基于現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的水文地質(zhì)模型合理概化

常銀生，黃 俊，呂 樂(lè)，朱偉鑫

(1. 南京市房屋安全服務(wù)(鑒定)處，南京 210009；2.南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，南京 210009；3.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，南京 210041)

地下水給地下工程建設(shè)帶來(lái)諸多不利影響，合理評(píng)價(jià)場(chǎng)地地下水運(yùn)動(dòng)關(guān)乎地下工程建設(shè)的安全。地下水運(yùn)動(dòng)合理描述的關(guān)鍵是獲取可靠的水文地質(zhì)參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)是獲取場(chǎng)地水文地質(zhì)參數(shù)的重要途徑[1-2]，此外，水文地質(zhì)參數(shù)反演的準(zhǔn)確性還取決于地下水計(jì)算模型的合理概化[3]。

傳統(tǒng)的水文地質(zhì)參數(shù)確定依賴(lài)于抽水試驗(yàn)和地下水流動(dòng)理論模型，Theis公式[4]、Hantush公式[5]、Boulton公式[6]分別用于描述理想承壓含水層、越流承壓含水層與潛水含水層中的地下水流動(dòng)問(wèn)題。由于場(chǎng)地水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以及工程建設(shè)中抽水井設(shè)置的差異性，給水文地質(zhì)模型的概化帶來(lái)了困難[7]。盡管數(shù)值模擬方法能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下地下水流動(dòng)計(jì)算及水文地質(zhì)參數(shù)的反演[8-9]，但由于前后處理工作量大等原因，在工程實(shí)踐中應(yīng)用并不普及，工程實(shí)踐中含水層參數(shù)反演仍以傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法(配線(xiàn)法)為主[10]。因此，如何概化水文地質(zhì)條件，合理構(gòu)建水文地質(zhì)模型，已成為水文地質(zhì)參數(shù)反演需要解決的重要問(wèn)題。

本文依托南京地鐵行知路站單井抽水試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件分析和概化，利用不同的地下水計(jì)算模型反演場(chǎng)地含水層系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)降深值與模型理論值的對(duì)比分析，評(píng)價(jià)水文地質(zhì)模型的合理性。

1 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

1.1 場(chǎng)地含水層系統(tǒng)

南京地鐵行知路站南距長(zhǎng)江約3.0 km，場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，屬長(zhǎng)江漫灘地貌單元，第四系覆蓋層均為含水層，其賦水性、透水性存在一定差異，根據(jù)鉆孔揭示的地層結(jié)構(gòu)特征和地下水賦存條件，場(chǎng)區(qū)地下水類(lèi)型主要為潛水、承壓水和基巖裂隙水。

(1)潛水主要賦存于近地表淺部①-1層雜填土中，由于雜填土成份復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散，極不均勻，其透水性較好、賦水性較差。②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土透水性、賦水性較差，屬弱透水層或相對(duì)隔水層，潛水水位埋深約1.3 m。

(2)承壓水主要賦存于場(chǎng)地粉砂、細(xì)砂、粗砂等含水層中，分為上下兩組含水層，第一組含水層由②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂組成，該含水層賦水性和透水性較好，厚度大，分布較均勻，水量較豐富，埋深較淺。存在來(lái)自上部潛水通過(guò)②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的少量補(bǔ)給，屬微承壓含水層。②-3b3-4層粉質(zhì)粘土層是良好的隔水層，第二組含水層由粉質(zhì)粘土層以下的②-3d2層粉砂、②-3d1層粉細(xì)砂、②-4d1層含礫中粗砂和②-4e1層圓礫組成，含水層主要為漫灘相全新世沉積土層，賦水性和透水性好，厚度大，分布較均勻，含水層底板為下伏基巖。第二組含水層為承壓含水層，承壓水水頭埋深約2.8 m。

(3)基巖裂隙水(包括風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水)主要賦存于白堊系浦口組K2p基巖的強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化帶中，中風(fēng)化帶巖芯較完整，裂隙不甚發(fā)育，且多閉合或充填，賦水性較差；強(qiáng)風(fēng)化帶巖芯較破碎，呈碎塊狀、砂土狀，存在一定的賦水空間，但裂隙方向不一，且裂隙間多被巖石劇烈風(fēng)化后的泥狀殘留物充填，并未形成統(tǒng)一的滲流路徑，其賦水性較差，存在少量地下水分布。

