或做試驗不規(guī)范，從而對城市建設(shè)項目造成嚴(yán)重的負面影響。水文地質(zhì)勘探過程中，需要保證布孔測試、取樣和操作的規(guī)范性，使所得水文地質(zhì)參數(shù)與實際工程相符。

3 抽水試驗的目的

抽水試驗一般是通過在鉆孔或水井中抽水，從而確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)，了解水文地質(zhì)條件的野外現(xiàn)場試驗方法。

1)確定含水層及越流層的水文地質(zhì)參數(shù)。

2)通過測定井孔涌水量及其與水位下降(降深)之間的關(guān)系。

3)確定水位下降時漏斗的形狀、大小及其隨時間的增長速度。

4)查明場地水文地質(zhì)條件。

4 非穩(wěn)定流抽水試驗技術(shù)要求

一般來說只進行一次水位降深的抽水試驗。當(dāng)需要進行測定井損失時，需進行3次或3次以上的不同水位降深的抽水試驗，取每次抽水的相同累計時間的流量和動水位，繪制Q-s曲線。

1)抽水試驗延續(xù)時間。為滿足參數(shù)計算的需要，抽水試驗的延續(xù)時間應(yīng)根據(jù)觀測孔的水位降深與時間的半對數(shù)曲線。當(dāng)曲線出現(xiàn)拐點，抽水試驗應(yīng)延續(xù)到拐點以后的曲線平緩段，并能正確判斷出穩(wěn)定水位下降值時，即可結(jié)束抽水試驗；當(dāng)曲線不出現(xiàn)拐點，呈直線延伸，且其直線延伸段在lgt軸上的投影不少于2個對數(shù)周期時，可以結(jié)束抽水試驗；當(dāng)有觀測孔時，應(yīng)以最遠的觀測孔的曲線判定。

2)動水位與流量觀測。抽水試驗開始后應(yīng)同時觀測主孔動水位、出水量和各觀測孔的水位。水位觀測時間一般在抽水開始后的第1分鐘，3分鐘，5分鐘，7分鐘，10分鐘，15分鐘，20分鐘，30分鐘，45分鐘，60分鐘，90分鐘各測1次，以后每隔30 min觀測1次。5 h后，每1 h觀測1次，使每個觀測孔所得的水位觀測數(shù)據(jù)在s-lgt曲線上分布均勻。

從停抽時刻起，以上述抽水過程的時間間隔進行水位恢復(fù)觀測，直到水位恢復(fù)到自然水位為止。

5 抽水試驗實例

5.1 工程概況

東營鑫立方置業(yè)有限公司擬建東營農(nóng)高區(qū)農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)綜合樓項目，擬建工程位于東營農(nóng)業(yè)高新區(qū)生態(tài)科技城智慧路以南、枌榆路以東。擬建工程為1棟11層主樓及3層裙樓和一個地下車庫。本基坑面積約7 397 m2，周長約350.2 m，基坑開挖深度為5.2 m～5.8 m，基坑開挖深度范圍內(nèi)分別為①層素填土、②層粉質(zhì)黏土、③層粉土層、③夾層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，基坑底位于③層粉土層或③夾層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層之上。

5.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料[3-5]，場區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件描述如下：

該場地地形稍有起伏，該場區(qū)地貌單元屬于第四紀(jì)黃河三角洲沖積平原，四周高中間低。場地地下水類型屬于第四紀(jì)潛水，主要靠大氣降水補給，以大氣蒸發(fā)為主要排泄方式。開挖范圍內(nèi)①層素填土、②層粉質(zhì)黏土層和③層粉土層都是位于潛水含水層中。

場地人工填土厚度在1.0 m左右，由于密實度差，其間的大孔隙往往成為地下水的賦存空間，且連通性較好，富水性及透水性較好，屬弱透水層，雨季水量較豐富，為基坑開挖主要出水地層。

新近沉積的②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，飽含地下水，但給水性較差、透水性弱，屬微透水地層，③層粉土層，地下水含量豐富，給水性較好，透水性較強，屬于弱透水層。

東營地下水最高水位一般在7月～8月，最低水位多出現(xiàn)在旱季12月至翌年3月。2015年4月10日測得該場地地下水穩(wěn)定水位埋深為1.70 m～2.10 m，地下水位隨季節(jié)的變化而變化，其年水位變化幅度為0.50 m～2.00 m，歷年最高水位埋深為0.50 m。

