穩(wěn)定流抽水試驗滲透系數(shù)的對比分析

王 烈，李開超

(1.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000;2.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院，陜西 西安710043)

在地下水埋藏較淺地段，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(dāng)，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(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)的。對西安地鐵四號線火車站車站穩(wěn)定流抽水試驗結(jié)果進(jìn)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(jìn)行綜合性評價。

1 試驗場地工程地質(zhì)概況

試驗場地位于太華南路和自強東路交叉口西北角，場地地貌屬于洪積二級臺地，場地地形平坦、開闊。主要含水層為黃土、粉質(zhì)粘土層，試驗場地附近沒有施工降水及地表水的影響。根據(jù)鉆探結(jié)果，抽水井在試驗深度范圍內(nèi)主要地層有4層，觀測井地層與抽水井地層一樣，地層結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 抽水井地層結(jié)構(gòu)

2 抽水試驗方案設(shè)計

根據(jù)場地含水層埋藏條件及地層巖性特征，本次采用潛水完整井穩(wěn)定流數(shù)學(xué)計算模型。本次試驗共布設(shè)鉆孔(井)7個，其中抽水井1個，觀測孔6個，觀測孔沿水流方向及垂直水流方向各布置3個，孔間距為10m，根據(jù)“孔深越過擬建線路底板深度不小于5m，盡量是完整井、最大落程滿足基底下1.0～1.5m降深要求”的原則，抽水孔和觀測孔深度均定為40m。抽水孔孔徑為800 mm，成孔后下入外徑600 mm的混凝土濾水管，井壁與管壁的環(huán)形間隙投入優(yōu)質(zhì)礫石，投礫石時實際礫面測量和計量同時進(jìn)行，投礫石至孔口以下3m，其上至井口段的環(huán)狀間隙填充黏土以封堵止水。觀測孔孔徑為600 mm，成孔后下入外徑500 mm的混凝土濾水管，井壁與管壁的環(huán)形間隙投入優(yōu)質(zhì)礫石，投礫石時實際礫面測量和計量同時進(jìn)行，投礫石至孔口以下3m，其上至井口段的環(huán)狀間隙填充黏土以封堵止水。

抽水試驗設(shè)計為3個落程，大落程為抽水試驗的最大降深(約24m)中落程和小落程分別為最大降深的2/3和1/3[6]

試驗前首先測定抽水井和觀測井的靜止水位，穩(wěn)定時間不小于8 h，從小落程到大落程逐次進(jìn)行抽水試驗，做下一落程試驗前須等靜水位恢復(fù)到試驗前靜止水位。試驗時對抽水井、觀測孔水位同步進(jìn)行觀測，試驗開始和結(jié)束均按照在第 1～6、8、10、15、20、25、30 min 觀測水位和流量的要求進(jìn)行。抽水試驗穩(wěn)定時間的長短，直接關(guān)系到抽水試驗質(zhì)量和資料的可用性。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，大、中、小落程抽水試驗穩(wěn)定時間分別定為 24、16、8 h。

本次試驗完成了三次降深，每次抽水降深對應(yīng)的數(shù)值見表1。

表1 抽水井與觀測井穩(wěn)定降深

3 多種方法計算滲透系數(shù)

3.1 單井法計算滲透系數(shù)

各種規(guī)范、手冊所推薦的單孔(抽水井)計算滲透系數(shù)公式雖表達(dá)形式不同，但最終計算結(jié)果相差較小。采用單孔法計算滲透系數(shù)，補給半徑的預(yù)測對計算精度的影響最為關(guān)鍵。本文滲透系數(shù)求取采用《抽水試驗規(guī)程》(YS5215－2000)5.3.8推薦的公式:

式中:k為滲透系數(shù);Q為抽水井涌水量;H為含水層厚度;S為抽水井水位下降值;R為影響半徑;r為抽水井半徑。

根據(jù)場地周邊抽水試驗資料及表2.1，分別取第一、二、三次降深引用補給半徑為60m、70m、80m，則分別計算的等效滲透系數(shù)分別為:1.98、1.19、1.17。

