多種抽水試驗(yàn)方法確定水文地質(zhì)參數(shù)①

摘 要：隨著地鐵建設(shè)的突飛猛進(jìn)，越來越多的基坑臨近地鐵線路，特別是建成并運(yùn)行的地鐵線路，基坑施工降水對(duì)地鐵的影響問題越發(fā)突出。本文通過工程實(shí)踐，采用多種抽水試驗(yàn)方法，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵 基坑 抽水試驗(yàn) 水文地質(zhì)參數(shù)

中圖分類號(hào)：TU413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（a）-0041-02

抽水試驗(yàn)[pumping test]，包括自試井抽取一定水量而在某距離之各觀測(cè)井測(cè)定各種時(shí)間距地下水位的變化，觀測(cè)數(shù)據(jù)利用各種地下水流理論式或其圖解法分析抽水試驗(yàn)的結(jié)果。抽水試驗(yàn)按孔數(shù)可分為：?jiǎn)慰壮樗囼?yàn)、多孔抽水、群孔干擾抽水；按水位穩(wěn)定性分為：穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)和非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)方法；按抽水孔類型分為：完整井和非完整井。

抽水試驗(yàn)應(yīng)在洗井結(jié)束，洗井質(zhì)量已達(dá)規(guī)定要求后進(jìn)行。抽水試驗(yàn)的類型、下降次數(shù)及延續(xù)時(shí)間應(yīng)按照《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（TJ27—78）及《城市供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。試驗(yàn)前，應(yīng)根據(jù)井孔結(jié)構(gòu)、水位降深、流量及其它條件，合理選擇抽水設(shè)備和測(cè)試儀具。抽水設(shè)備可用量桶、空氣壓縮機(jī)及各種水泵；流量測(cè)量，當(dāng)流量小于2 L/s時(shí)，可用量桶；大于2 L/s時(shí)；應(yīng)用堰箱（三角堰、梯形堰或矩形堰）或孔板流量計(jì)；高壓自流水可用噴水管噴發(fā)高度測(cè)量法測(cè)量流量；水位測(cè)量可用測(cè)鐘、浮標(biāo)水位計(jì)或電測(cè)水位計(jì)；水溫測(cè)量一般可用緩變溫度計(jì)或帶溫度計(jì)的測(cè)鐘。抽水設(shè)備安裝后，應(yīng)先進(jìn)行試抽，經(jīng)調(diào)試能滿足試驗(yàn)要求后，再正式抽水。采用空氣壓縮機(jī)作抽水試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)下測(cè)水位管，在測(cè)水位管內(nèi)測(cè)量動(dòng)水位。抽水試驗(yàn)中應(yīng)做好地面排水，使抽出的水排至試驗(yàn)孔影響范圍以外。 在抽水試驗(yàn)中，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行靜止水位、動(dòng)水位、恢復(fù)水位、流量、水溫、氣溫等項(xiàng)觀測(cè)，并及時(shí)如實(shí)記錄，不得任意涂改或追記。如遇水位、流量、水的渾濁度及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)等發(fā)生突變時(shí)，應(yīng)做詳細(xì)記錄，并及時(shí)查明原因。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地原始地貌單元屬?zèng)_積階地。本項(xiàng)目場(chǎng)地表面多為建筑垃圾堆填。場(chǎng)次范圍內(nèi)埋藏地層的巖性及野外特征自上而下分別為人工填土、沖洪積黏土、礫砂、黏土、礫砂、殘積礫質(zhì)粘性土、燕山期粗?；◢弾r。場(chǎng)地內(nèi)地下水有填土層中上層滯水、砂層中孔隙潛水、承壓水及下伏基巖強(qiáng)～中風(fēng)化層中孔隙—裂隙承壓水。含水層的富水性和透水性為弱～中等，接受大氣降水和側(cè)向逕流補(bǔ)給。

擬建項(xiàng)目緊鄰已運(yùn)行地鐵線路，為了了解場(chǎng)地的水文地質(zhì)情況，進(jìn)行本次抽水試驗(yàn)。本次試驗(yàn)?zāi)康氖遣槊骰鶐r裂隙水的滲透性和富水性，測(cè)定有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，為基坑設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)，優(yōu)化基坑設(shè)計(jì)、施工、防滲排水方案，確保周圍道路、建筑物、地下管線，特別是地鐵的正常使用及運(yùn)行安全。在基坑開挖深度內(nèi)主要揭露是填土中的上層滯水和砂類土中的孔隙承壓水水量豐富，基坑開挖將揭穿該層，由于擬建項(xiàng)目采用地下連續(xù)墻，可不考慮上部上層滯水及砂層中承壓水對(duì)本工程的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位要求，本次勘察針對(duì)下伏基巖強(qiáng)～中風(fēng)化層中孔隙—裂隙承壓水進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的水位地質(zhì)參數(shù)。

