廈門海底抽水試驗水文地質參數(shù)分析

王瑞芳，匡建平，張中信，馬野

（1武漢科技大學 城建學院土木系，湖北武漢 430065；2中南勘察設計院勘察中心，湖北武漢 430070）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟和交通通行的發(fā)展，地鐵、海底隧道、長江隧道等相繼開工，需要確定含水層的水文地質參數(shù)如滲透系數(shù)、導水系數(shù)、影響半徑等參數(shù)，為設計、施工提供參數(shù)。目前，確定水文參數(shù)的方法很多，馬晨光[1]提出用觀測孔水位恢復公式和等代大井聯(lián)立求解基坑潛水含水層滲透系數(shù)和影響半徑，且與實際情況接近；李術才等[2]以青島膠州灣海底隧道工程為背景，通過數(shù)值計算、模型試驗與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等手段相結合的方法，對海底隧道建設期涌水量的預測進行了研究，得出合理的滲透系數(shù)；徐楊青等[3]對長江I級階地含水層的水文參數(shù)進行了分析，得出了相應的基本規(guī)律和特性；趙琳琳等[4]結合長春地鐵一號，采用多種方法來確定含水層的水文參數(shù)；王辛[5]等以三門湖抽水試驗為依據(jù)，對穩(wěn)定井流理論的裘布依模型和非穩(wěn)定流理論的泰斯模型進行了分析對比。

以上研究方法主要是針對靜水位的抽水試驗進行的，徐超[6]雖然對廈門東通道陸域、海域的水文參數(shù)進行了計算，但并未考慮海水潮汐的作用影響。本文通過廈門第二東通道的海域砂層抽水試驗，考慮海水潮汐作用來確定海底砂層的水文參數(shù)。

1 工程簡介

廈門第二東通道工程，是擬建的廈門第二西通道工程的東延伸段。項目起點位于廈門本島北部埭遼水庫東側，在翔安側劉五店村登陸，下穿擬建的濱海東大道，并設置互通式立體交叉與其銜接，項目終點位于在建的翔安大道互通西側。為使該項目順利進行，需查明擬建項目場地的水文地質條件，提供含水層的水文地質參數(shù)（滲透系數(shù)、影響半徑等），為設計施工部門提供可靠的依據(jù)，圖1為海域部分水文試驗點示意圖。

圖1 廈門海域部分水文試驗點

2 試驗場地地質情況及抽水試驗布置

2.1 工程地質條件

由勘察報告數(shù)據(jù)[7]，對于地層概化如下：①新近填土：巖性主要為填土及填筑土；②層隔水黏性土層：主要為淤泥、淤泥質土、粉質黏土和黏性土；③含水砂層：巖性主要為細、中、粗、礫砂；④基巖：巖性為花崗巖，該層分為④-1全風化花崗巖、④-2強風化花崗巖和④-3中風化花崗巖。

2.2 水文地質條件

廈門潮汐屬正規(guī)則半日潮，抽水試驗期間擬建場地潮汐最高水位為6.14m，最低水位為0.13m，潮差為2.11～6.01m。各類地下水主要接受相鄰含水層的側向補給及海水的下滲補給，并向海域低洼方向滲流排泄。抽水試驗前對地下水進行靜止水位觀測，觀測結果對比潮汐表表明：地下水靜止水位與海水水位呈周期性變化。

2.3 抽水試驗

該次抽水試驗采用一艘500t的船泊浮式鉆探平臺，XY-200鉆機，潛水泵型號為100SD0-90/1.1（圖2）。試驗以抽取含水砂層、強風化花崗巖的兩組試驗，本文以抽取含水砂層的試驗來分析其滲透系數(shù)。在砂層抽水試驗中，設抽水主井（ZJ1）1個，同層觀測井（GC1、GC2）2個，觀測井至抽水主井的距離分別為3m、10m，如圖2所示。其中：抽水井外管采用219mm套管至砂層內約5.5m，在孔內鉆180mm孔徑至粉質黏土約1.0～1.5m，在孔內下146mm花管至粉質黏土內約1.0m；觀測井外管采用146mm套管至砂層內約5.5m，在孔內鉆130mm孔徑至粉質黏土約0.5m，在孔內下146mm花管至粉質黏土頂面，試驗布置如圖3所示。

圖2 海上抽水試驗

圖3 砂層水文試驗井安裝示意圖

抽水試驗流量以水表測量為主，基巖水位值由自動數(shù)顯液位計測量為主，以獲取準確真實的試驗資料。

3 抽水試驗曲線

砂層抽水試驗一共分為三個落程，根據(jù)自動數(shù)顯液位計測量的四個通道（可分別測定抽水井、觀測井1及2、海水水位）、時間表等工具記錄的數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖4—圖7。

圖4 砂層第一組降深、第二組降深s-t過程曲線

圖5 砂層第三組降深s-t過程曲線

圖6 流量-降深曲線

圖7 砂層靜水位與潮汐水位降深-時間曲線

從以上曲線可以看出：

（1）試驗期間，當砂層含水層抽水時，水位在起始階段快速下降，其后逐漸趨于平緩，離抽水區(qū)域近的觀測井承壓水位降深大，位置相對較遠的觀測井承壓水位降深??；（2）砂層三個降深隨著時間的變化，潛水動水位及靜水位和潮汐水文基本同步波動，砂層潛水直接受海水潮汐水位控制，補給源和海水有很密切關系；（3）根據(jù)三個落程的流量-降深曲線，近似成線性關系；（4）在抽水試驗過程及恢復過程中，觀測孔及主抽水井中水位在某時間段內水位略高于海水水位，這是由于系統(tǒng)誤差造成的。