圖1 場(chǎng)地地質(zhì)剖面圖

1.2 地下水補(bǔ)給、徑流及排泄方式

潛水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給及地下水徑流的側(cè)向補(bǔ)給，以蒸發(fā)排泄、地下水徑流及人類(lèi)取水為主要排泄方式。承壓水水量較豐富，與江水聯(lián)系密切，主要補(bǔ)給來(lái)源為地下水徑流的側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式以側(cè)向徑流為主，雨季時(shí)接受江水的側(cè)向補(bǔ)給與降水的入滲補(bǔ)給，旱季時(shí)則向江中滲流排泄。上部潛水層對(duì)第一組承壓含水層存在少量越流補(bǔ)給。基巖裂隙水(包括風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙)由于受裂隙分布及相互連通條件的影響，徑流不暢，具多變性，一般以側(cè)向徑流為主要排泄方式。

2 場(chǎng)地抽水試驗(yàn)

2.1 抽水井設(shè)置

抽水試驗(yàn)的主要目的是獲得場(chǎng)地淺部含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，為基坑降水設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。從場(chǎng)地地質(zhì)剖面(圖1)可知，場(chǎng)地含水層產(chǎn)狀近乎水平，厚度較均勻。抽水井布設(shè)于②-3d-c3層粉砂夾粉土、②-3d2層粉砂中。抽水井孔徑300 mm，深度為29.00 m，井管口出露地表約30 cm。井管外徑150 mm、內(nèi)徑134 mm，上部(0.00～6.00) m為實(shí)管，中部(6.00～27.00) m為濾水管，底部2.00 m為沉淀管，井底端用鋼板封死。管外(6.00-27.00) m深度處填充直徑(1-2) mm的石英砂作濾水層。管外(0.00-6.00) m、(27.00-29.00) m填入直徑(1-2) cm的粘土球并夯實(shí)，以防地下水滲漏到試驗(yàn)含水層中。抽水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 抽水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 抽水試驗(yàn)結(jié)果

單井抽水試驗(yàn)由抽水階段和水位恢復(fù)階段組成，總計(jì)歷時(shí)49 h，抽水量、降深與時(shí)間關(guān)系如圖3所示。試驗(yàn)前期抽水量稍有波動(dòng)，后期抽水量基本穩(wěn)定，可簡(jiǎn)化為定流量抽水試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)(0～1500) min為非穩(wěn)定流連續(xù)降深階段，其中500 min后降深漸趨穩(wěn)定，單井涌水量為264.72 t/d(11.03 t/h)，水位降深為2.95 m；(1500～2940) min為停抽后的水位恢復(fù)階段。抽水試驗(yàn)結(jié)果反映了抽水條件下含水層的地下水流動(dòng)和水位變化規(guī)律，為確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 抽水試驗(yàn)Q-t和s-t曲線(xiàn)

3 水文地質(zhì)模型概化

由于試驗(yàn)場(chǎng)地為多層結(jié)構(gòu)含水層系統(tǒng)，水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，給水文地質(zhì)模型的概化帶來(lái)困難，直接影響水文地質(zhì)參數(shù)合理反演。

本次抽水試驗(yàn)涉及淺部多層結(jié)構(gòu)含水層系統(tǒng)，若以②-3b3-4層粉質(zhì)粘土層為隔水層，其上分布的①-1層雜填土、②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂可以認(rèn)為是具有不同滲透性的含水層。此外，②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層也可以認(rèn)為是弱透水層或隔水層，由此可組合出不同水文地質(zhì)模型。

3.1 承壓含水層Theis模型

結(jié)合含水層分布和抽水井設(shè)置，將②-3d-c3粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂假設(shè)為承壓含水層，上覆②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層與下臥的②-3b3-4層粉質(zhì)粘土層視為隔水層，則水文地質(zhì)模型可概化為承壓含水層完整井流問(wèn)題，可用Theis公式描述承壓含水層中單井定流量抽水的水頭分布，概化的水文地質(zhì)模型如圖4所示。

圖4 無(wú)越流承壓含水層模型

承壓含水層抽水階段水頭降深方程[4]為：

(1)

水位恢復(fù)階段的水頭降深方程[11]為：

(2)

式中：r為與抽水井的距離，m；t為從抽水開(kāi)始的時(shí)間，d；t'為從停止抽水開(kāi)始的時(shí)間，d；s(r,t)和s'(r,t')分別為距抽水井距離r處t或t' 時(shí)刻的降深和剩余降深，m；Q為抽水量，m3/d；T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；S為貯水系數(shù)，無(wú)量綱。

3.2 越流承壓含水層Hantush模型

針對(duì)圖2給出的承壓含水層模型，由于②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的滲透性較差，但并非完全不透水，若將其考慮為弱透水層，上覆①-1層雜填土中的潛水可以通過(guò)②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土對(duì)承壓含水層進(jìn)行垂向越流補(bǔ)給，則水文地質(zhì)模型可概化為越流承壓含水層完整井流問(wèn)題，概化的水文地質(zhì)模型如圖5所示。

