水電工程鉆孔抽水試驗的技術(shù)進展

崔中濤,徐海洋,鄭克勛

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072;2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽　550000)

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水電工程鉆孔抽水試驗的技術(shù)進展

崔中濤1,徐海洋1,鄭克勛2

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072;2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽550000)

水電工程鉆孔抽水試驗是一種在鉆孔內(nèi)進行的含水層原位滲透試驗方法。隨著近些年新工藝、新技術(shù)在抽水試驗中的廣泛應用，為了完善現(xiàn)有抽水試驗內(nèi)容，本文建議增加測試工具、巖溶地區(qū)抽水試驗以及潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗水位恢復法等方面內(nèi)容。增加的內(nèi)容在實際工程中進行了大量應用，并取得了較好的效果。

抽水試驗;測試工具;水位恢復;巖溶地區(qū)抽水

0　前　　言

水電工程鉆孔抽水試驗是一種在鉆孔內(nèi)進行的含水層原位滲透試驗方法。主要是測定含水層的滲透性參數(shù)，為計算壩(閘)基、渠道、水庫滲漏量，大壩及圍堰的防滲設計和水工建筑物基坑涌水量提供依據(jù)。評價和預測的準確性與滲透性參數(shù)的可靠性密切相關。

1　抽水試驗現(xiàn)狀

《水電水利工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》[1]2005年發(fā)布，為評價工程土體滲透性提供了強有力支撐。在調(diào)查主要含水層的滲透性能及其變化規(guī)律時，可采用單孔抽水試驗。在選定的水電樞紐工程場地上，查明主要建筑物地段含水層的滲透性和各向異性以及巖土體滲透性分級時，根據(jù)水文地質(zhì)條件復雜程度，宜選用單孔或多孔抽水試驗；核定壩基和強烈滲漏地段巖土體準確的滲透性參數(shù)時，宜布置一定數(shù)量的多孔抽水試驗。多孔抽水試驗以抽水孔為原點，宜布置1～2條觀測線，每條觀測線上的觀測孔不宜少于3個。

抽水試驗包括穩(wěn)定流抽水試驗和非穩(wěn)定流抽水試驗，目前國內(nèi)水利水電工程場地上常用的為單孔穩(wěn)定流抽水試驗。抽水試驗目前的流程簡要概括主要為：①設備安裝;②洗孔;③試驗抽水和觀測靜止水位。計算滲透性參數(shù)需要用到抽水孔的涌水量和抽水孔的動水位等觀測數(shù)據(jù)，目前水位的觀測使用電測水位計，觀測讀數(shù)精確到1 cm，涌水量的觀測常用水表或三角堰。

2　抽水試驗的技術(shù)進展

在這十余年間許多新工藝、新技術(shù)在抽水試驗中得到了廣泛的應用，并積累了大量的抽水試驗經(jīng)驗。此外，隨著西部水電開發(fā)的進行，現(xiàn)行鉆孔抽水試驗已不能滿足超深厚覆蓋層的要求。筆者建議在抽水試驗中增加以下內(nèi)容：

2.1測試工具的改進

傳統(tǒng)抽水試驗測水位使用電測水位計,本文建議有條件時采用自動儀器測量水位。采用自動儀器測量水位可以克服人為等外界因素的干擾，使得采集的試驗數(shù)據(jù)更加真實可信。

2.2巖溶地區(qū)抽水試驗

2.2.1抽水試驗孔選擇和布置

(1)巖溶地區(qū)抽水試驗時段選擇應結(jié)合試驗目的確定。對解決供水問題，應在枯水期進行，對研究基坑或洞室涌水等問題時，應在豐水期進行抽水試驗。

(2)巖溶地區(qū)抽水試驗孔應結(jié)合場地巖溶發(fā)育程度，布置在地下水富集的強巖溶發(fā)育部位。對相對均勻的巖溶含水層，可布置一條測線，沿地下水徑流方向布置抽水孔和觀測孔；對巖性變化較大、巖溶發(fā)育的含水層，應布置兩條觀測線，其中一條應沿構(gòu)造、巖溶發(fā)育方向或強透水方向布置，另一條與之垂直；當巖體各向異性突出、巖溶發(fā)育強烈、水文地質(zhì)條件復雜時，宜在各主要滲透方向均布置觀測線。抽水試驗觀測孔可利用溶洞、落水洞、暗河和泉水等天然巖溶形態(tài)和地下水出露點。

