南水北調(diào)中線工程潮河段水文試驗對比分析

王貴生,周子?xùn)|,梁 紅

(河南省水利勘測有限公司,河南鄭州 450008)

南水北調(diào)中線工程潮河段水文試驗對比分析

王貴生,周子?xùn)|,梁 紅

(河南省水利勘測有限公司,河南鄭州 450008)

通過3種現(xiàn)場水文試驗方法,對南水北調(diào)中線潮河渠段砂性土及少粘性土的滲透性等水文地質(zhì)特征進(jìn)行對比和分析,確定了在砂性土層中最可靠的水文地質(zhì)參數(shù),為該渠段的水文地質(zhì)設(shè)計與施工提供可靠的依據(jù)。

南水北調(diào)中線工程;水文試驗;滲透性;對比分析

0 引言

由于南水北調(diào)中線工程潮河渠段砂性土多,地下水位較高,水文地質(zhì)條件較復(fù)雜,砂質(zhì)渠基(渠坡)的滲透穩(wěn)定性問題比較突出,為了查明砂土及少粘性土的滲透性等水文地質(zhì)特征,以便采取適用的滲控措施,在渠線附近布置了水文地質(zhì)試驗,主要包括試坑單環(huán)注水試驗、鉆孔常水頭注水試驗和抽水試驗[1]。

場區(qū)位于嵩箕山脈向黃(河)淮(河)沖積平原過渡區(qū),所經(jīng)地貌單元主要有河谷平原、沖洪積平原和砂丘、砂地等。地勢總體呈西高東低、南高北低的特點。該段沖積、沖洪積平原上部沉積了較厚的第四紀(jì)松散物質(zhì),巖性以粉砂、細(xì)砂、砂壤土及壤土為主,孔隙發(fā)育,具備地下水賦存良好的條件。

場區(qū)地下水一般為第四系松散層孔隙潛水,該含水層主要接受大氣降水入滲、地下水側(cè)向逕流、地表河水入滲補(bǔ)給,排泄方式為蒸發(fā)、側(cè)向逕流和人工開采。地下水與河水補(bǔ)排關(guān)系隨季節(jié)變化明顯,試驗期間,地下水補(bǔ)給河水,地下水流向一般近垂直于河道。

1 試坑單環(huán)注水試驗

沿潮河渠段共布置3組試坑單環(huán)注水試驗,試環(huán)高20.5 cm,直徑25 cm。單環(huán)注水試驗示意圖見圖1。

試驗按照《水利水電工程注水試驗規(guī)程》[2]進(jìn)行,根據(jù)規(guī)程中試坑單環(huán)注水試驗滲透系數(shù)計算公式進(jìn)行計算,成果見表1。試驗成果表明:試坑單環(huán)注水試驗較好的反映了表層砂性土的滲透性。

單環(huán)滲水試驗過程簡單,易于控制,對天然地層的擾動很小,只要嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范操作,所取得的數(shù)據(jù)較客觀。但試驗土層埋藏較深時,試坑開挖及人員安全難以保證。

圖1 單環(huán)注水試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of single coilwater injection test

表1 單環(huán)注水試驗滲透系數(shù)計算成果表Table 1 The calculation results of per meability coefficient through single coilwater injection test

2 鉆孔常水頭注水試驗

沿潮河渠段共布置3組鉆孔常水頭注水試驗,按照《水利水電工程注水試驗規(guī)程》進(jìn)行試驗,為了確定渠底板以上少粘性土及砂性土的綜合滲透性,現(xiàn)場采用了全孔混合注水試驗,試段部分位于地下水位以上,部分位于地下水位以下,根據(jù)規(guī)程中鉆孔常水頭注水試驗中的2個滲透系數(shù)計算公式進(jìn)行計算,并求其平均值,成果見表2。

由表2可知,該試驗所得結(jié)果偏低于客觀值。分析原因,可能為:由于該段地層巖性主要為砂和砂壤土,在清水鉆進(jìn)過程中,孔壁出現(xiàn)多次坍塌,雖然鉆孔結(jié)束后進(jìn)行了長時間洗孔和掏水,但因為地層本身顆粒較細(xì),滲漏通道易被沉淀物堵塞,造成“井阻”現(xiàn)象,注水試驗結(jié)果偏小。

表2 鉆孔常水頭注水試驗計算成果表Table 2 The calculation results ofwater injection testwith constant head in borehole

3 抽水試驗

抽水試驗設(shè)計為帶觀測孔的潛水穩(wěn)定流抽水試驗,過濾器為淹沒式。每組抽水試驗布置一個抽水井,2個觀測孔,觀測孔垂直于地下水流向布置,按照規(guī)范要求,觀測孔距抽水井距離分別為2 m和9 m,按照《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》[3]進(jìn)行試驗與計算。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》中砂土的滲透系數(shù)與有效粒徑的經(jīng)驗關(guān)系公式如下:

式中:K——滲透系數(shù)(m/d);d10——顆粒的有效粒徑(mm);t——滲透水的溫度(℃);C——常數(shù),粘土質(zhì)砂取500～700,純砂取700～1 000。其中d10采用0.093 mm(通過沿線砂性土顆分試驗統(tǒng)計取得),計算出滲透系數(shù)為7.0×10-3cm/s,可根據(jù)該滲透系數(shù)安排抽水試驗。