圖5 越流承壓含水層模型

越流承壓含水層抽水階段水頭降深方程[5]為：

(3)

式中：r為與抽水井的距離，m；t為從抽水開(kāi)始的時(shí)間，d；s(r,t)為與抽水井距離為r在t時(shí)刻的降深，m；Q為抽水量，m3/d；T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；S為貯水系數(shù)，無(wú)量綱；B為越流因數(shù)，m；D'為弱透水層厚度，m；K'為弱透水層滲透系數(shù)，m/d。

3.3 潛水含水層Boulton模型

鑒于①-1層雜填土和②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度較薄，且具有一定的滲透性，而下臥②-3d-c3粉砂夾粉土、②-3d2層粉砂屬微承壓含水層，易形成地下水的互相連通，則可將②-3b3-4層粉質(zhì)粘土以上含水層統(tǒng)一概化為潛水含水層完整井流問(wèn)題，如圖6所示。

圖6 潛水含水層模型

考慮潛水含水層的重力釋水和遲后疏干，潛水含水層水頭降深方程[6]為：

式中：r為與抽水井的距離，m；t為從抽水開(kāi)始的時(shí)間，d；s為降深，m；Q為抽水量，m3/d；T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；S為貯水系數(shù)，無(wú)量綱；μ為給水度，無(wú)量綱；1/a為延遲指數(shù)，d；J0(x)為第一類(lèi)零階Bessel函數(shù)。

上述分析表明，從不同角度，抽水場(chǎng)地復(fù)雜的水文地質(zhì)條件可以概化為不同的水文地質(zhì)模型，而不同的模型在描述含水層中的地下水流動(dòng)上存在一定的差異。因此，只有選擇概化合理的水文地質(zhì)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，才能有效反演場(chǎng)地含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，合理描述含水層的地下水流動(dòng)特征。

4 水文地質(zhì)模型合理性評(píng)價(jià)

為了分析場(chǎng)地水文地質(zhì)模型的合理性，以現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合承壓含水層、越流承壓含水層和潛水含水層三種水文地質(zhì)計(jì)算模型，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合法(配線(xiàn)法)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)反演計(jì)算。

4.1 水文地質(zhì)參數(shù)反演

標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合法(配線(xiàn)法)在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，利用現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)得到的水位降深與抽水時(shí)間的關(guān)系，結(jié)合Theis模型[4]、Hantush模型[5]、Boulton模型[6]的理論曲線(xiàn)，確定含水層系統(tǒng)非穩(wěn)定流條件下的水文地質(zhì)參數(shù)。此外，為了充分利用現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的水位恢復(fù)數(shù)據(jù)，利用Theis水位恢復(fù)公式[11]反演含水層導(dǎo)水系數(shù)。三種計(jì)算模型下含水層的水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果

單井抽水試驗(yàn)不僅對(duì)抽水含水層的地下水流動(dòng)產(chǎn)生影響，而且影響場(chǎng)地含水層系統(tǒng)地下水流動(dòng)。表1顯示，不同計(jì)算模型反演得到的抽水含水層水文地質(zhì)參數(shù)存在差異。特別是承壓含水層Theis模型，由抽水前期(0～500)min和抽水階段(0～1500)min試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演得出的抽水含水層導(dǎo)水系數(shù)T和貯水系數(shù)S差異明顯。對(duì)于抽水試驗(yàn)引起的地下水非穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題，抽水時(shí)間短，抽水對(duì)整個(gè)場(chǎng)地含水層系統(tǒng)的影響小，此時(shí)，抽水試驗(yàn)結(jié)果與概化的承壓含水層Theis模型有較好的適應(yīng)性。但隨著抽水時(shí)間的增加，受場(chǎng)地含水層系統(tǒng)地下水流動(dòng)的影響，場(chǎng)地地下水流動(dòng)特征逐漸偏離了承壓含水層Theis模型的假設(shè)條件，由此影響了反演得到的水文地質(zhì)參數(shù)的可靠性。對(duì)比越流承壓含水層Hantush模型和潛水含水層Boulton模型，承壓含水層Theis模型更適用于基于短期抽水試驗(yàn)的含水層水文地質(zhì)參數(shù)反演，以減小含水層系統(tǒng)對(duì)抽水含水層地下水流動(dòng)的影響。

