基于抽水試驗的含水層水文地質(zhì)參數(shù)計算方法探討
——以天津市陸家嘴廣場項目工程為例

(天津市勘察院，天津 300191)

基坑工程事故的發(fā)生的主要誘因是由于地下水所導(dǎo)致的，正式由于地下水控制的重要，說明地下水運動規(guī)律的研究具有復(fù)雜性和多變性。抽水試驗是基坑降水施工中對水文地質(zhì)參數(shù)計算分析的重要試驗資料，同時多數(shù)基坑的降水主要根據(jù)潛水含水層進行計算，往往抽水試驗得到的水文地質(zhì)參數(shù)與實際情況有較大的差距。

目前國內(nèi)對水文地質(zhì)參數(shù)的研究主要是從空間識別方法所對應(yīng)的模型進行實驗數(shù)據(jù)模擬，主要針對室內(nèi)實驗與符合實際情況的數(shù)學(xué)模型進行耦合方法研究。如，王福慶[1]利用大田土壤水平滲透系數(shù)自動量測系統(tǒng)進行灌溉排水時土壤滲透系數(shù)的研究；薛宏智[2]等人運用仿泰斯公式求解潛水非穩(wěn)定流完整輻射井抽水試驗水文地質(zhì)參數(shù)，并反演優(yōu)化模型；沙俊強[3]等人采用解析法和數(shù)值分析法對長江底部隧道不同流量和降深組合下的土層滲透系數(shù)進行計算，確定滲透系數(shù)值。在研究方法上，水文地質(zhì)參數(shù)求解方法具有廣泛性，其中解析法、配線法、試算法、圖解法、為主要研究方法[4-7]，因此，水文地質(zhì)參數(shù)的抽水試驗研究方法的不斷完善，對探索經(jīng)濟適用的求解方法具有重要實踐意義。

1 工程概況

試驗場地位于工程場地西北側(cè)，西北角地鐵站北側(cè)。根據(jù)勘察資料及地基土的巖性分層、室內(nèi)滲透試驗結(jié)果及區(qū)域水文地質(zhì)資料，場地埋深65.00 m以上可劃分為3個含水段。(1)上層滯水含水段一般不連續(xù)分布，主要位于埋深約4.00～7.00 m段，含水層主要為人工填土層，分布不穩(wěn)定；(2)潛水含水層由全新統(tǒng)上組陸相沖積層(Q43al)粉土、全新統(tǒng)中組海相沉積層(Q42m)粉土組成，屬微～弱透水層，部分地段與上層滯水貫通。厚度尚穩(wěn)定，頂板標高有所起伏，全場地均有分布；(3)微承壓含水段主要指埋深約23.50～65.00 m段，主要分第一二微承壓含水層和第一二微承壓相對隔水層。

試驗場區(qū)潛水和上層滯水受大氣降水影響，地下水礦化度較低，在0.85～1.16 g/L之間變化，以Cl·SO4-Na·Ca型中性水為主；微承壓水水化學(xué)成份受晚更新世以來多次海侵作用和后期改造影響，礦化度較大，一般為2.7～7.1 g/L，地下水類型以Cl·HCO3-Na·Mg型中性水為主。

2 研究思路與內(nèi)容

基坑降水中的水文地質(zhì)參數(shù)主要包括滲透系數(shù)k和影響半徑R，系數(shù)計算的準確程度直接影響工程的可靠性，重要的原因是抽水試驗所計算的水文地質(zhì)參數(shù)與實際水文情況有多差距，所以開展抽水試驗的含水層水文地質(zhì)參數(shù)計算成為今后重要的研究課題。

隨著地下水含水層水流運動理論的發(fā)展，試驗?zāi)康臑椴槊鲌龅氐鼗翝B透性和富水性，測定含水層的滲透系數(shù)、影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)，為建筑基坑開挖降水設(shè)計提供水文地質(zhì)資料，研究思路見圖1。

