基于抽水試驗的灰?guī)r承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)分析

呂紅娟

(河北省地礦局 第七地質(zhì)大隊，河北 三河 065201)

0 引 言

獲取真實反映地層的水文地質(zhì)參數(shù)是巖土工程勘察中的重要工作內(nèi)容，直接關(guān)系到地下工程防排水設(shè)計施工的可靠性和工程建設(shè)的安全性[1-3]。近年來，由于地下水誘發(fā)的基坑工程事故和隧道涌水突泥事故等屢見不鮮，其中最為重要的原因是抽水試驗計算獲取的水文地質(zhì)參數(shù)往往依賴于經(jīng)驗公式和水文工作者的經(jīng)驗進(jìn)行修正，與實際地層情況產(chǎn)生較大差異[4-6]。特別是對于灰?guī)r地區(qū)，依賴抽水試驗求解巖土層的水文地質(zhì)參數(shù)，往往需要大量的觀測孔和多次抽降次數(shù)才能獲取較為精確可靠的數(shù)據(jù)，需要耗費較高的人力和時間成本，采用數(shù)值模擬反演計算地層的水文地質(zhì)參數(shù)是解決問題的有效途徑[7]。

本文依托南京地鐵4號線樺墅站-仙林東站區(qū)間設(shè)中間風(fēng)井的抽水試驗，在分析場區(qū)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，采用抽水試驗與水文觀測孔相結(jié)合的方法，對中間風(fēng)井基坑的主要水源層周沖村組灰?guī)r承壓含水層進(jìn)行水文試驗。依據(jù)現(xiàn)場測試成果，基于VISUAL MODFLOW軟件，創(chuàng)建地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)數(shù)值模型，以獲取場區(qū)周沖村組灰?guī)r承壓含水層滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。為灰?guī)r地區(qū)承壓含水層水的水文地質(zhì)參數(shù)精確預(yù)測提供一定的依據(jù)，本研究具有一定的理論和實踐意義。

1 工程概況

南京地鐵4號線一期工程線路西起龍江站，由南京主城一路向東，北繞紫金山，進(jìn)入紫東地區(qū)，東至仙林湖站，全長34.008 km，設(shè)車站17座，車輛段1處(青龍車輛段)，主變電所2座。樺墅站-仙林東站區(qū)間設(shè)中間風(fēng)井兼作盾構(gòu)工作井1座，里程范圍為右DK42+050.533～右DK42+066.133，寬15.6 m，長23.8 m，工作井基坑底部深17.5 m，基坑開挖方式采用鉆孔灌注樁+水平內(nèi)撐結(jié)合旋噴止水。見圖1。

圖1 工程場區(qū)位置示意圖

2 場區(qū)工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)特征

2.1 工程地質(zhì)條件

試驗場地表層為可塑～硬塑狀Q4黏性土，厚度一般為8～23 m，下伏基巖為周沖村組灰?guī)r和象山群砂巖，厚度較大；受地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化作用的影響，場地內(nèi)基巖裂隙和溶蝕較為發(fā)育，巖石巖性、強(qiáng)度變化大。

區(qū)間風(fēng)井位置處的主要地層為：①素填土(Q4)：黃灰～灰色，松散，以可～軟塑狀粉質(zhì)黏土為主，夾少量碎石、植物根莖、磚屑等，厚度約1.00～1.20 m；②粉質(zhì)黏土(Q43-2)：灰黃～黃灰，以可塑為主，局部軟塑，偶含腐植物碎屑，有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無搖震反應(yīng)，厚度約1.50～2.00 m；③粉質(zhì)黏土(Q42-1)：灰黃～黃褐，可～硬塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核和少量鐵質(zhì)斑浸染，見青灰色高嶺土細(xì)脈和小團(tuán)塊，局部偶夾鈣質(zhì)結(jié)核，底部夾巖石碎塊，厚度約5.80～6.50 m；石灰?guī)r(T2z)，灰色～灰紫色，層狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀～柱狀，局部碎塊狀。局部為角礫狀灰?guī)r。溶孔和溶蝕洞極發(fā)育，頂部呈蜂窩狀，洞內(nèi)多被黏性土和風(fēng)化巖塊沖填，往下充填物漸少，巖塊強(qiáng)度高，其中13.20～14.90 m、16.80～19.20 m、22.25～28.50 m、35.45～39.50 m、41.10～45.20 m段裂隙發(fā)育，巖芯破碎，其余段較完整，47.00～47.75 m為溶洞。

2.2 場區(qū)水文地質(zhì)特征

場區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水類型齊全，孔隙裂隙水、巖溶裂隙水和孔隙潛水均有分布，各類地下水的水文地質(zhì)特征如下：