越流承壓含水層Hantush模型考慮了相鄰含水層對(duì)承壓含水層的越流補(bǔ)給，較好地反映了相鄰含水層間的相互影響，反演得到的水文地質(zhì)參數(shù)應(yīng)更具可靠性。潛水含水層Boulton模型考慮了重力釋水和遲后疏干作用，反演得到的水文地質(zhì)參數(shù)與越流承壓含水層Hantush模型的結(jié)果有良好的一致性。由此表明，越流承壓含水層Hantush模型和潛水含水層Boulton模型較好地反映了場(chǎng)地含水層系統(tǒng)的地下水流動(dòng)特性。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，概化水文地質(zhì)模型時(shí)，包含場(chǎng)地所有含水層(抽水影響范圍內(nèi))的概化模型更為合理，因?yàn)槟茌^好反映了場(chǎng)地含水層系統(tǒng)的地下水流動(dòng)和含水層間的相互影響。越流承壓含水層Hantush模型和潛水含水層Boulton模型盡管計(jì)算模型不同，但都是由①-1層雜填土、②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂組成，而承壓含水層Theis模型僅有②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂組成，沒(méi)有考慮與上覆①-1層雜填土和②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的相互影響，致使在長(zhǎng)時(shí)間抽水條件下，實(shí)際的地下水流動(dòng)與承壓含水層Theis模型地下水流動(dòng)的差異越發(fā)明顯，此局限性也得到了短期(0～500)min抽水試驗(yàn)結(jié)果的印證。

4.2 水文地質(zhì)模型的選擇

根據(jù)不同水文地質(zhì)模型反演的水文地質(zhì)參數(shù)得到的計(jì)算水位降深隨抽水時(shí)間變化的曲線(xiàn)，如圖7所示。現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算值的對(duì)比表明，對(duì)于越流承壓含水層Hantush模型，無(wú)論是在抽水試驗(yàn)前期還是后期，水位降深的計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均吻合良好，由于上覆潛水可以通過(guò)弱透水層對(duì)抽水含水層產(chǎn)生越流補(bǔ)給，在抽水試驗(yàn)后期，當(dāng)抽水量與越流補(bǔ)給量達(dá)到平衡時(shí)，水位降深趨于穩(wěn)定，較好地反映了場(chǎng)地含水層系統(tǒng)的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有利于指導(dǎo)工程建設(shè)中的場(chǎng)地地下水控制。

圖7 抽水試驗(yàn)s-t實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與理論計(jì)算曲線(xiàn)

對(duì)于承壓含水層Theis模型，抽水初期水位降深計(jì)算值偏小，而500 min后水位降深計(jì)算值逐漸偏大，與抽水試驗(yàn)的結(jié)果差異明顯，由此說(shuō)明，承壓含水層Theis模型對(duì)本場(chǎng)地含水層系統(tǒng)的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的反映不盡合理。

在抽水試驗(yàn)的前期和中期，潛水含水層Boulton模型計(jì)算結(jié)果與越流承壓含水層Hantush模型計(jì)算結(jié)果有良好的一致性，由于潛水含水層Boulton模型考慮了含水層的重力釋水和疏干排水，在一定程度上反映了場(chǎng)地含水層系統(tǒng)中含水層間的相互影響，其降深曲線(xiàn)類(lèi)似于越流承壓含水層降深曲線(xiàn)。在抽水試驗(yàn)后期，含水層的疏干影響逐漸減小，潛水含水層Boulton模型降深曲線(xiàn)向Theis曲線(xiàn)靠近。因此，潛水含水層Boulton模型不適于模擬本場(chǎng)地長(zhǎng)期抽水的水位降深。

上述分析表明，越流承壓含水層Hantush模型是行知路站抽水試驗(yàn)場(chǎng)地合理的水文地質(zhì)模型，在反映場(chǎng)地含水層系統(tǒng)的地下水流動(dòng)特性上更為合理，其降深擬合效果明顯優(yōu)于承壓含水層Theis模型和潛水含水層Boulton模型?；谠搅鞒袎汉畬親antush模型反演水文地質(zhì)參數(shù)，得承壓含水層(②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂)的滲透系數(shù)K為4.65m/d、貯水系數(shù)S為9.85×10-4，弱透水層(②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土)的滲透系數(shù)K'為9.50×10-2m/d。

5 結(jié)論

(1) 依據(jù)抽水試驗(yàn)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，結(jié)合抽水井的布置，概化了三個(gè)水文地質(zhì)模型，利用單井抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別反演了含水層水文地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)降深實(shí)測(cè)值和模型計(jì)算值的對(duì)比分析了水文地質(zhì)模型概化的合理性。

(2) 水文地質(zhì)模型直接影響含水層參數(shù)的反演結(jié)果和場(chǎng)地地下水流動(dòng)的描述，因此水文地質(zhì)模型的概化要充分反映場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，考慮抽水試驗(yàn)影響范圍內(nèi)含水層系統(tǒng)的地下水流動(dòng)特點(diǎn)。