非均質(zhì)地層抽水試驗(yàn)中滲透系數(shù)計(jì)算方法研究

王 迪

(福州市勘測(cè)院 福建福州 350003)

非均質(zhì)地層抽水試驗(yàn)中滲透系數(shù)計(jì)算方法研究

王 迪

(福州市勘測(cè)院 福建福州 350003)

滲透系數(shù)是評(píng)價(jià)地層滲透性和地下水水量的重要參數(shù)。以福州軌道交通2號(hào)線某車站的抽水試驗(yàn)為例，分析在非均質(zhì)地層中的抽水試驗(yàn)中，按穩(wěn)定流帶不同觀測(cè)孔的各公式和水位恢復(fù)法公式分別計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)。結(jié)果表明，采用穩(wěn)定流公式計(jì)算的滲透系數(shù)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，采用水位恢復(fù)法的計(jì)算結(jié)果偏大。按穩(wěn)定流計(jì)算滲透系數(shù)的結(jié)果對(duì)降深敏感程度的規(guī)律是：?jiǎn)慰?主孔+1個(gè)觀測(cè)孔<主孔+2個(gè)觀測(cè)孔，主孔<觀測(cè)孔。對(duì)含水層為非均質(zhì)地層的沿海地區(qū)，按穩(wěn)定流、單孔或帶1個(gè)觀測(cè)孔等相對(duì)“粗獷”的公式求得的水文地質(zhì)參數(shù)更可靠，而按帶2個(gè)觀測(cè)孔的公式求得的水文地質(zhì)參數(shù)容易出現(xiàn)異常。

非均質(zhì)地層；抽水試驗(yàn)；滲透系數(shù)；準(zhǔn)確性；敏感性

0 引言

滲透系數(shù)K值是評(píng)價(jià)地層滲透性和地下水水量的重要參數(shù)，對(duì)基坑降水方案的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。抽水試驗(yàn)是獲取K值的主要方法，要獲得較準(zhǔn)確的K值，需根據(jù)水文地質(zhì)條件、含水層特性、抽水試驗(yàn)方法選擇合適的計(jì)算公式。常用的求參方法包括穩(wěn)定流求參、非穩(wěn)定流求參和水位恢復(fù)法求參。

對(duì)實(shí)際工程，不同公式的適用性并不相同，對(duì)比穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流，非穩(wěn)定流的計(jì)算結(jié)果較可靠，穩(wěn)定流經(jīng)驗(yàn)公式求得的滲透系數(shù)可能偏大[2-3]或偏小[4]。對(duì)非穩(wěn)定流，采用Aquifer Test專業(yè)軟件結(jié)合全程曲線擬合法計(jì)算的參數(shù)比傳統(tǒng)的人工配線法更方便快捷、準(zhǔn)確，計(jì)算的結(jié)果基本符合實(shí)際的水文地質(zhì)條件[5-7]。對(duì)穩(wěn)定流的單孔或多孔求參，帶觀測(cè)孔比單孔抽水試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果誤差更小[8-9]，單孔的計(jì)算結(jié)果可能偏小[10-11]或偏大[12]。

本文擬以福州地鐵2號(hào)線某車站的帶兩個(gè)觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)為案例，按照穩(wěn)定流方法和水位恢復(fù)法分別計(jì)算滲透系數(shù)K，針對(duì)場(chǎng)地的非均質(zhì)地層分布特征，對(duì)K值的差異性和選用進(jìn)行分析，為車站基坑降水設(shè)計(jì)提供依據(jù)參數(shù)。

1 地質(zhì)概況

擬建車站設(shè)計(jì)里程為CK25+124.456～CK25+637.156，全長(zhǎng)512.7m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.3m，車站基坑開(kāi)挖深約21m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用厚度800mm連續(xù)墻。車站處地質(zhì)剖面示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵車站處地質(zhì)剖面示意圖