2 勘察方法

2.1 抽水試驗(yàn)概況

擬建4層地下室，基坑開挖深度約為18.0 m（標(biāo)高-11.70 m），基坑底板巖性主要為殘積土層。本次勘察抽水孔與觀測(cè)孔孔口標(biāo)高變化于6.09～7.04 m。地下水埋深為3.80～5.90 m，水位標(biāo)高為0.63～2.98 m之間，基坑開挖期間地下水位降深達(dá)到14.20 m以上。而基坑開挖后，若采用人工挖孔樁時(shí)（以中～微風(fēng)化巖作為樁端持力層，中風(fēng)化巖層頂標(biāo)高介于-35.51～-26.43 m），地下水位降深將達(dá)到tpwKtj3QZlE2w5f9ObPMNg==30 m以上，最大達(dá)38 m。

2.2 抽水試驗(yàn)方案

本次水文地質(zhì)試驗(yàn)共布置6組試驗(yàn)孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，每組試驗(yàn)孔包括一個(gè)抽水孔和兩個(gè)觀測(cè)孔?？偣膊贾贸樗?個(gè)，觀測(cè)孔12個(gè)。

本次水文地質(zhì)勘察針對(duì)強(qiáng)～中風(fēng)化巖基巖裂隙水，本次勘察抽水試驗(yàn)孔按承壓水完整井結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工成井。具體試驗(yàn)成孔步驟如下。

（1）先用Ф350 mm鉆具，清水鉆進(jìn)，鉆穿中風(fēng)化層，再下Ф127 mm濾水管（強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖段采用過濾管，保證孔隙率大于30%，其它部分采用鋼套管），外包銅紗網(wǎng)2層至孔底0.5～1.0 m處，周邊回填碎石濾料至全風(fēng)化巖底部，后回填黏土球至砂層底部。

（2）終孔后采用聯(lián)合洗孔法（沖孔器和混合器），達(dá)到水清砂凈為止，進(jìn)行靜止水位觀測(cè)。最后安裝水泵及其它抽水試驗(yàn)設(shè)備，將水泵放置在孔底2.0～3.0 m位置，后進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

（3）觀測(cè)孔采用Ф127開孔，一徑到底，漏水管采用Ф50PVC管，過濾器打孔后（強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖段梅花狀打空，保證孔隙率大于30%），外纏銅紗網(wǎng)，周邊回填碎石濾料至全風(fēng)化巖底部，后回填黏土球至砂層底部。

（4）開始抽水試驗(yàn)。

每組抽水試驗(yàn)前先對(duì)抽水孔進(jìn)行洗井，即加入清水，返出渾濁水，直至返出清水為止。各鉆孔抽水采用深井水泵抽水，抽水延續(xù)時(shí)間每個(gè)降深在8 h以上，穩(wěn)定水位觀測(cè)在4 h以上。抽水結(jié)束后進(jìn)行恢復(fù)水位觀測(cè)，直至水位恢復(fù)穩(wěn)定為止。

2.3 抽水試驗(yàn)技術(shù)要求

（1）抽水試驗(yàn)采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。每孔基巖段抽水，抽水分2個(gè)降深，每次降深差宜大于2 m，每次降深穩(wěn)定時(shí)間6～8 h，穩(wěn)定水位波動(dòng)不超過2 cm。抽水結(jié)束后應(yīng)測(cè)量恢復(fù)水位，評(píng)價(jià)含水層的涌水量滲透性及補(bǔ)給情況。抽水后都進(jìn)行了恢復(fù)水位觀測(cè)。

（2）穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的流量穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，在涌水量無連續(xù)增大或變小的區(qū)間內(nèi)，各次流量的最大差值與平均流量值之比不得大于3%。水位穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為在抽水試驗(yàn)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間內(nèi)，水位無持續(xù)上升或下降趨勢(shì)；動(dòng)水位不得大于平均水位降深的1%。

（3）觀測(cè)井的設(shè)置與觀測(cè)水位頻率。

每一個(gè)抽水孔旁布設(shè)2個(gè)觀測(cè)孔，觀測(cè)時(shí)間與抽水孔同步進(jìn)行。抽水時(shí)觀測(cè)時(shí)間為抽水開始后的第1、3、5、10、15、20、25、30 min各測(cè)一次，之后每隔30 min或60 min觀測(cè)一次。

2.4 抽水試驗(yàn)井管結(jié)構(gòu)

由于本場(chǎng)地第四系覆蓋層為人工填土、黏性土、礫砂層，其中礫砂層富水性、滲透性好，因此本次勘察抽水孔均只對(duì)基巖（強(qiáng)～中風(fēng)化巖）裂隙水進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，抽水井管采用黏土球封堵砂層水，觀測(cè)孔采用Φ127 mm套管封堵上覆砂層水，實(shí)現(xiàn)分層抽水的目的。