孔隙潛水主要分布于地層淺部①素填土和②粉質(zhì)黏土中，③粉質(zhì)黏土為相對隔水層。補(bǔ)給來源主要為周邊基巖裸露接受大氣降水，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流、下滲方式排泄。

基巖孔隙裂隙水主要分布于象山群砂巖基巖破碎帶和風(fēng)化裂隙發(fā)育帶，具承壓性。補(bǔ)給來源為周圍山丘基巖裸露區(qū)的降雨入滲補(bǔ)給，由于受裂隙分布及相互連通條件的影響，徑流滯緩，具有一定的不均勻性，一般以側(cè)向徑流為主要排泄方式。

巖溶裂隙水主要分布于周沖村組灰?guī)r巖溶孔洞、溶隙、裂隙內(nèi)，具承壓性。地下水富水程度取決于巖溶及風(fēng)化裂隙發(fā)育程度。試驗場巖體裂隙、溶隙、溶孔極為發(fā)育，鉆井施工中漏漿現(xiàn)象普遍，單井涌水量較大，富水性、透水性較好。據(jù)鉆探采芯表明，淺部溶孔、溶隙多被軟～流塑狀黏土充填。巖溶裂隙水補(bǔ)給來源為周圍山丘基巖裸露區(qū)的降雨入滲補(bǔ)給，沿破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶匯集徑流，主要以地下徑流的形式排泄。巖溶裂隙水含水巖組為本次抽水試驗的目的層。

試驗場松散層主要為粉質(zhì)黏土，孔隙潛水不發(fā)育?？辈炱陂g，各鉆孔灰?guī)r巖溶裂隙水穩(wěn)定水位埋深3.62～4.40 m，水位標(biāo)高11.08～11.14 m，水位受大氣降水影響變化較大。據(jù)勘察期間所測水位及臨近區(qū)域水文地質(zhì)資料，灰?guī)r巖溶裂隙水水位年變幅3 m左右。

根據(jù)場地工程地質(zhì)勘察資料分析，區(qū)間風(fēng)井場地在平面上基巖分布有二套地層，象山群砂巖和周沖村組灰?guī)r，基本以區(qū)間風(fēng)井的南界為分界線，北側(cè)為周沖村組灰?guī)r，南側(cè)為象山群砂巖，見圖2。

圖2 工程場區(qū)基巖水文地質(zhì)圖

3 現(xiàn)場抽水試驗

為準(zhǔn)確確定場地灰?guī)r的富水性及滲透性，采用抽水試驗與水文觀測試驗相結(jié)合的方法求取其水文地質(zhì)參數(shù)，共布置1口抽水井，孔號為HX2，5口觀測井，觀測井分近南北和東西兩個方向布設(shè)。近南北方向平行于隧道，布設(shè)3口觀測井，距抽水井的距離分別為5、10和25 m，孔號分別為HX3、HX4、HX5；近東西方向垂直于隧道，布設(shè)2口觀測井，距抽水井的距離分別為10和20 m，孔號分別為HX6、HX7。抽水試驗井的平面位置示意見圖3，抽水孔和觀測孔參數(shù)見表1。3個降深的抽水試驗及水位恢復(fù)試驗共歷時42 d。

圖3 抽水孔和觀測孔平面示意圖

表1 觀測孔和抽水孔的試驗參數(shù)

采用非穩(wěn)定流方法(同時兼顧穩(wěn)定流方法)進(jìn)行試驗，抽水設(shè)備為深井潛水泵，水位測量使用電子水位計，抽水主孔水位測量精確到厘米，觀測井中的水位測量精確到毫米。出水量采用水表或三角堰板測量，使用水表測量時讀數(shù)精確到0.1 m3，使用三角堰測量時讀數(shù)精確到毫米。

在試驗性抽水結(jié)束后、正式抽水前，觀測靜止水位。觀測時間間隔：每30 min或1 h觀測1次，連續(xù)4個測點變幅不大于2 cm，且無持續(xù)上升或下降趨勢，視為穩(wěn)定。取最后4個測點的水位平均值作為靜止水位值。

對抽水井水位的觀測在正式抽水試驗開始后第0.5、1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各測一次，以后每隔30min測一次(當(dāng)水位近似穩(wěn)定后，每1h觀測1次)，直到水位降相對穩(wěn)定；所有觀測井水位同步觀測。抽水試驗過程中保持相對穩(wěn)定的抽水量。

抽水試驗結(jié)束，立即進(jìn)行恢復(fù)水位觀測。抽水井在抽水停止后第0.5、1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、120 min各測一次，以后每隔30min測一次，直到水位穩(wěn)定；所有觀測井水位同步觀測，直至基本完全恢復(fù)?；謴?fù)水位穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與靜止水位觀測要求相同，并與抽水前靜水水位進(jìn)行比較。