3.1 計算模式說明

(1)潮河砂性土渠段,渠基和渠坡的地層以粉砂、細(xì)砂及砂壤土為主,巖性相近,不同巖性之間水力特征差別不大,因此,抽水試驗為試驗段的混合抽水試驗,反映的是試驗段的綜合滲透系數(shù)。

根據(jù)潮河砂性土渠段含水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)特性,按試驗段長度和含水層厚度的關(guān)系分為完整孔和非完整孔兩種情況;根據(jù)抽水試驗時流量、水位與時間的關(guān)系,主要采用規(guī)范推薦的穩(wěn)定流抽水試驗,即流量與水位降深在規(guī)定的延續(xù)時間內(nèi)不隨時間而變化,同時相對穩(wěn)定,按裘布依的基本公式或推導(dǎo)的公式計算滲透系數(shù)。

(2)水文地質(zhì)參數(shù)計算包括穩(wěn)定流抽水試驗獲得的滲透系數(shù)K與影響半徑R。并對不同計算方法計算的K值進(jìn)行分析比較,提出建議值。

3.2 抽水試驗計算與分析

場區(qū)地下水一般為第四系松散層孔隙潛水,對各組抽水試驗按含水層厚度、試驗段長度選用符合實際情況,適用邊界條件的不同公式分別對該組抽水試驗進(jìn)行了比較,通過分析最終選用了較為合理的計算公式。

(1)多孔完整孔抽水試驗 首先選用公式①計算:

式中:K——試驗巖土層的滲透系數(shù)(m/s);Q——注入流量(m3/s);H——含水層厚度(m);S1、S2——觀測孔降深(m);r1、r2——觀測孔距抽水井距離(m)。

計算出的滲透系數(shù)與多孔抽水試驗公式②計算出的影響半徑不符時,舍棄觀測孔資料,采用單孔潛水完整孔試驗公式③計算。

式中:R——影響半徑(m);其它符號意義同①。

式中:S——抽水井降深(m);r——抽水井半徑(m);其它符號意義同①。

(2)多孔非完整孔抽水試驗 首先選用公式④計算:

式中:l″=l0-0.5(S1+S2);l0——鉆孔揭露含水層厚度(m);其它符號意義同①。

計算出的滲透系數(shù)與多孔抽水試驗公式②計算出的影響半徑不符時,舍棄觀測孔資料,采用單孔潛水非完整孔試驗公式⑤計算。

式中:Q——注入流量(m3/s);l——鉆孔揭露含水層厚度(m)。

經(jīng)過計算(成果見表3),潮河段砂性土的滲透系數(shù)K值范圍值為1.12×10-4～1.77×10-2cm/s,絕大部分屬中等透水,其量級以10-3cm/s為主。與黃淮地區(qū)砂土滲透系數(shù)經(jīng)驗值和滲水試驗成果接近,能夠客觀的反映本渠段砂性土的滲透性及其變化。

表3 抽水試驗計算成果表Table 3 The calculation of borehole pumping test

4 結(jié)語

(1)通過現(xiàn)場13組水文試驗的統(tǒng)計分析(剔除個別異常值),南水北調(diào)中線工程潮河渠段砂性土的滲透系數(shù)K值范圍值為1.12×10-4～3.17×10-2cm/s,絕大部分屬中等透水,其量級以10-3cm/s為主。本次水文試驗的計算結(jié)果為該段南水北調(diào)工程的施工排水提供了最基本的依據(jù),通過局部段的施工驗證,該滲透系數(shù)具有很好的指導(dǎo)意義。

(2)單環(huán)滲水試驗?zāi)茌^好的反映了表層砂性土的滲透性,但試驗土層埋藏較深時,試坑開挖及人員安全難以保證。

(3)鉆孔常水頭注水試驗在砂性土中進(jìn)行試驗時,由于地層本身顆粒較細(xì),易造成“井阻”現(xiàn)象,影響試驗結(jié)果。

(4)抽水試驗井徑較大,利于負(fù)壓和水泵洗井;抽水試驗歷時長,利于含水層透水通道的沖洗和打開;抽水試驗與施工排水都是對含水層的疏干,過程相似,與工程實踐結(jié)合較好。

[1] SL373—2007,水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[2] SL320—2005,水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程[S].

[3] SL345—2007,水利水電工程注水試驗規(guī)程[S].

(責(zé)任編輯:胡立智)

Comparative Analysis of Hydrological Exper iments in Chao River Section of the Middle Route South-to-NorthWater Transfer Project

WANG Guisheng,ZHOU Zidong,LIANG Hong
(Henan Water PowerConsulting Engineering Co.,L td.,Zhengzhou,Henan450008)

Based on there kinds of in-situ hydrological experiments,the hydrological characteristics of sand and sandy loam are obtained in Chao river section of the Middle-route of South-to-North Water Transfer Project,respectively.Through comparison and analysis,the reliable hydrological parameters for the sand layer are obtained,which provide a dependable reference for design and construction.

middle route South-to-North water transfer project;hydrological exper iments;per meability;comparative analysis

TV68;TV221

A

1671-1211(2010)05-0538-03

2010-07-10;改回日期:2010-09-13

王貴生(1978-),男,工程師,巖土工程專業(yè),從事工程水文地質(zhì)勘察與水利工程施工工作。E-mail:WGS9702@163.com