彌散試驗(yàn)測(cè)定地下水流速與滲透理論計(jì)算法的探討

摘要：隨著城市地下空間開發(fā)的發(fā)展，深基坑工程開挖遇強(qiáng)透水性地層時(shí)，地下水控制設(shè)計(jì)時(shí)除需掌握其滲透系數(shù)外，尚需獲得較為可靠的地下水流速參數(shù)，為止水、降水設(shè)計(jì)提供依據(jù)。水文地質(zhì)專業(yè)常用的可靠方法有放射性同位素法、彌散試驗(yàn)法，由于放射性同位素法因?yàn)榉派湫晕：ΓM織試驗(yàn)有一定難度。本文結(jié)合長(zhǎng)沙市某地鐵站鄰近商業(yè)地下空間工程實(shí)例，對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)代表性的湘江Ⅲ級(jí)階地內(nèi)強(qiáng)透水性卵石層采用彌散試驗(yàn)并進(jìn)行分析后認(rèn)為，采用滲透理論計(jì)算法計(jì)算獲得地下水流速的方法仍具備較強(qiáng)的參考價(jià)值，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正后可作為設(shè)計(jì)依據(jù)供類似工程參考。

關(guān)鍵詞： 地下水流速;彌散試驗(yàn);滲透理論計(jì)算法

隨著城市地下空間開發(fā)的發(fā)展，深基坑工程開挖遇強(qiáng)透水性地層時(shí)，強(qiáng)透水性地層的滲透系數(shù)容易通過抽水試驗(yàn)獲得，一般在勘察成果中也會(huì)提出建議值。但從較多的工程實(shí)例來看，地下水的流速對(duì)止水、降水設(shè)計(jì)的影響也較大，甚至直接影響到地下水的控制能否成功有決定性影響。水文地質(zhì)專業(yè)常用的可靠方法有同位素法、彌散試驗(yàn)法及滲透理論計(jì)算法，由于同位素法因?yàn)榉派湫晕：?，組織試驗(yàn)有一定難度，為此，本文結(jié)合長(zhǎng)沙市某地鐵站鄰近商業(yè)地下空間工程實(shí)例，對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)代表性的湘江Ⅱ級(jí)階地內(nèi)強(qiáng)透水性卵石層采用彌散試驗(yàn)并與采用滲透理論計(jì)算法進(jìn)行了對(duì)比與分析。

1 地下水流速測(cè)定常用方法

水文地質(zhì)調(diào)查研究工作中，常用的地下水流速測(cè)定方法一般有滲透理論計(jì)算法、比色示蹤劑彌散試驗(yàn)法、放射性同位素年齡法，另外，國(guó)外在研究核廢棄物時(shí)尚有采用精度更高的電位差法和井中電視法等。

放射性同位素年齡法因?yàn)榉派湫缘奈：ΓM織試驗(yàn)難度較大，較易實(shí)施且試驗(yàn)結(jié)果可靠度較高的則一般宜采用比色示蹤劑法。

2 滲透理論計(jì)算法及彌速試驗(yàn)的原理

2.1滲透理論計(jì)算法原理

該方法一般沿等邊三角形布置三個(gè)鉆孔，鉆孔間距50-100m，觀測(cè)各孔水位標(biāo)高后，編制等水位線圖，再?gòu)母叱谈咄屠L制垂直線，垂直線即為地下水流向，垂直線兩端點(diǎn)的水位差除以垂直線長(zhǎng)度則為水力坡度。通過抽水試驗(yàn)確定了含水層滲透系數(shù)后，采用滲透達(dá)西定律計(jì)算得出地下水流速值。

2.2 比色示蹤劑彌散試驗(yàn)法原理

比色示蹤劑彌散試驗(yàn)常采用熒光素黃鈉作為示蹤劑，現(xiàn)場(chǎng)取得接收孔地下水初始水樣，然后向試驗(yàn)孔中投入熒光素黃鈉并記錄投入時(shí)間，然后在各觀測(cè)孔中每隔一定時(shí)間均采用水樣并作出記錄，在室內(nèi)采用自配不同濃度溶液比色管確定熒光素黃鈉的存在及其濃度。可根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)資料繪制觀測(cè)孔孔內(nèi)指示劑隨時(shí)間的變化曲線。根據(jù)出現(xiàn)峰值濃度時(shí)間計(jì)算確定地下水的流速。

3 工程實(shí)例及分析

已投入使用的長(zhǎng)沙市地鐵1號(hào)線候家塘站東側(cè)擬建田漢大劇院地下空間商業(yè)項(xiàng)目，該場(chǎng)地屬湘江Ⅲ級(jí)侵蝕沖積階地，覆蓋層主要由第四系中更新統(tǒng)白沙井組地層組成，均為網(wǎng)紋狀粉質(zhì)粘土、砂卵石層組成，具明顯的二元結(jié)構(gòu)。由于新建商業(yè)項(xiàng)目基坑底板位于地鐵區(qū)間隧道以上，強(qiáng)透水性砂卵石層厚度較大，區(qū)間隧道底以下3m左右范圍內(nèi)尚為砂卵石層，為確保止水降水效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，需對(duì)砂卵石層的滲透性及其賦存的地下水流速流向進(jìn)行測(cè)定。