4 抽水試驗結(jié)果

抽水試驗采用非穩(wěn)定流方法，抽水流量在3個降深抽水試驗階段均呈穩(wěn)定狀態(tài)，見圖4，反映了場地地下水補(bǔ)給源穩(wěn)定充足，抽水孔水位降深隨抽水時間的延續(xù)呈下降趨勢，一定時間后趨于穩(wěn)定，抽水孔水位歷時曲線見圖5-圖9。綜合抽水試驗成果表明，場區(qū)周沖村組灰?guī)r承壓含水層的富水性和滲透性較好，抽水結(jié)果為獲取含水層的滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、儲水系數(shù)、壓力傳導(dǎo)系數(shù)和降水影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)提供了充足的基礎(chǔ)資料。

圖4 抽水孔HX2的3次降深流量變化曲線

圖5 抽水孔HX2第一次水位降深歷時曲線

圖6 抽水孔HX2第二次水位降深歷時曲線

圖7 抽水孔HX2第二降深水位恢復(fù)歷時曲線

圖8 抽水孔HX2第三次水位降深歷時曲線

圖9 抽水孔HX2第三降深水位恢復(fù)歷時曲線

5 水文地質(zhì)參數(shù)計算

水文地質(zhì)參數(shù)采用數(shù)值模型計算，在綜合分析工程區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和地下水滲流場特征后，建立符合場區(qū)地下水滲流數(shù)值模型。并采用目前國際上流行的VISUAL MODFLOW軟件，直接在計算機(jī)上創(chuàng)建地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)數(shù)值模型，并進(jìn)行模型的校正與識別，進(jìn)而得出研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。

5.1 水文地質(zhì)概念模型

試驗地段巖層主要分布周沖村組灰?guī)r，主抽水井地層0～1.20 m為①素填土(Q4)，1.20～2.60 m為②粉質(zhì)黏土，2.60～8.80 m為③粉質(zhì)黏土，8.80 m以下為周沖村組灰?guī)r。根據(jù)巖土工程勘察資料，區(qū)間風(fēng)井處基巖地質(zhì)條件復(fù)雜，其北側(cè)為周沖村組灰?guī)r，頂板埋深17.50～29.90 m；其南側(cè)象山群砂巖覆蓋在周沖村組灰?guī)r之上，砂巖頂板埋深18.00～26.50 m，厚度3.90～14.00 m。由圖2可知，象山群砂巖地層(J1-2nx)與周沖村組灰?guī)r地層(T2Z)在風(fēng)井東南角處呈東南-西北向不整合接觸，象山群砂巖為弱透水含水層，灰?guī)r為強(qiáng)透水含水層，因此區(qū)間風(fēng)井的水源主要為西北向周沖村組灰?guī)r巖溶裂隙水。仙林東站和樺墅站的前期勘察抽水試驗成果表明，象山群砂巖裂隙含水層滲透系數(shù)約為0.5 m/d，周沖村組灰?guī)r地層滲透系數(shù)為26～70 m/d，為強(qiáng)透水層。與灰?guī)r的滲透性相比，砂巖的滲透性相差很大，前者為后者的50～100倍，可視砂巖為相對隔水層。因此，本次抽水試驗重點計算周沖村組灰?guī)r的水文地質(zhì)參數(shù)。為了克服由于邊界的不確定性給計算結(jié)果帶來隨意性，本著定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源、匯項的原則，通過試算，以基坑中心為起點，各向外擴(kuò)展約1 600 m，即實際計算平面尺寸為3 200×3 200 m2，灰?guī)r區(qū)域按定水頭邊界處理，砂巖區(qū)域邊界按隔水邊界處理，在地下水的減壓、疏干過程中，地下水流態(tài)為二維非穩(wěn)定流?；觾?nèi)地下水的降壓、疏干井是唯一的源、匯項。

5.2 水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述概念模型，可建立下列與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型：

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z∈Ω)

(2)

H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t) (x,y,z)∈Γ1

(3)

式中：Ss為貯水率，1/m；k為滲透系數(shù)，m/d；H為點(x,y,z)在t時刻的水頭值，m；W為源匯項，1/d；t為時間，d；Ω為計算區(qū)；H0(x,y,z,t0)為點(x,y,z)處的初始水位，m；H1(x,y,z,t)為第一類邊界上的水頭值；Γ1為第一類邊界。