擬建車站場(chǎng)地包含兩個(gè)承壓含水層：第一層為上部的<2-5> (含泥)中粗砂，第二層為下部的<3-2>(泥質(zhì))粉細(xì)砂、<3-3>(含泥)中粗砂和<3-8>卵石(砂質(zhì)填充)聯(lián)合含水層。兩個(gè)含水層組之間為厚12m～20m的相對(duì)弱透水層。

勘察時(shí)測(cè)得第一層含水層<2-5>(含泥)中粗砂的水位埋深為10.77m，羅零標(biāo)高為-3.38m。第一層含水層組承壓水位埋深約6.00m，標(biāo)高為2.00m。對(duì)基坑開(kāi)挖影響較大的為<2-5>層，該層含中粗粒石英顆粒及云母等，級(jí)配不良，局部夾薄層淤泥。

2 抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

2.1 抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該車站對(duì)含水層<2-5>(含泥)中粗砂布置S01進(jìn)行穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，帶2個(gè)觀測(cè)孔，孔號(hào)為S01-G1和S01-G2，距離主孔的距離分別為8m和15m。抽水孔井結(jié)構(gòu)如圖2所示，觀測(cè)孔的濾管和隔水位置與抽水孔一樣，上部隔水套管直徑為250mm，孔徑為220mm，濾管直徑為125mm，過(guò)濾管的骨架管孔隙率和礫料均滿足規(guī)范要求。

圖2 S01抽水孔井結(jié)構(gòu)圖

本試驗(yàn)采用多孔抽水試驗(yàn)，每次降深穩(wěn)定時(shí)均對(duì)應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的流量，對(duì)穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)采用穩(wěn)定流帶不同觀測(cè)孔的公式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)水位恢復(fù)階段的數(shù)據(jù)采用水位恢復(fù)公式計(jì)算滲透系數(shù)K。

本試驗(yàn)采用小降深抽水，以避免或減少抽水時(shí)產(chǎn)生的三維流的影響[13]，最大降深定為含水層的1/3處，每次降深的差值大于1m。當(dāng)降深超過(guò)含水層頂板時(shí)，計(jì)算滲透系數(shù)采用承壓水—潛水的公式。其余兩個(gè)小降深控制水位在含水層頂板以上，采用承壓水公式。

2.2 穩(wěn)定流法

(1)承壓水完整井抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

(2)承壓水-潛水完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式：

(4)

(3)影響半徑計(jì)算公式：

(5)

式中：

Q—鉆孔涌水量(m3/d)；

K—滲透系數(shù)(m/d)；

rw—抽水孔井管半徑(m)；

r1—觀測(cè)孔1距主井距離(m)；

r2—觀測(cè)孔2距主井距離(m)；

Sw—抽水井水位降深(m)；

Sg1—觀測(cè)孔1水位降深(m)；

Sg2—觀測(cè)孔2水位降深(m)；

H—承壓含水層靜止水位至含水層底板的距離(m)；

h—承壓水-潛水含水層抽水穩(wěn)定時(shí)水位至含水層底板的距離(m)；

M—承壓水含水層厚度(m)；R—影響半徑(m)。

2.3 水位恢復(fù)法(S-lgt/t′)

利用水位恢復(fù)資料繪出S-lgt/t′(t′=t-tp，停抽前抽水的總時(shí)間)曲線，求得直線段斜率i，可得：

(6)

式中：T—導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；其余參數(shù)同上。

3 試驗(yàn)結(jié)果的差異性和敏感性分析

3.1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

S01抽水孔3次降深的數(shù)據(jù)如表1所示。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制抽水井涌水量Q-降深Sw、單位降深涌水量q-降深Sw的關(guān)系曲線，如圖3～圖4所示。

表1 S01抽水孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 Q=f(Sw)曲線圖

圖4 q=f(Sw)曲線圖

選用相關(guān)公式計(jì)算滲透系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 <2-5>(含泥)中粗砂層滲透系數(shù)K成果統(tǒng)計(jì)表

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)根據(jù)Q-S和q-S的曲線形態(tài)，判斷含水層的類型為承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓的井流，在第三降深時(shí)水位降至承壓含水層頂板以下，承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓井流。曲線與實(shí)際抽水試驗(yàn)過(guò)程基本吻合。

