潮汐環(huán)境影響下水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算研究

，，

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223001)

在地下工程建設(shè)前期，對(duì)含水層的參數(shù)求取是一項(xiàng)重要工作，目前對(duì)含水層參數(shù)通常采用抽水試驗(yàn)抽水試驗(yàn)來求取[1]。在沿海地區(qū)或入海河道下游地區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)時(shí)，受海潮的影響，含水層地下水位的變化比較復(fù)雜[2][3]，出現(xiàn)與海潮相似的周期性波動(dòng)[4]，給水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算造成很大的不便；同時(shí)由于地下水位受潮汐影響，在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，尤其是進(jìn)行非穩(wěn)定流計(jì)算時(shí)，經(jīng)常造成計(jì)算數(shù)值的偏大或偏小，給水文地質(zhì)參數(shù)取值帶來困難[5]。近幾十年來有很多學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作，Carr等[6]提出通過潮汐方法研究含水層特性，則可以確定水力傳導(dǎo)率和存儲(chǔ)率的比值，從而避免抽水試驗(yàn)工作的某些復(fù)雜性；陳葆仁等[7]應(yīng)用地下水動(dòng)態(tài)觀測系列,用頻譜分析方法推求水文地質(zhì)參數(shù)；李國敏[8]提出了利用地下水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)求水力傳導(dǎo)系數(shù)的方法。基于潮汐動(dòng)態(tài)下地下水位呈正弦或余弦變化的波動(dòng)，本文采用近似曲線擬合法通過對(duì)觀測水位進(jìn)行修正，減少潮汐波動(dòng)影響，進(jìn)而通過泰斯配線法等求取含水層水文地質(zhì)參數(shù)。文中以長江下游某地抽水試驗(yàn)為例研討潮汐影響下水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算問題。

圖1 場區(qū)地質(zhì)剖面簡圖

1 抽水試驗(yàn)概況

擬建項(xiàng)目位于長江江漫灘之上，為一深基坑開挖工程，為了避免產(chǎn)生流砂、管涌等不良水文地質(zhì)現(xiàn)象，防止坑壁土體坍塌，保證施工安全，施工時(shí)需采取降水措施，因此要通過抽水試驗(yàn)查明項(xiàng)目區(qū)含水層地下水類型，計(jì)算目的含水層的滲透系數(shù)、給水度(或釋水系數(shù))等水文地質(zhì)參數(shù)。

抽水試驗(yàn)場區(qū)屬長江下游沖積平原漫灘地，地面標(biāo)高4.5～5.2 m，場地及周圍為樹林，距江邊約400 m。試驗(yàn)期間無降水，地下水主要受長江水影響。

試驗(yàn)期間屬長江枯水期，高潮位水位標(biāo)高2.6～3.0 m，低潮位為1.4～1.8 m，潮差一般1.0～1.2 m，為非正規(guī)半日潮。根據(jù)以往數(shù)據(jù)，該時(shí)期長江潮汐間隔約為12.5 h。

圖2 試驗(yàn)井布置示意圖

1.1 試驗(yàn)場區(qū)地質(zhì)背景

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，試驗(yàn)場區(qū)地層分為7個(gè)工程地質(zhì)層(見表1)。第四系松散沉積物厚度達(dá)60 m多，除表層和淺部分布較薄的粘性土層外，絕大部分為砂土層，砂層很發(fā)育(見圖1)。地下水類型為微承壓水，水位埋深一般2.0～2.5 m，標(biāo)高2.1～2.2 m，承壓含水層總厚度約60 m。

表1 場地地質(zhì)條件

表2 試驗(yàn)井參數(shù)

1.2 試驗(yàn)井孔布置

由于含水層厚度較大，地下水量豐富，本次抽水試驗(yàn)布設(shè)了1組非完整試驗(yàn)井，對(duì)上部松散～稍密粉砂(40 m以淺)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，其中抽水井1個(gè)，觀測井4個(gè)，觀測井沿垂直和平行于長江方向各布置觀測線一條，具體布置為：垂直長江方向2個(gè)；平行長江方向2個(gè)，見圖2；試驗(yàn)井參數(shù)詳見表2。

1.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

抽水試驗(yàn)采用了穩(wěn)定流試驗(yàn)方法，觀測井的水位觀測數(shù)據(jù)詳見表3、表4及圖3、圖4。

表3 觀測井G2-1靜止水位觀測數(shù)據(jù)表

表4 觀測井G2-1降深觀測數(shù)據(jù)表

圖3 靜止水位觀測曲線

圖4 觀測井水位降深觀測曲線

從圖3及圖4中可以看到，觀測井靜止水位及降深時(shí)間后段觀測水位值均呈曲線狀，近似正弦或余弦曲線，同長江潮汐變化之間存在密切的相關(guān)性，抽水試驗(yàn)初期由于水位變動(dòng)較大，觀測不明顯，但推理可知，試驗(yàn)初期及后期水位均受潮汐影響，在水位觀測數(shù)據(jù)未修正情況下進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算，存在一定的誤差，在計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)需對(duì)觀測水位進(jìn)行修正；在實(shí)際工作中我們可采取近似曲線擬合校準(zhǔn)法進(jìn)行修正。