5.3 模型識別與驗正

將計算區(qū)在平面上剖分為100×100的矩形等距網(wǎng)格單元，單元數(shù)共10 000個，見圖10。平面上共分兩個含水層區(qū)域，即灰?guī)r(T2z)含水層區(qū)和砂巖(J1-2xn)相對隔水層區(qū)，見圖11。抽水井的流量由實測獲得，見圖4可知，含水層的初始水位由實測給出，含水層初始水頭值由實測值經(jīng)插值給出，邊界上的水力傳導(dǎo)系數(shù)及潛水弱含水層和象山群砂巖弱含水層的參數(shù)值結(jié)合仙林東站和樺墅站現(xiàn)場抽水試驗和室內(nèi)實驗給出。根據(jù)本次工作第一、第二次降深及第二次降深恢復(fù)時段的抽水試驗成果，選取抽水過程作為模型的識別時段，水位恢復(fù)過程作為模型的驗證時段[8]。

圖10 研究區(qū)數(shù)值模型平面網(wǎng)格剖分圖

圖11 研究區(qū)數(shù)值模型參數(shù)分區(qū)圖

對5口觀測井進(jìn)行水位擬合，經(jīng)水位擬合和反演計算，求得含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，各觀測孔水位擬合曲線見圖12～圖16。從擬合結(jié)果來看，計算值和觀測值的總體變化趨勢一致，其參數(shù)可用于模型預(yù)報。

圖12 觀測孔HX3水位擬合曲線

圖13 觀測孔HX4水位擬合曲線

圖14 觀測孔HX5水位擬合曲線

圖15 觀測孔HX6水位擬合曲線

圖16 觀測孔HX7水位擬合曲線

5.4 水文地質(zhì)參數(shù)計算

主抽水孔HX2第一次降深抽水試驗平均流量為68.8 m3/h，最大水位降深19.56 m，HX3、HX4、HX5、HX6、HX7這5個觀測孔水位最大降深分別18.14、11.53、7.13、11.40和6.19 m；主抽水孔HX2第二次降深抽水試驗平均流量為33.7 m3/h，水位降深11.20 m，HX3、HX4、HX5、HX6、HX7這5個觀測孔水位最大降深分別10.48、7.80、5.77、8.35和5.25 m；隨后進(jìn)行恢復(fù)水位觀測。根據(jù)以上的數(shù)值模型，通過反演計算，求得周沖村組灰?guī)r承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，見表2。

表2 灰?guī)r承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)

綜上所得，周沖村組灰?guī)r承壓含水層的滲透系數(shù)k為11.1～14.9 m/d，導(dǎo)水系數(shù)T為360.75～484.25 m2/d，壓力傳導(dǎo)系數(shù)a為1.04×107～4.08×107，儲水系數(shù)μ為2.00×10-5～9.00×10-5，當(dāng)抽水井降深為19.56 m時，影響半徑為703 m?？梢?，雖然各觀測孔離抽水主孔距離不同，但計算的參數(shù)差異較小，基本能代表該含水層的特性。因此，建議各項水文地質(zhì)參數(shù)選用平均值，即周沖村組灰?guī)r承壓含水層滲透系數(shù)k為12.9 m/d、導(dǎo)水系數(shù)T為418.6 m2/d、壓力傳導(dǎo)系數(shù)a為2.84×107、儲水系數(shù)μ為4.20×10-5。結(jié)果表明，樺仙區(qū)間風(fēng)井地段抽水孔單井涌水量高，地層滲透系數(shù)大。建議在保證基坑支護(hù)安全的情況下，采用降水井方案進(jìn)行地下水的降排。

6 結(jié) 論

1) 經(jīng)鉆探揭示，樺仙區(qū)間風(fēng)井地段地質(zhì)條件復(fù)雜，其北側(cè)為周沖村組灰?guī)r；南側(cè)象山群砂巖覆蓋在周沖村組灰?guī)r之上，兩者屬不整合接觸。周沖村組灰?guī)r承壓含水層是本次抽水試驗?zāi)康膶游?。根?jù)鉆探資料和灰?guī)r含水層的抽水試驗資料分析，灰?guī)r含水層裂隙和溶蝕現(xiàn)象極為發(fā)育，淺部分布的溶孔、溶隙多被黏土充填，總體富水性和透水性好。

2) 根據(jù)本次工作第一、第二次降深及第二次降深恢復(fù)時段的抽水試驗成果，選取抽水過程作為模型的識別時段，水位恢復(fù)過程作為模型的驗證時段，對5口觀測井進(jìn)行水位擬合，經(jīng)水位擬合及反演計算，求得含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。從擬合結(jié)果來看，計算值和觀測值的總體變化趨勢一致，其參數(shù)可用于模型預(yù)報。

3) 根據(jù)抽水試驗成果，單井涌水量為68.8 m3/h，主抽水孔最大水位降深為19.56 m。經(jīng)計算，基巖裂隙含水層平均導(dǎo)水系數(shù)418.6 m2/d，平均儲水系數(shù)4.20×10-5，平均滲透系數(shù)12.9 m/d；影響半徑在水位降深為19.56 m時約為703 m。建議在保證基坑支護(hù)的情況下，采用降水井方案進(jìn)行地下水的降排。