4 水文地質參數(shù)求取

判斷抽水是穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流的方法：正式抽水前，靜水位觀測應每30min觀測一次，2h內變幅不大于2cm，且無連續(xù)上升或下降趨勢，可視為穩(wěn)定[8]。本文根據(jù)穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流來計算砂層的水文地質參數(shù)。

4.1 穩(wěn)定流理論的裘布依模型

4.1.1 按單孔抽水井試驗確定

依據(jù)《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》附錄8，利用抽水井水位下降資料，計算單孔穩(wěn)定流潛水非完整井滲透系數(shù)K及影響半徑R，計算公式如下：

根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)，整理出計算結果如表1所示。

表1 砂層抽水試驗數(shù)據(jù)

其中：r2為觀測井到抽水井的距離（m），rw為抽水孔內徑（m），Sw為抽水井落程 （m），S1、S2為第一、 第二觀測井落程（m）。

計算得出：第一降深，滲透系數(shù)K=5.54m/d，影響半徑R=35.13m；第二降深，滲透系數(shù)K=7.17m/d，影響半徑R=93.68m；第三降深，滲透系數(shù)K=9.85m/d，影響半徑R=67.70m。

綜合以上，得砂層的滲透系數(shù)為7.52m/d，影響半徑R=65.50m。

4.1.2 按單孔抽水井加一個觀測井試驗確定

（1）按單孔抽水井加第一觀測井試驗確定

計算得出：第一降深滲透系數(shù)K=5.06m/d，第二降深滲透系數(shù)K=3.42m/d，第三降深滲透系數(shù)K=6.94m/d，綜合得砂層的滲透系數(shù)為5.14m/d。

（2）按單孔抽水井加第二觀測井試驗確定

計算得出：第一降深滲透系數(shù)K=5.00m/d，第二降深滲透系數(shù)K=2.86m/d，第三降深，滲透系數(shù)K=6.14m/d，綜合得砂層的滲透系數(shù)為4.67m/d。

4.1.3 按單孔抽水井加二個觀測井試驗確定

計算得出：第一降深滲透系數(shù)K=4.72m/d，第二降深滲透系數(shù)K=3.70m/d，第三降深滲透系數(shù)K=5.85m/d，綜合得砂層的滲透系數(shù)為4.76m/d。綜合三種方法，得砂層的滲透系數(shù)為5.65m/d。

4.2 非穩(wěn)定流理論的配線法

抽水井和觀測井的水位變化隨海水潮位變化而處于周期性變化，嚴格來說，海底砂層抽水屬于非穩(wěn)定流。采用配線法計算非穩(wěn)定流抽水試驗的水文地質參數(shù)，相比于陸上抽水試驗，海上抽水試驗水位變化受海水潮汐影響較大，因此考慮主井、觀測井降深宜扣除潮汐水位的波動變化。觀測井水位變化受海水位變化影響較大，不能直接反應含水層水位的變化，因此采用主井抽降s-t曲線。根據(jù)蔣輝[9]的方法和步驟，方法為標準曲線和實際數(shù)據(jù)點的擬合：根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的曲線制作好插圖，插入調節(jié)圖片大小，插入到1/u-Wu)雙對數(shù)坐標標準曲線中，選中插圖，通過操作鍵盤的“上下左右”按鍵，平行移動2個坐標軸，實現(xiàn)實際數(shù)據(jù)點曲線與標準曲線吻合。繪制三次抽降的s-t曲線如圖8所示。

圖8三次降深非穩(wěn)定流擬合lgt-lgs曲線

圖8 中，橫坐標為lgt，縱坐標為lgs，t為抽水開始起的時間，s為降深，由三次降深抽降擬合曲線上可看出，第三降深擬合效果較好，擬合計算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三個降深的非穩(wěn)定流的水文地質參數(shù)

表2中， t為抽水時間（min），s為主井的降深（m），u為承壓含水層貯水系數(shù)，T為承壓含水層導水系數(shù)，Q為穩(wěn)定流的抽水量（m3），K為滲透系數(shù)，=T/M，M為含水層厚度（m），根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和圖3，M=3m。根據(jù)《水利水電工程鉆孔試驗規(guī)程》[8]計算滲透系數(shù)的公式及第一降深數(shù)據(jù)為例來計算水文參數(shù)：

按相同的方法及表1、表2數(shù)據(jù)，可得三個降深的滲透系數(shù)和影響半徑。綜合，海上砂層抽水試驗屬于非穩(wěn)定流，而非穩(wěn)定流中第三降深的曲線擬合最好。

5 結語

本文依據(jù)廈門第二東通道海底砂層的承壓完整井抽水試驗數(shù)據(jù)，繪制出三個落程的降深-時間等關系曲線，并得出相應的規(guī)律。結合穩(wěn)定流的三種計算方法和非穩(wěn)定流計算方法，分析了廈門海底抽水試驗，對承壓完整井有兩個觀測孔的海上抽水數(shù)據(jù)處理過程進行了探索，得出的滲透系數(shù)是真實可靠的。

海底抽水試驗嚴格來說，屬于非穩(wěn)定流抽水試驗。采用1/u-W(u)雙對數(shù)坐標標準曲線來確定含水層的水文地質參數(shù)比穩(wěn)定流理論的裘布依模型理論確定值更加符合工程實際。

由于試驗的單一性和場地的局限性，所得的結論具有一定的區(qū)域局限性，仍需要更多的現(xiàn)場試驗進一步驗證本文提出的結論。