2 觀測水位數(shù)據(jù)校正

根據(jù)靜止水位曲線(見圖3)可知，地下水位呈周期性變化，近似正弦變化，振幅約為0.09 m，周期為潮汐周期，即約12.5 h，故將地下水位近似視為正弦曲線，根據(jù)其數(shù)學(xué)變化規(guī)律，可得出曲線上任一點(diǎn)至起振點(diǎn)的變化值ΔS：

ΔS=Asin(B+C·t)

(1)

式中：A為振幅，潮汐變化周期內(nèi)變化量的一半，本試驗(yàn)取0.09；B為t=0時(shí)刻曲線起點(diǎn)同正弦曲線弧度差，本試驗(yàn)取0.785；C為周期變化速率，即C=；t為時(shí)間(h)。

數(shù)據(jù)校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意是正值還是負(fù)值，計(jì)算結(jié)果會(huì)加到降深值上，如果計(jì)算結(jié)果為正值，降深增加；計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，降深減少。

根據(jù)式(1)對(duì)抽水試驗(yàn)初期穩(wěn)定流段某一觀測井觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如圖5。

圖5 觀測井抽水試驗(yàn)初期水位降深校準(zhǔn)前后對(duì)比曲線

校正前后水位數(shù)據(jù)對(duì)比可知，由于潮汐影響，在觀測初期校正前后水位觀測數(shù)據(jù)誤差較大，若應(yīng)用未校正數(shù)據(jù)采用非穩(wěn)定流方式(如泰斯曲線配線法等)計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，曲線匹配誤差變大，對(duì)計(jì)算精度影響較大，故通過對(duì)觀測水位進(jìn)行校正可有效消除潮汐影響造成的誤差，提供計(jì)算精度及準(zhǔn)確度。觀測井后段水位觀測校正數(shù)據(jù)曲線平緩化，水位值波動(dòng)變小，對(duì)于判斷觀測井水位穩(wěn)定值及穩(wěn)定時(shí)間更加直觀。

3 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

由于觀測孔距抽水孔距離r=9 m<1.5 M(含水層厚度)，故可采用無越流補(bǔ)給承壓水中非完整井標(biāo)準(zhǔn)曲線[9](Walton，1970)配線法求參。

根據(jù)承壓含水層非完整井非穩(wěn)定流公式，在無越流補(bǔ)給情況下：

公式轉(zhuǎn)化可得

(2)

(3)

圖6 校正前標(biāo)準(zhǔn)曲線配線圖

圖7 校正后標(biāo)準(zhǔn)曲線配線圖

表5 校正前后參數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

表5計(jì)算結(jié)果分析，校正前后滲透系數(shù)及含水性貯水系數(shù)計(jì)算成果均有差異，校正后的滲透系數(shù)計(jì)算值較校正前大1.13，兩者之間差異小于8.5%；而貯水系數(shù)則較校正前小0.003 12，兩者差異接近50%。從兩者對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)抽水試驗(yàn)初期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，對(duì)含水層滲透系數(shù)計(jì)算差異結(jié)果影響相對(duì)偏小，但是對(duì)含水層貯水系數(shù)、給水度等參數(shù)的影響較大，對(duì)后期采用數(shù)值模擬進(jìn)行場區(qū)降水分析影響較大；基坑后期實(shí)際施工時(shí)進(jìn)行群井降水試驗(yàn)時(shí)計(jì)算的滲透系數(shù)K=15.5 m/d，并依此進(jìn)行降水指導(dǎo)，實(shí)際效果較好，校正后計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)更接近真實(shí)值。

4 結(jié)語

在沿海地區(qū)或入海河道下游地區(qū)地下水位受潮汐作用的影響呈周期性起伏變化[4]，給水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算造成較大的偏差，尤其是采用抽水試驗(yàn)初期觀測水位進(jìn)行非穩(wěn)定流計(jì)算時(shí)，影響更加明顯。本文通過對(duì)抽水試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)其數(shù)據(jù)曲線形態(tài)，采用了近似曲線擬合校準(zhǔn)方法對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，減弱潮汐作用影響，并對(duì)校正前后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)計(jì)算分析。對(duì)比結(jié)果顯示校正前后含水層滲透系數(shù)差異性相對(duì)較小，但對(duì)含水層貯水系數(shù)、給水度等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果影響較大，校正后計(jì)算的結(jié)果更接近含水層參數(shù)真實(shí)值，計(jì)算精度更高[10]。值得一提的是，本文采用的方法適合于地下水位呈周期性等幅度變化情況，如果地下水位呈變幅度變化時(shí)，則需要對(duì)潮汐水位進(jìn)行疊加計(jì)算。