淺談巖土工程勘察中抽水試驗(yàn)中的幾個(gè)問題

李愛平，張國(guó)飛，姜慧琴，王瑞東，蘆小燕

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)水文中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000，2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010100，3.鄂爾多斯市水文勘測(cè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

淺談巖土工程勘察中抽水試驗(yàn)中的幾個(gè)問題

李愛平1，張國(guó)飛1，姜慧琴2，王瑞東3，蘆小燕3

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)水文中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000，2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010100，3.鄂爾多斯市水文勘測(cè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

抽水試驗(yàn)在巖土工程勘察中尤為重要，從理論與實(shí)踐結(jié)合的角度，按穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流闡述抽水試驗(yàn)過程中抽水孔與觀測(cè)孔的布置、水位降深、水位觀測(cè)、抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間等問題進(jìn)行討論，力求達(dá)到節(jié)約時(shí)間，節(jié)約費(fèi)用，提高水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確度。

巖土工程;抽水試驗(yàn);穩(wěn)定流;非穩(wěn)定流

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，高層建筑及地下工程越來越多。為適應(yīng)地下設(shè)施的需要，深基坑及地下隧道在工程應(yīng)用而生。由于城市高層建筑和地鐵的日益增多，地下水的評(píng)價(jià)和治理越來越重要。巖土工程勘察規(guī)范中明確要求:“當(dāng)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，在基坑開挖過程中需要對(duì)地下水進(jìn)行治理時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專門的水文地質(zhì)勘察”［1］。

為了獲得較準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，往往需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要的抽水試驗(yàn)。如何利用已有的勘察鉆孔作為抽水孔和觀測(cè)孔，實(shí)現(xiàn)鉆探和試驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，既節(jié)約時(shí)間又減少成本。因此，在巖土工程勘察階段和施工開始階段常用的抽水試驗(yàn)是單孔抽水試驗(yàn)和多孔抽水試驗(yàn)。

1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

1.1 抽水孔與觀測(cè)孔的布置

由于裘布依假定與生產(chǎn)實(shí)踐中水文地質(zhì)條件存在差別，若抽水孔與觀測(cè)孔布置的不合理，井壁處的滲流不符合裘布依假定，這時(shí)仍采用裘布依公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)，則出現(xiàn)偏大或偏小結(jié)果。這種不符合常常表現(xiàn)在:①由于濾水管壁的摩阻，地下水沿流程運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生水頭損失，使井周的地下水由二位平面流轉(zhuǎn)為三維流，在三維流區(qū)，裘布依公式就不能應(yīng)用;②當(dāng)抽水井開始抽水時(shí)，井壁附近水力坡度瞬時(shí)增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，流速與水力坡度不再保持線性關(guān)系，滲流不屬于層流，這時(shí)不符合達(dá)西定律，從而使在該基礎(chǔ)上推導(dǎo)的裘布依公式就不能應(yīng)用;③當(dāng)含水層很厚，濾水管長(zhǎng)度小于含水層厚度時(shí)，在井壁邊界上無法保持相等的水頭，因此，裘布依公式不能應(yīng)用;④裘布依公式假定補(bǔ)給邊界為圓柱形水頭邊界，但在實(shí)際中這種補(bǔ)給邊界很少。抽水后的漏斗曲線，在距抽水井很近的范圍內(nèi)(r≤0.178R，R為影響半徑)屬對(duì)數(shù)關(guān)系，外圍屬貝塞爾函數(shù)，因此，當(dāng)觀測(cè)孔越遠(yuǎn)，計(jì)算的滲透系數(shù)越大。⑤裘布依公式假定抽水前地下水位是水平的，但實(shí)際上地下水存在天然水力坡度，傾向下游地區(qū)，在天然水力坡度的影響下，降深曲線是一個(gè)下游半徑長(zhǎng)、上游半徑短的“雞蛋形”，這時(shí)若在上游或下游布置觀測(cè)孔，滲透系數(shù)將出現(xiàn)偏小或偏大。因此，抽水孔與觀測(cè)孔的布置合理與否對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。

抽水孔一般應(yīng)遠(yuǎn)離含水層的透水、隔水邊界，布置在含水層的導(dǎo)水及儲(chǔ)水性質(zhì)、補(bǔ)給條件、厚度和巖性條件等有代表性的地方。當(dāng)含水層的厚度、補(bǔ)給能力、滲透性、濾水管長(zhǎng)度、半徑和抽水量等各種因素配合得當(dāng)，或采用小降深抽水，在滲流場(chǎng)中可以找到不受井壁邊界條件、也不隨含水層補(bǔ)給條件影響的一個(gè)區(qū)域。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)［2］，當(dāng)觀測(cè)孔與抽水孔的距離滿足1.6 H≤r≤0.178 R(H為含水層厚度，R為補(bǔ)給半徑)，此區(qū)域內(nèi)測(cè)得的降深值代入裘布依公式是可算得真實(shí)的滲透系數(shù)。觀測(cè)孔應(yīng)布置在地下水流垂直的方向上，避開水力坡度對(duì)降深的影響。