(3)巖溶地區(qū)抽水試驗應詳細調(diào)查井(孔)周邊巖溶裂隙或巖溶管道的發(fā)育情況，并將抽出的地下水排向地下水徑流方向的下游，防止其通過巖溶通道又反流回抽水井或觀測井內(nèi)，從而得出錯誤的試驗成果。

(4)巖溶地區(qū)抽水試驗時，應預測大流量抽水可能造成的地面塌陷等不良環(huán)境地質(zhì)問題。如可能或者已經(jīng)對周邊環(huán)境造成不良影響，宜將抽水試驗改為壓水試驗或注水試驗。

2.2.2抽水試驗孔類型和結(jié)構(gòu)

巖溶地區(qū)抽水試驗孔結(jié)構(gòu)設計時，應結(jié)合試驗目的確定。將強透水層全部揭穿的抽水試驗孔，定義為完整井，計算時，以孔內(nèi)強透水段作為含水層厚度。

2.2.3抽水試驗降深和延續(xù)時間

(1)巖溶地區(qū)抽水試驗時，應根據(jù)場地巖溶水文地質(zhì)條件及相應的巖溶地下水類型，進行試抽水。

(2)當采用設計最小流量試抽水，孔內(nèi)降深持續(xù)增加，且無法達到穩(wěn)定條件時，應停止抽水，觀測孔內(nèi)恢復水位，并結(jié)合恢復水位試驗成果分析試驗孔的代表性。

(3)當采用設計最大流量試抽水，持續(xù)8 h以上，最小降深值小于0.5 m，可停止抽水。結(jié)合場地水文地質(zhì)條件采用其他方法研究巖溶水補給、徑流和排泄特征。

2.2.4過濾器

(1)巖溶地區(qū)抽水試驗過濾器應安裝在強透水層部位，其他孔段需進行封閉處理，抽水井過濾器以下需留足足夠長度的沉淀管。

(2)裂隙型、溶隙型含水層和無充填的溶洞，可采用骨架過濾器；充填黏土的溶洞，可采用包網(wǎng)或纏絲過濾器；充填沙等松散物質(zhì)的溶洞，需采用填礫過濾器。

2.2.5水泵

巖溶地區(qū)抽水試驗，應根據(jù)場地巖溶水文地質(zhì)條件配備不同尺寸、抽水量和揚程的抽水設備。選擇抽水設備需滿足動力、地下水埋深、降深、水量、過濾器直徑等要求。

2.2.6鉆探

對裂隙型或溶隙型巖溶地層內(nèi)的鉆孔可采用清水鉆進，巖溶強發(fā)育段，應采用跟管鉆進。鉆進過程中，應觀測內(nèi)外管水位。為判斷巖溶地層內(nèi)地下水位的可靠性，宜開展水位恢復試驗。

2.2.7試驗資料整編

強巖溶發(fā)育地區(qū)的多孔抽水試驗應繪制降深等值線圖，判斷巖溶發(fā)育方向和地下水主徑流方向。計算得到的影響半徑、滲透系數(shù)等參數(shù)需與地質(zhì)條件一致。

2.3計算公式

潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗水位恢復法滲透性參數(shù)計算公式(見表1)。

表1　潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗水位恢復法滲透性參數(shù)計算公式

3　應用實例

3.1巖溶地區(qū)抽水試驗實例

試驗段主要地層巖性為三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2sz2)，深灰、灰黃色泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥晶白云巖間夾頁巖，屬弱～中等巖溶化地層，巖溶較發(fā)育，總共9個鉆孔，相鄰的兩孔之間的間距為21～41 m不等，設計出水段孔徑為219 mm、沉砂段孔徑為168 mm，孔深120～150 m，9號孔因為在39.4～50.1 m遇溶洞，結(jié)束鉆孔(見圖1)。

