抽水試驗(yàn)在某二級(jí)公路隧道工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

張瑩，張明紅，李東

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 引言

抽水試驗(yàn)是水文地質(zhì)工作中一項(xiàng)常用的重要手段［1]，通過(guò)鉆孔抽水試驗(yàn)可以測(cè)定含水層的滲透系數(shù)，以更好地了解壩基、閘基的滲漏量以及基坑、隧道的涌水量［2]，抽水試驗(yàn)的進(jìn)行在工程地質(zhì)勘察中具有重要的意義。

擬建的某二級(jí)公路位于云南省西南部，路線總體走向由東向西展布，推薦方案正線全長(zhǎng)約100.3 k m。本次抽水試驗(yàn)鉆孔位于該二級(jí)公路正線K20＋565～K21＋615段的某隧道洞身。

本文在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)成果資料進(jìn)行整理的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道工程地質(zhì)條件，選取合適的公式及計(jì)算方法求得相應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù)，對(duì)隧道的安全施工提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

2 隧道工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，隧道通過(guò)區(qū)域地層巖性主要為上覆第四系坡洪積層及坡殘積層粉質(zhì)黏土，厚約2～6 m。下伏基巖為全－中風(fēng)化砂巖、粉砂巖。隧道洞身K21＋503 m處發(fā)育一逆斷層，斷層產(chǎn)狀約101°∠40°，與擬建線路交角約64°，受該斷層影響，洞身巖體破碎，石英脈發(fā)育。

2.2 水文地質(zhì)條件

該隧道進(jìn)口段位于斜坡地段，自然坡度較陡，未見(jiàn)地表水發(fā)育。進(jìn)口與出口端均發(fā)育沖溝，屬季節(jié)性流水溝，水量與季節(jié)相關(guān)，旱季時(shí)偶有斷流。

隧道區(qū)域內(nèi)地下水可分為松散巖類(lèi)孔隙水、基巖裂隙水兩種類(lèi)型。松散巖類(lèi)孔隙水主要賦存于第四系殘坡積粉質(zhì)黏土孔隙中。殘坡積層中的孔隙水為季節(jié)性上層滯水，富水性弱，補(bǔ)給來(lái)源以大氣降水為主，排泄于下伏基巖裂隙及溝谷、箐溝中。據(jù)鉆探揭示，下伏基巖上部為泥巖且厚度較大，富水性弱；下部為砂巖、粉砂巖，富水性較好。此類(lèi)型水以大氣降水的入滲補(bǔ)給為主，循環(huán)交替強(qiáng)烈，無(wú)明顯的補(bǔ)給逕流區(qū)段，具有就地補(bǔ)給、就地排泄的特點(diǎn)，無(wú)統(tǒng)一排泄基準(zhǔn)面，動(dòng)態(tài)變化受季節(jié)控制明顯。

3 抽水試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)特點(diǎn)

野外抽水試驗(yàn)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便捷的特點(diǎn)，且能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)含水層的實(shí)際狀況。根據(jù)井流理論，抽水試驗(yàn)可分為穩(wěn)定流抽水和非穩(wěn)定流抽水兩種方式［3]。本次所進(jìn)行的抽水試驗(yàn)是通過(guò)調(diào)整抽水量的大小和時(shí)間間隔使得地下水流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即為穩(wěn)定流抽水。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)用到的設(shè)備主要有深井泵、直流電源、自來(lái)水表、萬(wàn)用表、花管等。為防止孔壁垮塌下入孔內(nèi)φ110 mm套管42.3 m，其中下部為花管。抽水采用深井泵，出水管φ20 mm，深井泵根據(jù)降深置于不同的位置（圖1）。

圖1 抽水止水情況示意圖Fig.1 Pumping water and watertight

3.3 試驗(yàn)要求及步驟

該抽水試驗(yàn)為穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，要求單位時(shí)間內(nèi)抽出的水量在小范圍內(nèi)波動(dòng)，這是抽水試驗(yàn)成功的前提條件。

抽水試驗(yàn)大致按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

（1）用清水進(jìn)行洗孔，并進(jìn)行試抽水將孔內(nèi)的水抽完，待水位恢復(fù)24 h，記錄穩(wěn)定水位。

（2）根據(jù)穩(wěn)定水位設(shè)計(jì)穩(wěn)定降深的次數(shù)和深度。

（3）按最佳時(shí)間間隔進(jìn)行抽水，并記錄每次抽出的水量及間隔時(shí)間，直至達(dá)到要求的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間為止。