(2)根據(jù)觀測(cè)孔的水位降深時(shí)間曲線，在抽水過(guò)程中，水位下降明顯，水位、水量容易穩(wěn)定，停抽后水位恢復(fù)很快，恢復(fù)曲線拐點(diǎn)明顯，反映含水層分布較廣、透水性好、水量補(bǔ)給較為豐富。

3.2 計(jì)算結(jié)果的差異性分析

根據(jù)臨近的福州蘇寧廣場(chǎng)二期工程[13]的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該場(chǎng)地 (含泥)中粗砂層的滲透系數(shù)為20m/d，由于該工程的基坑已開(kāi)挖，經(jīng)驗(yàn)證該地層的滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)跟實(shí)際比較吻合；另?yè)?jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》[14]，中砂層的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為10m/d～25m/d。

對(duì)比該工程的抽水試驗(yàn)結(jié)果，采用穩(wěn)定流單孔或帶1個(gè)觀測(cè)孔公式的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值較為接近；采用穩(wěn)定流帶2個(gè)觀測(cè)孔公式的計(jì)算結(jié)果為負(fù)值；而采用水位恢復(fù)法公式的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值。分析原因有以下3點(diǎn)：

(1)恢復(fù)水位法偏大：井損是抽水試驗(yàn)中一個(gè)重要的影響因素，也是上述試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果差異的主要原因之一。當(dāng)鉆孔抽水時(shí)，井損使井中水位低于井壁水位，用單孔公式得到的滲透系數(shù)偏??；而利用主孔和1個(gè)觀測(cè)孔公式可以將兩孔的井損值抵消一部分，結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確；水位恢復(fù)時(shí)，又使井中恢復(fù)水位遠(yuǎn)大于井壁水位，用水位恢復(fù)速度計(jì)算公式得到的滲透系數(shù)偏大[15]。

(2)三次降深均顯示，較遠(yuǎn)的觀測(cè)孔S01-G2降深大于較近的S01-G1孔的降深，與常理不符，在排除了成井及洗井等可能存在的問(wèn)題后，推測(cè)水位異?？赡苁荢01-G1孔的地層中存在弱透水透鏡體而致，使得抽水試驗(yàn)不滿足理想的達(dá)西滲流模型，降落漏斗與理想曲線不符，如圖5所示，故采用帶兩個(gè)觀測(cè)孔的公式計(jì)算K值會(huì)出現(xiàn)異常負(fù)值的結(jié)果，如表2所示。

由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)存在弱透水透鏡體分布的非均質(zhì)地層無(wú)相應(yīng)公式可用，而工程的降水設(shè)計(jì)工作又需要獲取場(chǎng)地地層的滲透系數(shù)，因此只能參考均質(zhì)水平模型的公式去計(jì)算參數(shù)，再結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出相對(duì)合理的參數(shù)推薦值。試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)主要利用抽水孔和S01-G2的數(shù)據(jù)，采用單孔或帶1個(gè)觀測(cè)孔的公式。

圖5 帶2個(gè)觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)地層示意圖

3.3 穩(wěn)定流計(jì)算公式的敏感性分析

對(duì)穩(wěn)定流而言，采用不同公式求取K值時(shí)對(duì)降深S的敏感程度亦不同。在試驗(yàn)過(guò)程中由于地層不均勻、洗井不徹底、濾水管外填礫不合格、觀測(cè)精度不高、井損等原因的存在，使得降深S存在客觀的觀測(cè)誤差，因此對(duì)降深S的敏感程度是選擇計(jì)算公式時(shí)需要考慮的因素之一。

為便于分析各公式對(duì)降深S的敏感程度，本文對(duì)主孔、觀測(cè)孔1和觀測(cè)孔2的降深進(jìn)行微調(diào)，以分析K值的變化幅度，相應(yīng)結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖6 主孔降深變化和K的變化率關(guān)系圖