圖1 研究思路流程圖

3 基本原理與基礎(chǔ)資料

3.1 基本原理[8-9]

由于抽水試驗均為完整井抽水，故可以在水文地質(zhì)概念模型的概化條件下，建立承壓含水層中地下水向完整井非穩(wěn)定運動的數(shù)學(xué)模型：

(1)

其中：s為承壓含水層中任一點的水位降深，r為該點與抽水孔井軸的徑向距離；μ*為承壓含水層的貯水系數(shù)；K為承壓含水層的滲透系數(shù)；M為含水層厚度；Q為抽水流量。

對于承壓含水層和潛水含水段而言，所需要的水文地質(zhì)參數(shù)主要為滲透系數(shù)K及影響半徑R。抽水試驗場區(qū)第一微承壓含水層和潛水含水段巖性較均勻，地下水運動為層流，符合裘布依方程的使用條件，同時具有兩個觀測孔，計算公式見表1。

表1 滲透系數(shù)在不同含水層計算公式

3.2 基礎(chǔ)資料

抽水試驗潛水井及承壓水抽水井均采用完整井穩(wěn)定流抽水方法，對潛水抽水井使用6 m3/h的潛水泵進行一次降深抽水；第一微承壓水抽水井使用10 m3/h的水泵進行三次降深抽水。抽水試驗各井水位埋深及水位標高見表2和表3。

表3 潛水試驗段及其他抽水主井及觀測井試驗情況一覽表

4 水文地質(zhì)參數(shù)計算與比較

4.1 微承壓水水文地質(zhì)參數(shù)計算

4.1.1 滲透系數(shù)求解

根據(jù)鉆探資料及勘察資料，抽水試驗場區(qū)第一微承壓含水層巖性較均勻，厚度較穩(wěn)定，地下水運動為層流，符合裘布依方程的使用條件。因此，計算采用了承壓水穩(wěn)定流完整井公式。由于過濾管壁的摩阻和水力坡度增加的結(jié)果，抽水時井孔內(nèi)產(chǎn)生了三維流和紊流，這時需要對降深S值加以修正以保證影響半徑計算精度。根據(jù)表1現(xiàn)場抽水試驗結(jié)果，水躍值計算結(jié)果見表4，將試驗數(shù)據(jù)代入式(1)中計算滲透系數(shù)見表5。

表4 承壓抽水井水躍值及修正后主井水位降深成果表 m

表5 承壓含水層滲透系數(shù)K計算成果表 m/d

4.1.2 影響半徑求解

根據(jù)迭代法和圖解法可以看出，影響半徑的大小與降深、抽水時間等諸多條件有關(guān)，根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-99)中關(guān)于設(shè)計降水深度在基坑范圍內(nèi)不宜小于坑底面以下0.50 m之規(guī)定。依據(jù)圖2，由此條件推算圖解法和迭代法的影響半徑分別為122.1 m、125.3 m，影響半徑的平均為123.7 m。

圖2 第一微承壓含水層影響半徑推算圖

4.2 潛水水文地質(zhì)參數(shù)計算

4.2.1 滲透系數(shù)求解

考慮到潛水試驗段出水量小，因此只進行了一個降深的抽水試驗。根據(jù)勘察資料綜合分析，抽水試驗場區(qū)潛水試驗段巖性較均勻，厚度較穩(wěn)定，地下水運動為層流，符合裘布依方程的使用條件。根據(jù)表2現(xiàn)場抽水試驗結(jié)果，利用公式 計算潛水試驗段滲透系數(shù)見表6。