所選單孔抽水試驗孔為6號孔，1、2、3、4、5號孔為觀測孔；群孔抽水試驗鉆孔為1、6號孔同時抽水，2、3、4、5號孔為觀測孔，1、6號孔同時抽水時，兩孔水位相差不宜大于20 cm。

滲透系數(shù)計算公式選用DL/T5213-2005規(guī)程裘布衣潛水完整孔公式：

計算公式為：

(1)

式中Q——為抽水量;

H——為含水層厚度;

S——為鉆孔降深;

R——為影響半徑;

r——為鉆孔半徑。

單位出水量的計算公式為：

(2)

圖1　各鉆孔的相對位置

當降落漏斗半徑擴散至白鷺湖時，按SL320-2005規(guī)程巴布什金單孔公式計算：

(3)

式中L——為鉆孔中水位到孔底距離；

b——為鉆孔至白鷺湖距離。

經(jīng)計算，各孔的滲透系數(shù)K，(1)、(2)式計算成果匯總于表2，(3)式計算成果匯總于表3，參數(shù)建議值見表4。

2008年1月份測得地下水埋深一般為7.7～8.9 m，對應高程1 236.76 m左右，2011年11月份測得各孔地下水埋深一般為7.3～8.0 m，相應的高程約1 238.77～1 236.58 m，由東向西有逐漸降低的趨勢，地下水排向白鷺湖。根據(jù)2012年11號孔的地下水位觀測情況，餐飲中心外側(cè)地下水位較高，埋深僅2 m左右，相應的高程約1 243 m。

根據(jù)前期多次抽水試驗計算得到滲透系數(shù)，東西向為0.15～0.45 m/d，南北向為0.38～1.0 m/d，

表2　單孔抽水試驗水文地質(zhì)參數(shù)成果匯總

表3　群孔抽水試驗水文地質(zhì)參數(shù)成果匯總

表4　抽水試驗確定的單孔水文地質(zhì)參數(shù)建議值匯總

即(2～12)×10-4cm/s，屬中等透水巖層。其中以1號孔的滲透系數(shù)最大，約為1.0 m/d。

3.2水位恢復試驗實例

某潛水含水層中有一口完整井,潛水含水層厚21 m，以定流量Q=960 m3/d進行抽水試驗,在tp=180 min時刻停泵,井中水位降深變化過程見表5,停抽時刻觀測孔中的降深sp為0.87 m。由抽水試驗數(shù)據(jù)計算得出含水層滲透系數(shù)為16.8 m/d。

表5　水位恢復觀測數(shù)據(jù)

s-lgt/t′曲線如圖2所示：

圖2　S-lgt曲線

根據(jù)下列公式計算出滲透系數(shù)K=17.4 m/d。

(4)

(5)

(6)

由水位恢復試驗計算的結(jié)果和常規(guī)抽水試驗基本一致。

4　結(jié)　　語

隨著近些年新工藝、新技術(shù)在抽水試驗中的廣泛應用，為了完善現(xiàn)有抽水試驗的內(nèi)容，本文增加測試工具、巖溶地區(qū)抽水試驗以及潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗水位恢復法等方面內(nèi)容。結(jié)合工程實例，在巖溶地區(qū)進行了抽水試驗、潛水含水層水位恢復試驗，試驗結(jié)果真實、準確、可信，滿足了工程設計的需要。

[1]中華人民共和國電力行業(yè)標準. 水電水利工程鉆孔抽水試驗規(guī)程(DL/T5213-2005)[S]. 北京: 中國電力出版社, 2005(6):10-20.

2016-03-07

崔中濤(1979-)，男，湖北仙桃人，高級工程師，從事水電水利工程勘察設計工作。

P641

B

1003-9805(2016)03-0085-03