圖7 觀測(cè)孔降深變化和K的變化率關(guān)系圖

可以看出，穩(wěn)定流帶不同觀測(cè)孔的計(jì)算公式得到的K值對(duì)降深S敏感程度的總體規(guī)律是：?jiǎn)慰?主孔+1個(gè)觀測(cè)孔<主孔+2個(gè)觀測(cè)孔；主孔<觀測(cè)孔。對(duì)本工程而言，在主孔降深測(cè)量誤差增加10cm時(shí)，對(duì)K值的變化率在15%以內(nèi)。而觀測(cè)孔降深測(cè)量誤差增加10 cm時(shí)，K值的變化率相對(duì)較大，約15%～20%。而在利用兩個(gè)觀測(cè)孔的計(jì)算公式時(shí)，測(cè)量誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響急速增加，甚至達(dá)400%以上。因此，使用帶2個(gè)觀測(cè)孔的公式，降深的微小變化會(huì)導(dǎo)致K值結(jié)果發(fā)生較大變化，鉆孔尤其是觀測(cè)孔的洗井和成孔質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響很大。

結(jié)合本試驗(yàn)的場(chǎng)地分析，福州地區(qū)的上部砂層大部分以沖洪積、沖海積為主，其密實(shí)度和分布不均，局部存在淤泥中細(xì)砂交互層等弱透水夾層或透鏡體，導(dǎo)致試驗(yàn)地層與公式假定的均質(zhì)、水平、無(wú)限延伸的理想水文地質(zhì)模型存在差異。若在觀測(cè)孔處存在弱透水透鏡體，甚至出現(xiàn)越遠(yuǎn)的觀測(cè)孔降深越大的情況出現(xiàn)，使得計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，如表1所示。

因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，針對(duì)含水層以不均質(zhì)地層為主的沿海地區(qū)，由于人為讀取誤差及試驗(yàn)條件的限制，抽水試驗(yàn)計(jì)算宜按穩(wěn)定流、單孔或帶1個(gè)觀測(cè)孔等相對(duì)“粗獷”公式的計(jì)算結(jié)果作為主要依據(jù)，而諸如穩(wěn)定流帶2個(gè)觀測(cè)孔的相對(duì)“精細(xì)、精準(zhǔn)”的計(jì)算模型和公式反而適用性較差，在工程中可作為數(shù)據(jù)驗(yàn)證的一部分，而應(yīng)盡量避免使用其計(jì)算結(jié)果作為最終推薦值。

對(duì)本工程而言，利用單孔+1個(gè)觀測(cè)孔的公式計(jì)算的K值對(duì)降深S的敏感程度最小，且數(shù)據(jù)最接近經(jīng)驗(yàn)值和臨近場(chǎng)地的試驗(yàn)值，因此推薦單孔+1個(gè)觀測(cè)孔的公式計(jì)算的K值平均值作為建議值，即建議滲透系數(shù)K取26m/d。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，采用穩(wěn)定流單孔或帶1個(gè)觀測(cè)孔公式的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值較為接近；采用水位恢復(fù)法公式的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值。

(2)對(duì)不均質(zhì)含水層，帶觀測(cè)孔的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)K值對(duì)水位降深比較敏感，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)要求十分嚴(yán)格，如果其中一個(gè)孔(抽水孔或觀測(cè)孔)沒(méi)有處理好時(shí)，其水位降深將不能反應(yīng)真實(shí)情況，其計(jì)算結(jié)果將出現(xiàn)較大偏差。

(3)穩(wěn)定流帶不同觀測(cè)孔的計(jì)算公式得到的K值對(duì)降深S敏感程度的總體規(guī)律是：?jiǎn)慰?主孔+1個(gè)觀測(cè)孔<主孔+2個(gè)觀測(cè)孔。主孔<觀測(cè)孔。從數(shù)據(jù)的精確度上看，使用帶2個(gè)觀測(cè)孔的公式，降深的微小變化會(huì)導(dǎo)致K值結(jié)果發(fā)生較大變化。

(4)對(duì)淺部含水層以沖洪、沖海積成因的不均質(zhì)地層為主的沿海地區(qū)，抽水試驗(yàn)計(jì)算宜按穩(wěn)定流、單孔或帶1個(gè)觀測(cè)孔等相對(duì)“粗獷”公式的計(jì)算結(jié)果作為主要依據(jù)，再結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)得到滲透系數(shù)的建議值才具有區(qū)域代表性。若盲目相信單一公式的計(jì)算成果，可能會(huì)造成過(guò)度設(shè)計(jì)。

[1] 薛禹群，朱學(xué)愚.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1981：97-100 .

