完整井穩(wěn)定流抽水試驗滲透系數(shù)的確定分析

余學鵬 門 妮

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司, 北京 100055； 2.防災科學技術(shù)學院, 河北廊坊 065000)

在地下水埋深較淺的地段,地下車站、區(qū)間隧道施工受地下水影響非常大,若工程降水不當,極易造成邊坡和圍巖失穩(wěn),引起工程安全事故。而合理的工程降水設(shè)計,是以準確的水文地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)的。對鄭機線地下車站穩(wěn)定流抽水試驗結(jié)果進行全過程、多方法分析計算,剔除異常計算值,對含水層滲透系數(shù)進行綜合性評價。

1 工程地質(zhì)概況

場地地貌屬于平原區(qū),場地地形平坦、開闊。主要含水層為粉、細砂及粉土層, 含水層底板埋深為20.9 m,含水層厚18.02 m。場地南側(cè)有一排污溝,距離抽水孔約40 m左右,溝內(nèi)污水水質(zhì)較差,色黑,有臭味。抽水孔地層結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 抽水孔地層結(jié)構(gòu)

2 抽水試驗設(shè)計及結(jié)果

本次采用帶觀測孔完整井穩(wěn)定流抽水試驗,布置觀測孔3個,分別距離抽水孔8 m、20 m、40 m。

根據(jù)水泵的出水能力,初步設(shè)計3次降深分別為5.9 m、3.4 m及1.4 m,試驗實際降深為5.86 m、3.32 m和1.38 m。各觀測孔降深詳見圖2和表1。

圖2 第一次降深各觀測孔Δh2-T曲線

圖2中，AB段為積分指數(shù)函數(shù)曲線段；BC段為無越流及管壁阻力的影響,一般宜作K、a、μ的計算段；CD段為越流偏離段。

表1 各孔降深對照 m

3 滲透系數(shù)計算

3.1 單孔計算

不同規(guī)范、不同手冊所推薦單孔計算公式雖表達形式不同,但是最終計算結(jié)果是一致的。影響其計算精度的關(guān)鍵在于引用補給半徑的預測。本文根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049—2004)8.2.1-4進行計算

式中K——滲透系數(shù)/(m/d)；

Q——出水量/(m3/d)；

H——自然狀況下潛水含水層厚度/m；

h——潛水含水層抽水試驗時厚度/m；

Ry——引用補給半徑/m；

r——過濾器半徑/m。

由表1,分別取第一、二、三次降深引用補給半徑為60 m、50 m和40 m,則分別計算出的等效滲透系數(shù)分別為：2.83 m/d、2.97 m/d和1.97 m/d。

3.2 利用觀測孔計算

利用觀測孔計算方式主要分為利用一個觀測孔和利用兩個觀測孔。普遍認為該方法為計算簡單,精度較高,比較可靠的一種方法。

利用兩個觀測孔計算影響半徑和滲透系數(shù)公式

式中S1、S2——水位下降值；

r1、r2——距抽水孔距離；

若利用一個抽水孔和一個觀測孔計算時,只需將r1取為過濾器半徑。

考慮到40 m處的觀測孔幾乎無降深,僅選用抽水孔(w孔)和8 m(1孔)、20 m(2孔)三個孔進行兩兩計算,見表2。

根據(jù)表1中的1、2、3號觀測孔的降深和表2中影響半徑計算值,可以得到：w-1組合影響半徑值偏小,滲透系數(shù)偏小；1-2組合影響半徑值偏大,滲透系數(shù)偏大；唯有w-2中降深為3.32 m時,與根據(jù)表1預測影響半徑較符合,滲透系數(shù)可靠性較高。

表2 利用觀測孔計算值

3.3 水位恢復法計算

為了簡便計算,采用Jacob直線圖解法。該方法可以充分利用抽水后期的所有資料,但是,必須滿足u≤0.01或放寬精度要求u≤0.05,即只有在r較小,而t值較大的情況下才能使用；否則,抽水時間短,直線斜率小,截距值小,所得的T值偏大。

將Theis公式轉(zhuǎn)換為

式中T——導水系數(shù)；

μ*——貯水系數(shù)；

u——流速。

由上可以看出,s-lgt呈線性關(guān)系,繪制s-lgt圖(圖3),取其直線段作為計算段落,計算結(jié)果見表3。

圖3 水位恢復S*-T*曲線

表3水位恢復法計算值

降深T/(m2/min)K/(m/d)u第一次降深0.03572.860.0087第二次降深0.07596.060.29

通過圖3和表3很容易判斷,第二次降深水位恢復直線段太短,很快進入越流偏離段,計算誤差非常大。而第一次降深,計算直線段長,且滿足u≤0.01條件,其計算值可靠。

3.4 滲透系數(shù)經(jīng)驗值計算

對于不同巖層的滲透系數(shù),國內(nèi)已經(jīng)有了準確的定量評價范圍,各種規(guī)范、手冊其所提供數(shù)值范圍相差不大,見表4。

表4 各層巖土滲透系數(shù)經(jīng)驗值

注：《工程地質(zhì)手冊》滲透系數(shù)是根據(jù)冀、豫、魯、蘇北、淮北、北京等省市平原地區(qū)部分野外試驗資料綜合。

根據(jù)表2中《地下軌道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》和《鐵路工程地質(zhì)手冊》,結(jié)合各土層狀態(tài),取粉砂、粉土和細砂滲透系數(shù)分別為1.0 m/d、0.5 m/d和5.0 m/d,得等效滲透系數(shù)K為

根據(jù)表4中《工程地質(zhì)手冊》,結(jié)合各土層狀態(tài),取粉砂、粉土和細砂滲透系數(shù)分別為2.0 m/d、0.2 m/d和6.0 m/d,得等效滲透系數(shù)K為3.04 m/d。

4 結(jié)論及建議

通過單孔抽水計算方法、利用觀測孔計算方法、水位恢復法和經(jīng)驗值法四種方法,對鄭機線地下車站段穩(wěn)定流抽水試驗結(jié)果進行分析計算,基本可以確定該段等效滲透系數(shù)范圍在2.90～3.00 m/d。

通過上述幾種方法的計算比較,可以看出：被普遍認為精度較高的利用兩個觀測孔計算方法,其計算值卻存在著較大差異。因此,在分析計算時,應(yīng)對各個抽水試驗的過程進行分析計算,綜合確定水文地質(zhì)參數(shù)值,以避免單個計算公式造成的巨大的誤差。因此,在進行滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)計算中,采取多種方法綜合分析,可有效提高測試結(jié)果的準確度。

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