1.2 水位降深

利用單孔抽水求水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，為了提高參數(shù)的準(zhǔn)確度，應(yīng)進(jìn)行3個(gè)不同落程的抽水。降深可由大到小，或由小到大，最大的降深宜接近設(shè)計(jì)動(dòng)水位。要取得 Q－S曲線的正常變化軌跡，三次降深的間距宜盡量均勻分配:S1=Smax，S2=2/3 Smax，S3=1/3 Smax［3］。利用多孔抽水求水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，可進(jìn)行一次降深抽水。一般情況下，抽水降深越大，所求的滲透系數(shù)代表性越好。

1.3 抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間

抽水試驗(yàn)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，關(guān)系著時(shí)間、資金等方面的問題。抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定時(shí)間必須從抽水孔的水位和流量均達(dá)到穩(wěn)定后開始計(jì)算，受含水層水力特征和抽水條件影響，特別是基巖區(qū)，抽水過程中經(jīng)常出現(xiàn)流量微小變化、水位穩(wěn)定一段時(shí)間后微小下降，試驗(yàn)人員有時(shí)難以判斷抽水是否真正達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定抽水過程中，觀測(cè)的動(dòng)水位和涌水量歷時(shí)曲線不能有逐漸增大和逐漸減小的趨勢(shì)。若涌水量波動(dòng)值不超過正常流量的5%，抽水孔水位波動(dòng)值不超過水位降低值的 1%，觀測(cè)孔水位波動(dòng)值不超過 2～3 cm［3］，這時(shí)，可斷定抽水試驗(yàn)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。至于延續(xù)時(shí)間，可參考供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范要求:“卵石、圓礫和粗砂含水層不得小于8 h;中砂、細(xì)砂和粗砂含水層不得小于16 h，基巖含水層不得小于 24h”［4］。

若在松散粗顆粒含水層地區(qū)試驗(yàn)條件有限，抽水試驗(yàn)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間可大于或等于6 h，前人隨機(jī)采 用10個(gè)孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，以t=8 h和t=6 h兩組資料，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，兩者的差異是很微小，滲透系數(shù)的相對(duì)誤差僅為3.9%［5］，所以，規(guī)范要求抽水試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間大于或等于8 h也不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)抽水試驗(yàn)條件靈活選擇。

2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

按照井流原理，非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)可分為定流量抽水試驗(yàn)和定降深抽水試驗(yàn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于我們?nèi)菀卓刂屏髁?水泵抽水一般流量不變)，所以一般非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)以定流量抽水試驗(yàn)居多，這里也以定流量抽水試驗(yàn)來敘述。

2.1 抽水流量與水位觀測(cè)

定流量抽水試驗(yàn)沒有對(duì)抽水流量提出明確要求，只要水位降深不超過水泵最大吸程即可。在抽水試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)前人水文地質(zhì)研究成果對(duì)抽水地段有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，通過涌水量換算來預(yù)測(cè)試驗(yàn)地區(qū)在某一抽水流量下的水位降深;若試驗(yàn)地區(qū)無前人研究，可通過試抽法來判別。通過實(shí)踐得知，抽水10 min的水位降深與穩(wěn)定降深的比值約在80%左右。

流量與水位的觀測(cè)應(yīng)同步，且觀測(cè)頻率要比穩(wěn)定流大。非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)可分別利用抽水階段的資料(直線圖解法)和水位恢復(fù)階段的資料(水位恢復(fù)法)來計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)，由于恢復(fù)階段水位資料比抽水階段可靠，不受抽水的影響，因此，恢復(fù)階段的水位觀測(cè)更具重要性。特別強(qiáng)調(diào)的是，水泵開始抽水時(shí)，井內(nèi)水位瞬時(shí)下降，井壁水位下降滯后于井內(nèi)水位，前幾分鐘觀測(cè)到的水位是急劇下降—上升—逐漸下降;同理，水泵斷電停抽時(shí)，前幾分鐘觀測(cè)到的水位是急劇上升—下降—逐漸上升。因此，在利用非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，應(yīng)將抽水階段和恢復(fù)階段前幾分鐘的水位觀測(cè)資料剔除，以免影響參數(shù)的準(zhǔn)確度。

2.2 抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間

對(duì)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間還沒有公認(rèn)規(guī)定，巖土工程勘察中一般只為獲得水文地質(zhì)參數(shù)，穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間不必太長(zhǎng)，只要降深(S)—時(shí)間(lgt)形態(tài)比較固定和能夠明顯的反應(yīng)含水層邊界性質(zhì)即可停抽，一般不超過24 h。

3 結(jié)語

目前，利用抽水試驗(yàn)資料確定水文地質(zhì)參數(shù)的方法較多，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，勢(shì)必造成人力、物力大量投入，延緩工作進(jìn)程。而非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)具有時(shí)間較短、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，人們傾向于非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)。在巖土工程勘察中，應(yīng)根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的抽水試驗(yàn)，以達(dá)到工期短、費(fèi)用低、參數(shù)準(zhǔn)為目的。

［1］GB 50021－ 2001.巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［2］供水水文地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京，地質(zhì)出版社.1977.

［3］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(3):21 －28.

［4］GB 50027－2001.供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［5］史鳳軍，郭冬冬.抽水試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間的探討［J］.科技論壇.2009:56.

P641.72

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1004－1184(2012)05－0046－01

2012－05－11

李愛平(1972－)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究。