[2] 任鴻飛，曾文青，王小渙，等.穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流方法計(jì)算含水層滲透系數(shù)實(shí)例與分析[J].地下水，2009(31)：31-35.

[3] 趙琳琳.基于抽水試驗(yàn)的多種方法確定水文地質(zhì)參數(shù)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2015(11)： 306-309 .

[4] 馬國(guó)珍， 郭守鋆，汪恩福，等.供水水文地質(zhì)勘查中水文地質(zhì)參數(shù)確定與選取問(wèn)題[J].青海國(guó)土經(jīng)略，2010(6)：31-33.

[5] 鄒正盛， 趙智榮.淺析抽水水文地質(zhì)參數(shù)確定中的問(wèn)題[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010(3)：68-69.

[6] 杜川， 梁秀娟，張茜，等.全程曲線擬合法和Aquifertest水文地質(zhì)求參[J].人民黃河，2014(36)：19-25.

[7] 任改娟，楊立順，回廣榮，等.傳統(tǒng)公式法和AquiferTest計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的對(duì)比分析[J].地下水，2015(37)：165-167.

[8] 朱宏軍，黃選明，胡莉莉，等.煤礦水文地質(zhì)勘探中穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)確定水文地質(zhì)參數(shù)討論[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014(10)：24-29.

[9] 肖有才，李睿.煤田水文地質(zhì)勘探中水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(2)：22-25.

[10] 劉麗元，魏永孝.某水源地滲透系數(shù)K值計(jì)算的探討[J].地下水，2006(28)：18-21.

[11] 王烈， 李開(kāi)超.穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)的對(duì)比分析[J].地下水，2012(34)：40-41.

[12] 葉俊能， 朱慶海，朱敢為，等.寧波市軌道交通1號(hào)線一期工程抽水試驗(yàn)分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010(18)：109-114.

[13] 朱慶.福州蘇寧廣場(chǎng)二期基坑支護(hù)方案的比選與分析[J].江蘇建筑，2013(4)：71-74.

[14] 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊(cè)(第二版) [M].北京：地質(zhì)出版社，2012：450-680.

[15] 李新生， 王朋朋.西安地鐵穿越地裂縫的抽水試驗(yàn)研究[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010(12)：378-385.

Study on the Calculation Method of Permeability Coefficient in Pumping Test of Inhomogeneous Formation

WANGDi

(Fuzhou Investigation and Surveying Institute, Fuzhou 350003)

Permeability coefficient is an important parameter to evaluate the formation permeability and water quantity. Many aquifers in the coastal region are not ideal as horizontal, homogeneous, infinitely extended aquifers. In this paper, the results of hydrogeological parameters of inhomogeneous formation were compared and analyzed, respectively calculated by the formula of steady flow with different observation holes and water level recovery, based on the pumping test of a station of Fuzhou Metro Line 2. The results showed that the permeability coefficient calculated by the steady flow formula is relatively accurate, and the result of water level recovery is too large. According to the results of steady flow calculation of permeability coefficient, the rule of the sensitivity of the depth is: single hole < main hole +1 observation hole < main hole +2 observation hole. In the coastal area with the shallow heterogeneous aquifer, the hydrogeological parameters get by relative rough formula such as single hole or 1 observation hole according to the stable flow is more reliable.

Inhomogeneous formation; Pumping test; Permeability coefficient; Accuracy; Sensitivity

王迪(1987.1- )，女，工程師。

E-mail:343224853@qq.com

2017-03-14

TU46

A

1004-6135(2017)07-0123-05