3.2 利用觀測井計算滲透系數(shù)

利用觀測孔計算滲透系數(shù)主要分為利用一個觀測孔和利用兩個觀測孔。普遍認(rèn)為該方法計算簡單，精度較高，比較可靠的一種方法。

利用兩個觀測孔計算滲透系數(shù)公式:

式中:S1、S2為水位下降值;r1、r2為距抽水孔距離。

若利用一個抽水孔和一個觀測孔計算時，只需將取為過濾器半徑。計算時分垂直水流方向和平行水流方向，分別選取垂直水流方向觀測孔兩兩組合和平行水流方向觀測孔兩兩組合進(jìn)行計算，將計算結(jié)果列于表2。

表2 利用觀測孔計算值

3.3 考慮井損計算滲透系數(shù)

在抽水試驗過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)主井的降深超過20m，而在距主井附近的觀測井的降深有時不超過1m，小降深抽水試驗井損還不明顯，而對于大降深的抽水試驗，井損是相當(dāng)明顯的，而工程上經(jīng)常會遇見降深較大的情況，所以，筆者在抽水試驗時，在距離抽水井10 cm邊上布置了井損孔，同時測量了井損孔的降深，本文在計算過程中考慮了井損，對抽水井降深進(jìn)行修正后。再采用(1)計算公式計算滲透系數(shù)(詳細(xì)論述見“多種計算方法確定黃土滲透系數(shù)的誤差分析”)。分別取第一、二、三次降深引用補給半徑為60m、70m、80m，則計算的等效滲透系數(shù)分別為:4.10(m/d)、2.84(m/d)、2.27(m/d)。

3.4 水位恢復(fù)法計算滲透系數(shù)

當(dāng)利用水位恢復(fù)速度計算滲透系數(shù)時，可在停止抽水后，降落漏斗逐漸恢復(fù)，從表示開始抽水到選定某一時刻為止的延續(xù)時間，t表示停止抽水后到選定時間的時間間隔，則滲透系數(shù)宜按式(3)計算，求出一系列與水位恢復(fù)時間有關(guān)的數(shù)值后，則可作k=f(t)曲線，根據(jù)此曲線，可確定近于常數(shù)的滲透系數(shù)值，如圖2。

圖2

采用(3)公式，分別計算出第一、二、三次降深對應(yīng)的等效平均滲透系數(shù)分別為2.54(m/d)、3.17(m/d)、3.82(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、消除井損計算法和水位恢復(fù)法對西安某地下車站段穩(wěn)定流抽水試驗結(jié)果進(jìn)行分析計算，通過上述幾種方法的計算比較，可以得出如下結(jié)論:

(1)采用多種計算方法，基本可以確定該段黃土等效滲透系數(shù)范圍在3.0～5.0(m/d)。

(2)單孔抽水試驗計算出的滲透系數(shù)偏小，與實際情況偏差較大。

(3)利用觀測孔計算方法得到的滲透系數(shù)與實際情況較為符合，水位恢復(fù)法可以作為參考。

(4)黃土層中較大落程抽水井損是比較明顯的，在水文地質(zhì)參數(shù)求取時應(yīng)該考慮井損對參數(shù)的影響。

(5)在求取巖土滲透系數(shù)時，應(yīng)對各個抽水試驗的過程進(jìn)行分析計算，綜合確定水文地質(zhì)參數(shù)，以免單個計算公式造成較大的誤差。因此，在進(jìn)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(zhǔn)確度。

[1]地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范(GB50307－1999).

[2]鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程(TB10049－2004，J339－2004).

[3]供水水文地質(zhì)試驗規(guī)范(GB50027－2001).

[4]抽水試驗規(guī)程(YS5215－2000).

[5]余學(xué)鵬，門妮.完整井穩(wěn)定流抽水試驗滲透系數(shù)的確定分析[J].鐵道勘察 2010，6:34 －36.

[6]DLJ203—81，水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程[S].