（4）觀測(cè)恢復(fù)水位。

（5）變換降深，按上述步驟進(jìn)行下一個(gè)落程的試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

本次現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行了3個(gè)落程的抽水試驗(yàn)（圖2）。經(jīng)整理主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖2 抽水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.2 Photo of pumping test

表1 抽水試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)表Table 1 Main test data

3.5 數(shù)據(jù)整理及工程應(yīng)用

3.5.1 數(shù)據(jù)整理

滲透系數(shù)及影響半徑是兩個(gè)重要的巖土水理性質(zhì)指標(biāo)，滲透系數(shù)［4]是表示巖土透水性的指標(biāo)，即單位時(shí)間內(nèi)水在巖土層孔隙中于單位梯度下通過(guò)單位斷面的水量，其受很多因素的影響，也可用于解決許多問(wèn)題；而影響半徑是指抽水時(shí)由井軸至降落漏斗外部邊緣靜水位的距離而言。計(jì)算工程涌水量和巖層滲透系數(shù)時(shí)，影響半徑是重要的原始數(shù)據(jù)之一。

由于鉆孔為具承壓水的不完整井，因此本次采用巴布什金－吉林斯基［4]公式計(jì)算（式1）滲透系數(shù)K。影響半徑R采用吉哈爾特公式（式2）進(jìn)行計(jì)算。

式中，Q 為涌水量（m3／d）；K 為滲透系數(shù)（m／d）；R為影響半徑（m）；S為抽水時(shí)水位降深（m）；L為過(guò)濾器有效滲透部分的長(zhǎng)度（m）；r為鉆孔半徑（m）。

根據(jù)上述公式計(jì)算出3個(gè)落程的滲透系數(shù)及影響半徑見(jiàn)表2。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算成果表Table 2 Hydro－geological parameter calculations

試驗(yàn)孔Q－S曲線見(jiàn)圖3，Q－T、S－T曲線見(jiàn)圖4。

3.5.2 工程應(yīng)用

由上述曲線看出，隨降深增加流量增大，Q－S關(guān)系曲線呈近似直線關(guān)系，符合承壓水Q－S關(guān)系。滲透系數(shù)隨含水層厚度的增大而增大，當(dāng)含水層厚度增大到一定值，滲透系數(shù)在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)然由于本次研究試驗(yàn)點(diǎn)較少，且下伏地層巖性的非單一性，滲透系數(shù)隨含水層厚度的這一變化規(guī)律還有待證明。

圖3 Q－S曲線Fig.3 Q－S curve

圖 4 Q －T、S －T 曲線Fig.4 Q －T、S －T curve

通過(guò)本次試驗(yàn)獲得的滲透系數(shù)K值為：0.065～0.074 m／d，算術(shù)平均值0.07 m／d；影響半徑為：20.65～73.81 m，算術(shù)平均值為49.7 m。因此，對(duì)于該隧道含水層的綜合滲透系數(shù)K值的選取，可以用求得的平均值K＝0.07 m／d作為本隧道降深范圍內(nèi)地層組的綜合滲透系數(shù)，影響半徑為49.7 m。

由野外地質(zhì)調(diào)查并結(jié)合上述計(jì)算獲得的滲透系數(shù)可知，該隧道地層滲透系數(shù)較小，且隧道范圍內(nèi)基巖裂隙水較少。因此，隧道開(kāi)挖不會(huì)出現(xiàn)大的涌水。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）野外抽水試驗(yàn)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便捷，且能較準(zhǔn)確地反應(yīng)含水層的實(shí)際狀況的特點(diǎn)，但計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的公式有很多，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的計(jì)算公式來(lái)獲取水文地質(zhì)參數(shù)才能為施工提供較可靠的技術(shù)保障。

（2）本研究在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及鉆探的基礎(chǔ)上進(jìn)行了隧道抽水試驗(yàn)，并選取合適的計(jì)算公式獲取了該隧道水文地質(zhì)參數(shù)，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康模瑸樗淼赖目辈煸O(shè)計(jì)及施工提供了較可靠的技術(shù)支持。

［1]高崇道.抽水試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間的探討［J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1994，（3）：21－23.

［2]陳小烽.抽水試驗(yàn)中常遇問(wèn)題的分析［J].探礦工程，2001，（5）：43－51.

［3]劉峰.提水試驗(yàn)在某油氣管道隧道工程勘察中的應(yīng)用［J].有色勘察技術(shù)，2011，（3）：1－8.

［4]鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.