海上抽水試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)探討

李友龍

(江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,江蘇 淮安 223005)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,海上建設(shè)項(xiàng)目在逐年增加,海上抽水作為海上巖土工程勘察的一種必備手段,在海上基坑工程應(yīng)用中越來(lái)越廣泛,但海上抽水試驗(yàn)不同于陸域抽水試驗(yàn),試驗(yàn)周期長(zhǎng)、要求高、試驗(yàn)技術(shù)難度大,每一個(gè)環(huán)節(jié)把握不好都會(huì)造成試驗(yàn)的失敗。因此,筆者根據(jù)近幾年的抽水試驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn),列舉了海域抽水試驗(yàn)過(guò)程中影響抽水試驗(yàn)的主要因素以及采取的一些關(guān)鍵技術(shù),對(duì)同類工程具有一定的借鑒作用。

2 影響海上抽水試驗(yàn)主要因素

海上抽水試驗(yàn)要求高、要求船體穩(wěn)定性要好,稍有不慎便前功盡棄。影響海上抽水試驗(yàn)主要因素有：

(1)海上試驗(yàn)停留時(shí)間長(zhǎng)、距岸邊遠(yuǎn)、潮汐及氣候影響因素大;

(2)抽水孔止水困難;

(3)涌浪影響護(hù)管的安裝;

(4)抽水過(guò)程中數(shù)據(jù)采集受涌浪影響較大。

3 海上抽水試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)探討

抽水試驗(yàn)前要認(rèn)真籌備各種試驗(yàn)材料和設(shè)備,首先要做好試驗(yàn)前現(xiàn)場(chǎng)的踏勘工作,了解調(diào)查施工水域的海況、水流水文條件,漲落潮時(shí)長(zhǎng)、潮差,同時(shí)還要了解場(chǎng)區(qū)地層巖性和分布埋藏特征,查清含水層的巖性厚度等特性。以下針對(duì)海域抽水試驗(yàn)關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)進(jìn)行探討,并提出相應(yīng)的對(duì)策措施：

3.1 保證平臺(tái)穩(wěn)定性

3.1.1 施工船只的選擇

首先是鉆探船的選擇,船的大小決定了船體上的作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性,針對(duì)上述情況應(yīng)有針對(duì)性地進(jìn)行配置適合的施工船只,船只宜選用載重量大(約 1 000噸)、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)的的工程船作為施工船,保證在一般天氣下能夠正常施工,吃水較深、有自航能力,船長(zhǎng)宜在 30 m左右,寬宜在 8m左右,施工船艙內(nèi)用配載壓艙至安全吃水線,避免船體浮在水面上受波浪影響晃動(dòng),影響平臺(tái)的穩(wěn)定。另需配備有大功率有絞錨機(jī)的拖船作輔助用船。

并建議租用 1～2艘監(jiān)護(hù)船,對(duì)施工船外圍進(jìn)行維護(hù)和護(hù)航,提前通知過(guò)往的大型船只減速慢行,減小波浪對(duì)施工平臺(tái)的沖擊影響。

3.1.2 水上平臺(tái)搭建

考慮到施工水域可能的惡劣氣候、水文條件,勘探宜采用旁側(cè)式鉆探平臺(tái),但也有內(nèi)置式平臺(tái),側(cè)式平臺(tái)的孔口槽板要求拆卸方便,以便遇緊急情況撤離,可通過(guò)松緊四端的錨繩便能使船只離開(kāi)護(hù)孔套管,也便于船只靠近套管,方便連續(xù)施工作業(yè)。側(cè)式平臺(tái)一般平臺(tái)外伸 3.0 m,長(zhǎng)寬均約6m,下懸掛副平臺(tái),兩平臺(tái)上、下距離 2.0 m,便于下護(hù)管時(shí)連接套管。槽鋼與船體應(yīng)過(guò)通焊接連接,關(guān)鍵位置加固,上平臺(tái)面用厚度 50mm的木質(zhì)地板鋪設(shè)、固定,下平臺(tái)面用鋼絲網(wǎng)鋪設(shè),上下平臺(tái)配備必要的防護(hù)欄桿。

3.1.3 鉆機(jī)水泵等設(shè)備的調(diào)試

鉆機(jī)宜選擇的鉆深能力超過(guò) 300 m大功率鉆機(jī),如XY-4型鉆機(jī)(鉆深 1 000m),便于起拉較重的鉆具、護(hù)孔套管等設(shè)備,如船只自帶大型起吊機(jī)械更好,配備雙缸如 BW-200/40泥漿泵,以 S495、S295型柴油機(jī)作機(jī)械動(dòng)力,一臺(tái)電焊機(jī)及氣割設(shè)備,兩臺(tái)發(fā)電機(jī);抽水試驗(yàn)前應(yīng)做好孔內(nèi)材料：如濾管、花管、濾料、粘土球、空壓機(jī)、水泵等各種材料的準(zhǔn)備工作。

