完整井抽水試驗(yàn)計(jì)算方法的可靠性分析

郭 輝

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春750000)

文章運(yùn)用不同方法理論就牡丹江江心島某工程滲透系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行對(duì)比、分析，對(duì)完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)的計(jì)算方法合理性提出可靠的結(jié)論［1］。

1 工程概況

該試驗(yàn)區(qū)為寧安市牡丹江夾心島，四面環(huán)水，為牡丹江河漫灘及一級(jí)階地，地勢(shì)起伏不大。河流由西向東流過。鉆探揭露地層巖性依次為［2］:

1)第四系全新統(tǒng)沖積層(alQ4):①含砂低液限黏土:黃色～灰黃色，濕，可塑，局部含有細(xì)砂夾層，厚度0.70 ～2.60 m，分布于試驗(yàn)區(qū)上部;②級(jí)配不良中礫:黃褐色，密實(shí)，飽水，含卵石約占10%，粗礫約占20%～30%，含細(xì)礫20%左右，余為中粗砂，礫石磨圓度好，多為火成巖，礫徑最大16 cm。厚度3.40～6.50 m，分布于試驗(yàn)區(qū)底部。

2)下伏白堊系泥砂巖，灰色～灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為長(zhǎng)石、石英和云母，局部夾有泥巖。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=0%～96%，巖體透水率q=20.49 Lu，為中等透水巖體。

3)地下水以第四系松散層孔隙潛水為主:①含水層巖性主要為級(jí)配不良中礫，含水層厚度0.90 ～7.50 m;②地下水位246.54 ～247.47 m。地下水接受大氣降水及河流補(bǔ)給，排泄以蒸發(fā)和側(cè)向徑流為主，與地表水有密切的水力聯(lián)系。

2 抽水試驗(yàn)布置及數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)采用完整井多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，沿水流垂直方向布置觀測(cè)孔3 個(gè)，分別離抽水孔5 m、10 m、20 m。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)情況設(shè)計(jì)2 次降深分別為1.50 m、2.00 m，實(shí)際抽水降深為1.31 m、1.71 m［3］。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 滲透系數(shù)計(jì)算

3.1 采用單孔法計(jì)算

目前對(duì)單井滲透系數(shù)的計(jì)算公式各種規(guī)范、手冊(cè)所表達(dá)形式雖各不相同，但最終結(jié)果相差較小。采用單井法計(jì)算滲透系數(shù)，影響半徑的預(yù)測(cè)對(duì)計(jì)算精度的影響最為關(guān)鍵［4］。

《抽水試驗(yàn)規(guī)程》(YS5215—2000)5.3.8 推薦的公式為:

周橋似乎意識(shí)到了作為管理者的不足，他去書店買了一大堆關(guān)于管理和人際關(guān)系的書籍，有些放在辦公室，有些放在床頭，閑來就看看。

式中:k 為滲透系數(shù)，m/d;Q 為抽水井涌水量，m3/d;H 為含水層厚度，m;S 為抽水井水位下降值，m;R 為影響半徑，m;r 為抽水井半徑，mm。

根據(jù)表1 及公式(2)取第1、2 次降深引用補(bǔ)給半徑為R=70m、R=80m，則分別計(jì)算的等效滲透系數(shù)分別為:k=113.37 m/d、k=63.62 m/d。

3.2 采用多孔法計(jì)算

采用觀測(cè)孔計(jì)算滲透系數(shù)主要分為單一觀測(cè)孔和利用雙觀測(cè)孔［5］。本次采用2 個(gè)觀測(cè)孔計(jì)算滲透系數(shù)公式為:

式中:S1、S2為水位下降值，m;r1、r2為距抽水孔距離，m。

計(jì)算結(jié)果見于表2。

表2 利用觀測(cè)孔計(jì)算值

3.3 采用水位恢復(fù)法計(jì)算

利用抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)資料計(jì)算滲透系數(shù)是水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算的重要方法，由于抽水達(dá)到穩(wěn)定以后，降落漏斗逐漸恢復(fù)，水位恢復(fù)不受抽水流量等因素的波動(dòng)影響，因而計(jì)算的參數(shù)值較準(zhǔn)確、可靠。

對(duì)于穩(wěn)定流完整井抽水實(shí)驗(yàn)，水位恢復(fù)法計(jì)算滲透系數(shù)采用以下公式:

式中:k 為滲透系數(shù)，m/d;Q 為抽水井涌水量，m3/d;M 為含水層厚度，m;mi為S—lgt 關(guān)系曲線拐點(diǎn)處的斜率;B 為越流因數(shù);r 為抽水井半徑，mm。

根據(jù)水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程(SL320—2005)附錄E 及表1，計(jì)算所得第1 次、第2 次降深所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)為:81.50 m/d、77.05 m/d［6］。

3.4 井損對(duì)滲透系數(shù)的影響

井損在抽水試驗(yàn)中主要產(chǎn)生于水流通過過濾器時(shí)，對(duì)主井降深超過20 m的大降深抽水試驗(yàn)有著較大的影響。本試驗(yàn)區(qū)含水層厚度為3.2 m，最大開挖基坑深度＜10 m，并且本試驗(yàn)最大降深＜20 m，故井損對(duì)滲透系數(shù)的影響較小不予考慮。

3.5 采用顆粒分析計(jì)算

滲透系數(shù)的影響因素很多，諸如介質(zhì)的類型、級(jí)配、孔隙比等。王萬杰、A.Shafiee 等人對(duì)滲透系數(shù)與砂土顆粒級(jí)配間的關(guān)系以及河床沉積物滲透系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了研究［7］。

作者根據(jù)相關(guān)理論對(duì)本試驗(yàn)區(qū)的級(jí)配不良中礫的土工試驗(yàn)成果d10=0.542 mm，根據(jù)(《工程地質(zhì)手冊(cè)》第4 版表3－1－23)礫砂的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為51.84 ～155.52 m/d，選用《工程地質(zhì)手冊(cè)》第4 版(3—1—54)砂土的滲透系數(shù)與有效粒徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式:

式中:K 為滲透系數(shù)，m/d;d10為顆粒的有效粒徑，mm;t 為滲透水的溫度，℃;C 為常數(shù)，黏土質(zhì)砂取500 ～700，純砂取700 ～1000。

該級(jí)配不良中礫的滲透系數(shù)為150.11 ～249.70 m/d，在試驗(yàn)區(qū)上覆含砂低液限黏土及下伏砂礫巖對(duì)該層滲透系數(shù)的影響較小可以不予考慮。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)鉆探資料，該區(qū)域建議滲透系數(shù)150 m/d?？梢娎猛凉べY料對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算完全滿足實(shí)際工程需要，安全系數(shù)在1.5 ～2，僅適合于很少的實(shí)際工程問題［8］。

4 結(jié)論及建議

通過單孔抽水法、多孔抽水法、水位恢復(fù)法及顆粒分析等多種方法分析和計(jì)算，得到的結(jié)論如下:

1)采用多種抽水計(jì)算方法和水位恢復(fù)計(jì)算法結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確，多孔抽水計(jì)算方法計(jì)算簡(jiǎn)單、精度較高，滲透系數(shù)與實(shí)際情況較為符合;水位恢復(fù)法結(jié)果準(zhǔn)確可靠性更高，但計(jì)算難度較大，選取參數(shù)難度較大。

2)單孔抽水試驗(yàn)計(jì)算出的滲透系數(shù)跨度大，受流量、降深以及預(yù)測(cè)半徑的影響嚴(yán)重，與實(shí)際情況偏差較大。

3)采用顆粒分析計(jì)算受取樣、實(shí)驗(yàn)等人為因素影響較大。在水文地質(zhì)參數(shù)的分析計(jì)算中，應(yīng)對(duì)相關(guān)抽水試驗(yàn)的過程逐步分析計(jì)算，采用不同的方法進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，確定合理的方法，避免單個(gè)計(jì)算公式造成較大的誤差。

［1］常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)(第4 版)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007:132－171.

［2］薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)(第2 版)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1997:107－120.

［3］房佩賢，衛(wèi)中鼎，廖資生.專門水文地質(zhì)學(xué)(第1 版)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1996:33－42.

［4］長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.SL320—2005 水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［5］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50027—2001 供水水文地質(zhì)試驗(yàn)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2001

［6］徐建國(guó).抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)資料分析方法的改進(jìn)［J］.地下水，1997(03):121－129+129.

［7］楊柳.楊正文.巖土工程勘察中抽水試驗(yàn)探討［J］.工程建設(shè)，2009，41(03):24－26+31.

［8］樊貴盛，邢日縣，張明斌.不同級(jí)配砂礫石介質(zhì)滲透系數(shù)的試驗(yàn)研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，43(03):151－156.