表6潛水試驗段滲透系數(shù)計算成果 m/d

圖3 s-lgr關(guān)系曲線

4.2.2 影響半徑求解

利用抽水井的水位降深計算水文地質(zhì)參數(shù)時，考慮到過濾管壁的摩阻和水力坡度的增加，抽水時井孔內(nèi)會產(chǎn)生三維流和紊流，需要對抽水井降深S值加以修正以保證計算精度。通過相關(guān)研究與實踐證明，認為水躍值是孔壁水位與井內(nèi)水位之差比較切合實際。由于本次抽水試驗潛水含水層厚度較大，水躍值的計算采用s-lgr直線圖解法進行計算，根據(jù)在同一時刻(t為定值)，不同觀測孔對應(yīng)于該時刻的降深s與各孔至主孔距離的對數(shù)(lgr)呈直線關(guān)系，見圖3。該直線與主孔壁縱直線有一交點，該點對應(yīng)降深為s，稱之為抽水孔的理論降深(對應(yīng)于同一時刻)。根據(jù)圖解法得出本次潛水抽水井理論降深為5.714 m，水躍值為0.340 m。

通過對迭代法、解析法、圖解法分別計算求平均值，求解潛水試驗段影響半徑，結(jié)果見表7。

表7 潛水試驗段影響半徑計算結(jié)果統(tǒng)計表 m

4.3 各含水層之間水力聯(lián)系分析

為了保證潛水試驗段、第二微承壓含水層和第一微承壓含水層之間的水力聯(lián)系的準確性，在進行第一微承壓含水層的抽水試驗的同時對潛水試驗段和第二微承壓含水層的抽水井及觀測井進行水位觀測，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制了潛水試驗段和第二微承壓含水層的水位變化圖，見圖4、圖5。

圖4 第一微承壓含水層抽水時潛水水位變化

圖5 第一微承壓含水層抽水時第二微承壓含水層水位變化

從圖4中可以看出，第一微承壓含水層在抽水過程中潛水試驗段的水位呈周期性變化，變化周期為一天。潛水試驗段水位整體上有所下降，當?shù)谝晃⒊袎汉畬映樗瞪钸_到10.194 m時，潛水試驗段水位下降值約為3 cm。試驗期間水位變幅在8 cm左右。從圖5可以看出，第一微承壓含水層在抽水過程中第二微承壓含水層的水位有所下降，當?shù)谝晃⒊袎汉畬映樗瞪钸_到10.194 m時，第二微承壓含水層水位最大下降值約為11 cm。

為了進一步驗證第一、二微承壓含水層之間的水力聯(lián)系情況，對第二微承壓含水層進行抽水的同時也觀測了第一微承壓含水層的水位變化情況，見圖6。

從圖6可以看出，第二微承壓含水層在抽水過程中第一微承壓含水層的水位亦有所下降，當?shù)诙⒊袎汉畬映樗瞪钸_到8.022 m時，第一微承壓含水層水位降深隨著離第二微承壓含水層抽水井距離的增大而減小，但減小幅度不大，最大下降值約為9 cm。

通過對圖4、圖5、圖6的分析，潛水試驗段與第一微承壓含水層之間及第一、二微承壓含水層之間具有一定的水力聯(lián)系，可以產(chǎn)生越流補給。向第一微承壓含水層產(chǎn)生越流補給的主要是第二微承壓含水層。

圖6 第二微承壓含水層抽水時第一微承壓含水層水位變化

5 結(jié)語

由于天津平原面積廣闊，地勢平坦，所以各含水層均可視為側(cè)向無限延伸含水層，而且還可以將各承壓含水層概化為等厚，產(chǎn)狀水平。通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析計算，求取相關(guān)含水層的滲透系數(shù)K值等水文地質(zhì)參數(shù)。試驗通過抽水過程中對各含水層之間水頭變化觀測發(fā)現(xiàn)，潛水試驗段和第一微承壓含水層及第一、二微承壓含水層之間有水力聯(lián)系。各含水層之間的水力聯(lián)系強弱與隔水層的滲透系數(shù)、厚度有直接聯(lián)系。因此，采用一定條件下的計算方法計算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)是為工程降水、基坑支護及樁基礎(chǔ)施工提供設(shè)計依據(jù)。