其它抽水試驗(yàn)配備儀器設(shè)備有深井潛水泵(理論出水量宜超過(guò)估算的最大降深的涌水量)、水表、電子水位計(jì)、三角堰等儀器設(shè)備。

3.2 止水效果

海上抽水試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)之一是止水效果,止水效果的好壞直接影響抽水試驗(yàn)的成敗,一般是通過(guò)下多層護(hù)管來(lái)解決海水與含水層的隔離,達(dá)到止水目的;一般來(lái)說(shuō),由于護(hù)管直徑大,重量大,通過(guò)鉆機(jī)起吊難度較大,多采用吊機(jī),一般船只均自帶大型起吊機(jī)械。

為解決潮汐及不良天氣的的影響,保證隔水效果,抽水井多使用 2～3層護(hù)管,最外層鋼管做活動(dòng)保護(hù)套管,其內(nèi)二層鋼管作隔水保護(hù)套管,最里一層一般為口徑φ168 mm鋼管作為抽水井管。抽水井采用橋式過(guò)濾器,該過(guò)濾器的優(yōu)點(diǎn)是：一、橋式過(guò)濾器的特殊結(jié)構(gòu)使得礫石不易阻塞孔眼,有較高的過(guò)水能力。二、橋式濾水管的特殊孔形結(jié)構(gòu)起到了增強(qiáng)濾水管機(jī)械強(qiáng)度的效果,具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。三、連接方式多樣化,下管操作方便,適于野外生產(chǎn)。

連接方式：抽水主井先用船上大型吊機(jī)將 φ377 mm和φ325 mm的保護(hù)套管垂直下入土中,要保證井管垂直居中,由震動(dòng)機(jī)壓入土中,接著用 φ168 mm三翼螺旋合金鉆頭掃孔,再用 φ270mm三翼螺旋合金鉆頭擴(kuò)孔,孔深到設(shè)計(jì)深度后按地層分別下入 φ168mm沉淀管、濾水管和實(shí)管。

這里需要一提的是,由于鉆機(jī)壓力較?。鹤o(hù)管進(jìn)入隔水地層是通過(guò)配備一臺(tái)振動(dòng)器,通過(guò)振動(dòng)器下 377 mm、φ325 mm護(hù)管時(shí),使護(hù)管與隔水層震動(dòng)緊密;二層護(hù)管之間采用粘土球及海帶止水,克服潮汐影響。

試驗(yàn)止水效果可從三個(gè)方面進(jìn)行分析。

(1)各組井的地下水與海水水質(zhì)進(jìn)行分析,如對(duì)比水的溶解性總固體指標(biāo)、水的 pH值和其它指標(biāo),差異性很大,說(shuō)明止水效果較好。

(2)地下水靜止水位與海水水位的差異性。差異性主要表現(xiàn)在：海水與地下水同時(shí)受潮汐的影響。地下水水位由于受到壓力傳導(dǎo),變化滯后于潮汐變化。

(3)地下水的水溫與海不水溫不同,可通過(guò)水的測(cè)溫來(lái)解決。

3.3 鉆孔成井質(zhì)量

觀測(cè)井施工時(shí)先采用全斷面取芯。通過(guò)對(duì)地層的分析,確定含水層的位置和厚度,計(jì)算濾水管和實(shí)管的下管位置、長(zhǎng)度、填礫方量及止水位置。

觀測(cè)井施工時(shí)先用鉆機(jī)將 φ139護(hù)管垂直壓入土中,并用鉆機(jī)壓至設(shè)計(jì)位置。用 φ91帶合金鉆頭巖芯管擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)位置,下沉淀管、濾水管和實(shí)管,觀測(cè)井采用干海帶、粘土球止水,海帶包扎長(zhǎng)度約 10m,在實(shí)管上設(shè)計(jì)位置纏海帶進(jìn)行止水,在海帶以上填粘土球至護(hù)管高度。

觀測(cè)井先用 φ42鉆桿帶沖水頭進(jìn)行洗井,在水質(zhì)變較清時(shí)改用空壓機(jī)洗井,并洗至水清砂凈。

主井管下好后先進(jìn)行換漿,然后將選配好濾料礫石采用動(dòng)水方式連續(xù)、均勻投入井管四周環(huán)狀間隙,不得猛增猛減,防止濾料在孔內(nèi)架橋。在填礫過(guò)程中做到隨填隨測(cè)填礫深度(用細(xì)輕型管下探),發(fā)現(xiàn)礫石中途堵塞便停止填入,并進(jìn)行排除。濾料礫石一般超過(guò)濾水管頂部 2～3 m。濾料采用礫石(φ1 cm),顆粒均勻,不含泥質(zhì)雜物。

濾料填至設(shè)計(jì)深度后,用直徑 2～3 cm優(yōu)質(zhì)粘土球進(jìn)行止水密實(shí)回填至護(hù)管面,每隔一段要搗實(shí)。