5.3 抽水試驗方案

鑒于場區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為便于基坑工程設(shè)計、施工中對地下水處理有較準(zhǔn)確、可靠依據(jù)，根據(jù)相關(guān)要求進行現(xiàn)場抽水試驗。抽水試驗設(shè)計如下：

抽水試驗設(shè)計按基坑底標(biāo)高為-6.3 m進行，具體如下：

試驗井由5口管井組成，其中一口井為主抽水井，其余4口為觀測井，井間距為12 m，井深均為14 m。井的平面位置詳見圖1。管井類型為潛水非完整井。

試驗中采用非穩(wěn)定流抽水試驗，初步確定井內(nèi)初始水位控制在-3.60 m左右。同一組抽水試驗中，采用同一種工具和方法量測地下水位變化。抽水井、觀測井的水位測讀精度均為0.01 m。

5.4 試驗結(jié)果及分析

試驗自2015年10月16日21：40開始，至10月17日6:48完成主抽水井抽水試驗，從6:50開始至8:50完成主抽水井回水試驗，整個穩(wěn)定流抽水試驗結(jié)束。

1)抽水井穩(wěn)定最大降深為6.18 m，觀測井GC1降深1.14 m，觀測井GC2降深0.48 m，觀測井GC3降深0.19 m，觀測井GC4降深0.02 m。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制抽水井水位降深與試驗時間關(guān)系曲線如圖2所示。

從圖2可以看出隨著時間的增加，降深逐漸增加，最后穩(wěn)定在6.18 m左右。

2)時間與流量關(guān)系曲線。

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根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制抽水試驗時間與流量關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3可以看出隨著時間的增加，出水流量逐漸增加，時間與流量近似呈線性關(guān)系，即單位時間出水量是一定的。

3)滲透系數(shù)。

由于目前非完整井的穩(wěn)定流試驗水文地質(zhì)參數(shù)計算還不是很成熟，同時由于觀測井距離抽水井相對較遠，因此為了盡可能得到準(zhǔn)確的參數(shù)，根據(jù)抽水試驗規(guī)程，選擇了兩種計算方法計算滲透系數(shù)。

a.直線擬合法。擬合圖見圖4，擬合直線：y=1.621 77x+2.989 17，直線斜率為i=1.621 77。

導(dǎo)水系數(shù)：

對于潛水，計算公式為：

b.利用規(guī)范中潛水非完整井計算公式：

根據(jù)已測數(shù)據(jù)計算得到的滲透系數(shù)為1.0 m/d。

4)單位時間出水量。

圖5給出了抽水井的Q-s曲線，可以看出抽水井的流量與水位降深呈非線性關(guān)系，由圖5抽水井Q-t曲線，可以看出抽水井流量與時間呈線性關(guān)系，由此可以得到，抽水井的出水量為3.35 m3/h。

5)影響半徑。

根據(jù)抽水井及觀測井水位降深及井孔之間的距離，采用實地測量法確定影響半徑，公式法驗證影響半徑。在抽水井水位降深6.18 m，水位埋深控制在9.70 m時，與抽水井間距48 m的觀測井水位降深為2 cm。根據(jù)試驗結(jié)果，可確定此次抽水試驗影響半徑約為48 m。

利用經(jīng)驗公式驗證降水影響半徑:

由于觀測井降深較小，井間距較大，因此影響半徑的確定存在一定的誤差。

6 結(jié)語

本次抽水試驗按設(shè)計方案和有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求實施，通過對實驗數(shù)據(jù)的整理與分析，得到如下的結(jié)論和一些建議：

1)場區(qū)上部為相對不透水層，下部為中強透水層；其水位埋深在2.0 m左右，由東向西由于5口井在同一直線上，所以確定地下水的流向流速等分布還需要結(jié)合其他條件進行。

2)采用非完整井非穩(wěn)定流抽水試驗來確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，由于非完整井理論還不是很完善，本次試驗中滲透系數(shù)的計算采用兩種方法進行，最終綜合確定含水層的滲透系數(shù)為1.0 m/d。

3)在現(xiàn)有控制井內(nèi)控制水位下，降水的有效影響范圍很小。建議首先增大抽水泵的深度，其次增大降水井的降深。

4)本次試驗由于采用非完整抽水試驗，非完整井流的理論還很不完善，同時場地地層條件復(fù)雜，潛水含水層的空間變異較大，因此試驗計算成果存在一定的誤差，需要在下一步的工作中根據(jù)具體現(xiàn)場情況進行修正。