2.5 抽水試驗(yàn)成果

根據(jù)本次抽水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)資料，各個(gè)孔各繪制了降深與時(shí)間過程曲線圖、流量與時(shí)間過程曲線圖、Q=f（s）曲線圖、q=f（s）曲線圖及水位恢復(fù)曲線（過程）圖。

3 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

3.1 滲透系數(shù)的計(jì)算

本次試驗(yàn)采用多孔抽水試驗(yàn)，根據(jù)地下水的類型、抽水試驗(yàn)的類型采用承壓水穩(wěn)定流完整孔多孔、單孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式及按水位恢復(fù)法計(jì)算公式。

（1）承壓水穩(wěn)定流完整孔多孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)（k）、影響半徑（R）的計(jì)算公式：

兩個(gè)觀測(cè)孔：

一個(gè)觀測(cè)孔：

單孔抽水：

（經(jīng)驗(yàn)公式）

式中：

Q為涌水量（m3/d）；

M為承壓水含水層厚度（m）；

s為抽水孔的降深（m）；

r1、r2為觀測(cè)井1、觀測(cè)井2距主井的距離（m）；

s1、s2為觀測(cè)井1、觀測(cè)井2的降深（m）；

R為影響半徑（m）；

rw為濾水管半徑（m）。

（2）按水位恢復(fù)計(jì)算公式：

式中：

Q為抽水穩(wěn)定流量（m3/d）；

h1、h2為井中水柱高度（m）；

s1、s2為井中恢復(fù)的剩余水位降深（m）；

t為水位恢復(fù)計(jì)算時(shí)間間隔（min）；

rw為鉆孔出水段半徑（mm）。

依據(jù)抽水試驗(yàn)成果，各地塊計(jì)算所得滲透系數(shù)及影響半徑見表1。

表1中，ZK3號(hào)孔抽水試驗(yàn)：觀測(cè)孔成孔不甚理想，剔除一個(gè)觀測(cè)井（G1）、一個(gè)觀測(cè)井（G2）數(shù)據(jù)后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；ZK6號(hào)孔抽水試驗(yàn)：主孔和觀測(cè)孔成孔均不甚理想，視為試驗(yàn)失敗。

綜合分析，強(qiáng)～中風(fēng)化巖滲透系數(shù)按照1.50 m/d考慮，影響半徑按照150 m考慮。

4 基坑方案分析與建議

由于場(chǎng)地基巖裂隙水極發(fā)育，基坑及人工挖孔樁施工時(shí)，坑（樁）內(nèi)降水極其困難。而坑（樁）內(nèi)降水又極易引起周圍市政道路、建筑物，特別是地鐵的沉降、變形、開裂。

止水帷幕及基坑支護(hù)建議采用排樁+高壓旋噴樁（中風(fēng)化巖段采用劈裂灌漿法）或地下連續(xù)墻方法，其深度要求進(jìn)入微風(fēng)化巖不小于0.5 m。

根據(jù)場(chǎng)地情況，地鐵緊鄰場(chǎng)地，地鐵埋深小于20 m，基坑邊緣距地鐵控制線15.00～18.00 m，距離較近，各地塊基坑降水對(duì)正運(yùn)營(yíng)地鐵線可能會(huì)產(chǎn)生較大影響，建議各地塊基坑靠地鐵一側(cè)基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻支護(hù)方法加強(qiáng)支護(hù)措施。同時(shí)在地鐵線附近采用回灌措施，避免產(chǎn)生沉降。

在基坑、樁基施工期間，應(yīng)對(duì)周邊市政道路、建筑物、特別是地鐵布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行沉降和位移監(jiān)測(cè)，并對(duì)附近地表進(jìn)行巡查有無異?，F(xiàn)象（涌砂、涌水）發(fā)生。由于擬建項(xiàng)目緊鄰地鐵線，應(yīng)在基坑外地鐵兩側(cè)設(shè)置多處注水井，用來觀測(cè)地下水位變化，當(dāng)?shù)叵滤幌陆颠^大，可能引起地鐵較大沉降時(shí)，應(yīng)往注水井注水，確保地鐵的正常運(yùn)行。

在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)做防止涌砂、涌水的應(yīng)急預(yù)案（如封堵、回灌等措施），盡量避開雨季施工。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)、施工采用上述參數(shù)及建議，基坑支護(hù)及降水情況良好，對(duì)地鐵及周邊建筑物、管線等的影響均在要求范圍內(nèi)，確保地鐵的正常運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期要求，取得了很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

由此可見臨近地鐵線路的基坑工程中，確定含水層的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)尤其是滲透系數(shù)K值和影響半徑R值對(duì)工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于利用兩個(gè)觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)方法，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)要求十分嚴(yán)格，特別是分層抽水試驗(yàn)，隔水措施是否處理好是試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。如果其中一個(gè)孔（抽水孔或觀測(cè)孔）沒有處理好時(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，這種情況可通過多種理論及經(jīng)驗(yàn)公式綜合求取，確保抽水試驗(yàn)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性。

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