為此，在場(chǎng)地范圍內(nèi)布置了3個(gè)水文鉆孔，觀測(cè)其穩(wěn)定水位之后，進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)后恢復(fù)穩(wěn)定水位后再進(jìn)行了彌散試驗(yàn)。

3.1 滲透理論計(jì)算法試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)鉆孔T1、G1及G2號(hào)鉆孔地下水穩(wěn)定水位觀測(cè)結(jié)果，繪制出等水位線圖。在繪制等水位線圖后，垂直等水位線由高至低即為地下水流向，讀解出水力坡度，結(jié)合主要含水層滲透系數(shù)，即可計(jì)算出地下水滲透速度：

V=KI

式中：V——地下水的滲透速度（m/d）;

K——滲透系數(shù)（m/d）;

I——水力坡度。

詳見右圖：

計(jì)算得出地下水的滲透速度為V=1.47m/d

根據(jù)地鐵1號(hào)線候家塘站試驗(yàn)結(jié)果，砂卵石層孔隙比平均值為0.7左右，則地下水流速可按下式計(jì)算：u=V/n=1.47/（0.7/1.7）=3.6m/d，流向?yàn)槟蠔|至北西339度方向（湘江位于場(chǎng)地西側(cè)，由南向北流）。

3.2 比色示蹤劑彌散試驗(yàn)結(jié)果

彌散試驗(yàn)采用熒光素黃鈉示蹤劑比色法，現(xiàn)場(chǎng)取得接收孔地下水初始水樣，然后向試驗(yàn)孔中投入熒光素黃鈉并記錄投入時(shí)間，然后在各觀測(cè)孔中每隔一定時(shí)間均采用水樣并作出記錄，在室內(nèi)采用自配不同濃度溶液比色管確定熒光素黃鈉的存在及其濃度。可根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)資料繪制觀測(cè)孔孔內(nèi)指示劑隨時(shí)間的變化曲線。

各接收觀測(cè)孔所取水樣濃度與時(shí)間關(guān)系曲線圖詳見下圖5.4-2：

根據(jù)試驗(yàn)曲線，選取指示劑濃度高峰值出現(xiàn)的時(shí)間來計(jì)算地下水流速，采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）9-3-2公式：

u'=l/t

式中：u'——地下水實(shí)際流速（平均）（m/d）;

l——投劑孔與觀測(cè)孔距離（m）

t——觀測(cè)孔內(nèi)峰值出現(xiàn)所需的時(shí)間（d）。

按主投放孔T1號(hào)與觀測(cè)孔G1直線距離計(jì)算，地下水流速為u'為8.32～9.19m/d;按滲透路徑修正計(jì)算則為u'為7.90～8.73m/d。按主投放孔T1與觀測(cè)孔G3直線距離計(jì)算，地下水流速為u'為4.45～4.59m/d;按滲透路徑修正計(jì)算則為3.46～3.57m/d。

3.3 滲透理論計(jì)算法與彌散試驗(yàn)法成果對(duì)比

地下水流向、流速受以下三個(gè)因素影響：1）宏觀上季節(jié)性的地下水補(bǔ)給、排泄關(guān)系的改變。2）含水層特征（如含水層厚度差異、滲透系數(shù)、孔隙比、礦物成分等）。3）局部水文地質(zhì)環(huán)境變化情況。如：區(qū)域地下建（構(gòu)）筑物止水截水措施，地下室的埋深及范圍。上述因素造成地下水流向及流速的多變性。

本次觀測(cè)工作中進(jìn)行的抽水試驗(yàn)、彌散試驗(yàn)的成果及其局限性詳見下表：

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 采用比色示蹤劑彌散試驗(yàn)法與滲透理論計(jì)算法測(cè)定長(zhǎng)沙市湘江沖積Ⅲ級(jí)階地強(qiáng)透水性砂卵石層中的潛水流速時(shí)，分析后認(rèn)為：①、二者試驗(yàn)結(jié)果沒有數(shù)量級(jí)差異。②、滲透理論計(jì)算法得出的地下水流速值偏小。

4.2 當(dāng)項(xiàng)目條件不具備進(jìn)行比色示蹤劑彌散試驗(yàn)法試驗(yàn)時(shí)，可采用滲透理論計(jì)算法得出的地下水流速值，經(jīng)過一定程度的修正后可作為止水、降水工程設(shè)計(jì)時(shí)的參考依據(jù)，建議采用放大系數(shù)2至3。

4.3 由于不同項(xiàng)目不同局部位置的水文地質(zhì)環(huán)境有所不同（如地下建（構(gòu)）筑物止水截水措施、已有地下結(jié)構(gòu)），同一項(xiàng)目不同位置的地下水流速、流向會(huì)有所不同，具體有何特征尚有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版），中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

[2] 田洪義、賓富、李德平等 《湖南福達(dá)道生投資開發(fā)有限公司田漢大劇院地

[3]下空間商業(yè)項(xiàng)目地下水水文觀測(cè)報(bào)告》 深圳市勘察研究院有限公司，2015年5月

作者簡(jiǎn)介：賓富，男，（1982-9-）湖南長(zhǎng)沙，本科，高級(jí)工程師，主要從事巖土勘察、設(shè)計(jì)及水文地質(zhì)相關(guān)工作。