井管和濾料下完后,采用活塞、沖水頭聯(lián)合洗井法及時(shí)反復(fù)進(jìn)行了洗井,直到水清砂凈為止

洗井結(jié)束后,安裝泵管,進(jìn)行試驗(yàn)性抽水,其降深逐漸增大,達(dá)到最大降深后的持續(xù)時(shí)間 2小時(shí)。試驗(yàn)性抽水主要目的是確定穩(wěn)定流抽水的最大降深。試驗(yàn)性抽水過(guò)程中,同時(shí)觀測(cè)抽水井、觀測(cè)井的水位變化情況。如結(jié)果出現(xiàn)主井出水量大,觀測(cè)井反映靈敏,則表明本次施工的試驗(yàn)井成井質(zhì)量較好。

3.4 數(shù)據(jù)的采集校準(zhǔn)

為保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,水位和水量觀測(cè),宜采用不同的方法進(jìn)行校核,水位的量測(cè),可采用自動(dòng)記錄儀采集,同時(shí)采用測(cè)深儀和測(cè)繩進(jìn)行測(cè)量對(duì)比校正;水量的測(cè)量,以水表讀數(shù)為主,在海面平靜時(shí),可采用三角堰進(jìn)行讀數(shù)對(duì)比。

按要求宜進(jìn)行了地下水水溫、海水水溫及氣溫的觀測(cè),觀測(cè)的時(shí)間及方法應(yīng)符合規(guī)范的要求。

在抽水過(guò)程中,要及時(shí)進(jìn)行了資料整理(海水位、抽水主井和觀測(cè)井地下水歷時(shí)曲線,Q—S曲線,q—s曲線等),以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,及時(shí)解決。同時(shí)及時(shí)對(duì)抽水試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督、檢查。通過(guò)自檢和監(jiān)督、檢查,能更好地保證抽水試驗(yàn)的質(zhì)量。階段性成果主要包括：

(1)采用穩(wěn)定流方法進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)結(jié)合非穩(wěn)定流法計(jì)算要求進(jìn)行觀測(cè)。

(2)用水位觀測(cè)儀測(cè)量海水位變化。用水表讀取涌水量。

(3)抽水降深：對(duì)每組試驗(yàn)井宜進(jìn)行三個(gè)降深抽水試驗(yàn)。

(4)靜水位觀測(cè)：在試驗(yàn)性抽水結(jié)束后、正式抽水前,觀測(cè)靜止水位。

(5)動(dòng)水位、出水量觀測(cè)按非穩(wěn)定試驗(yàn)的要求進(jìn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中量測(cè)水溫、氣溫。

(6)抽水試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間：當(dāng)潮水位與地下水位變化趨勢(shì)一致且差值保持在一常量時(shí),即視為地下水位相對(duì)穩(wěn)定。涌水量波動(dòng)值(最大與最小涌水量之差)不宜超過(guò)平均流量的 5%。水位和水量只在上述范圍內(nèi)波動(dòng),沒(méi)有持續(xù)上升或下降的趨勢(shì),可視為穩(wěn)定。

(7)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間：三個(gè)降深分別為不小于 12—8-8h。

恢復(fù)水位觀測(cè)：按非穩(wěn)定流要求進(jìn)行觀測(cè)。

(8)水樣采集：在觀測(cè)井洗井結(jié)束前取地下水水樣,做簡(jiǎn)分析。抽水主井在抽水試驗(yàn)結(jié)束前取地下水樣,并同時(shí)取海水樣,做簡(jiǎn)分析和侵蝕性 CO2,并進(jìn)行資料對(duì)比。

4 計(jì)算模型的選擇

根據(jù)已有的地質(zhì)資料,明確含水層(抽水試驗(yàn)?zāi)康膶?的巖性和埋藏特征,如層位的穩(wěn)定情況、巖性的均勻情況、上部隔水層的度度;確定邊界距抽水井遠(yuǎn)近,確定抽水試驗(yàn)組數(shù),含水層水頭壓力,是否具有承壓性。本次試驗(yàn)是采用完整井還是非完整井試驗(yàn)等等。

主要水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)和影響半徑,其計(jì)算方法較多,穩(wěn)定流計(jì)算一般可采用單井計(jì)算、有一個(gè)觀測(cè)孔的計(jì)算、有二個(gè)觀測(cè)孔的計(jì)算方法;非穩(wěn)定流方法有直線斜率法、降深—時(shí)間配線法和迭代計(jì)算法等。最后通過(guò)綜合分析比較后給出場(chǎng)區(qū)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)建議值。

5 結(jié)語(yǔ)

影響抽水試驗(yàn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)主要是確保施工作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性,保證鉆孔成井質(zhì)量,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集要真實(shí)可靠,計(jì)算模型的選擇要符合自然條件和客觀實(shí)際。

[1]江蘇省水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察院.港珠澳大橋抽水試驗(yàn)報(bào)告[R].江蘇省水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察院,2009,8

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50027-2001)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2001.9

[3]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程(SL 320-2005)[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2005.6