基于Aquifer Test和GMS預(yù)測(cè)采坑涌水量
——以龍巖市某采坑為例

李金福

（福建省第八地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364012）

福建省龍巖市屬于山間巖溶盆地構(gòu)造，地層結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為上部第四系地層，下部為碳酸鹽巖地層，且?guī)r溶發(fā)育程度較高，區(qū)內(nèi)降雨豐沛，地下水資源豐富。隨著研究區(qū)資源的開(kāi)發(fā)與利用，采坑深度也相應(yīng)加大，在進(jìn)行資源開(kāi)挖過(guò)程中，主要面臨采坑涌水、涌砂等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)已有大量研究成果，王代連等對(duì)與這類(lèi)覆蓋型巖溶區(qū)可能產(chǎn)生的問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了比較全面的概括，描述了在開(kāi)采過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生的地面塌陷和采坑涌水問(wèn)題[1]。陳臣等對(duì)采坑涌水量的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了理論防治措施[2]。在采坑涌水的防治措施中楊坤等提出了多種處理措施，并論述了外圍布井法的可行性[3]。

本文以龍巖市某采坑為例，在場(chǎng)地水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，開(kāi)展抽水試驗(yàn)揭示地下水位降深隨時(shí)間的變化特征、識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)，預(yù)測(cè)采坑涌水量，進(jìn)而提出采坑水害防治對(duì)策建議。

1 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于龍巖盆地的東部邊緣，龍巖市新羅區(qū)金雞路以北，漳龍高速公路以東，龍馬路以南，地形較平坦，屬山麓斜坡堆積地貌。

根據(jù)鉆探所揭示的地層巖性的垂向分布特征，場(chǎng)地上部為雜填土（Qml），其成分包含黏土以及建筑廢棄垃圾，未經(jīng)過(guò)夯實(shí)作用。其下部為粉質(zhì)黏土層，黏土顆粒很小，地層結(jié)構(gòu)松散程度一般。下伏地層第四系沖洪積（砂卵石層Qal+pl），其中卵石含量較高，地層滲透性和富水性均較強(qiáng)，是研究區(qū)域內(nèi)最主要的含水地層，地下水位標(biāo)高為330.16m～331.85m，地下水位低于上覆粘土層的底板標(biāo)高，整體處于無(wú)壓狀態(tài)。砂卵石層下部為粉質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)致密，是較好的隔水層。第四系地層下伏二疊系棲霞組灰?guī)r，風(fēng)化程度中等，巖溶發(fā)育程度較高，部分鉆孔揭露到溶洞，為滲透性和富水性強(qiáng)的巖溶含水層。采坑底部設(shè)計(jì)標(biāo)高約為327.50m～327.70m，根據(jù)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)可知，采坑的底板位于第四系砂卵石層之下的粘土層中，未進(jìn)入二疊系棲霞組灰?guī)r地層，由于第四系砂卵石層與二疊系灰?guī)r之間存在7.9m厚的粉質(zhì)粘土層，根據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果該層滲透性較弱，將上部孔隙含水層和下部巖溶含水層分隔為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的含水系統(tǒng)，因此，上部第四系卵礫石中的孔隙水是基坑開(kāi)挖過(guò)程的主要涌水來(lái)源和防治對(duì)象。

2 抽水試驗(yàn)

為了查明第四系孔隙含水層的滲透性和富水性，為采坑涌水量計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本次在場(chǎng)地內(nèi)專(zhuān)門(mén)開(kāi)展抽水試驗(yàn)，以識(shí)別場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，確定水文地質(zhì)參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)概況

抽水試驗(yàn)鉆孔深度為10.0m，鉆探口徑φ426mm，下入φ426mm套管，在φ426套管內(nèi)下入φ146mm濾管外包1mm砂網(wǎng)，管外填礫濾水，后起拔φ426套管，對(duì)含水層進(jìn)行多次試抽和洗井，確保含水層與鉆孔水力相通后，停抽約1天，并待鉆孔水位穩(wěn)定后進(jìn)入正式抽水試驗(yàn)。

正式開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)以272m3/d定流量單井抽水，抽水過(guò)程中按照試驗(yàn)規(guī)范定期測(cè)量鉆孔水位，獲得抽水孔的地下水位降深曲線(xiàn)如圖1所示。抽水過(guò)程早期，地下水位迅速下降，之后水位降速逐漸減緩，至抽水后100min左右，地下水位的變化幅度很小并趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)得地下水位埋深為7.30m，抽水后的穩(wěn)定水位埋深為8.50m，本次抽水試驗(yàn)的水位總降深為1.20m。

圖1 抽水試驗(yàn)降深曲線(xiàn)

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過(guò)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地層的水文地質(zhì)參數(shù)是較為常用的方法，本文擬采用Aquifer Test軟件對(duì)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Aquifer Test軟件是由加拿大滑鐵盧水文地質(zhì)公司開(kāi)發(fā)研制的專(zhuān)門(mén)為水文地質(zhì)學(xué)者和相關(guān)水利專(zhuān)家設(shè)計(jì)，用于分析含水層抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的軟件。該軟件主要工作原理依據(jù)不同模型的適用條件，選取相應(yīng)模型，通過(guò)配線(xiàn)法或直線(xiàn)圖解法對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行求解，消除了人為操作可能產(chǎn)生的誤差，并且在反復(fù)驗(yàn)證的過(guò)程中提高了參數(shù)的準(zhǔn)確度。

根據(jù)場(chǎng)地含水層結(jié)構(gòu)以及第四系孔隙含水層的地下水位分析可知，盡管該含水層上部存在人工填土和粉質(zhì)粘土層，但由于場(chǎng)地整體處于山前斜坡地帶，地下水埋深較大且低于上部隔水層的底板標(biāo)高，含水層整體處于無(wú)壓狀態(tài)，故選擇潛水井流模型計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)。依據(jù)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件和抽水試驗(yàn)情況，可將本次抽水試驗(yàn)概化為無(wú)限潛水含水層中完整井定流量抽水問(wèn)題，據(jù)此在Aquifer Test中輸入抽水試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，把研究區(qū)含水介質(zhì)概化為均質(zhì)、各向同性且并不考慮水和介質(zhì)骨架的壓型，試驗(yàn)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件完全符合仿泰斯模型的假定條件，故選擇Theis and Jacob correction模型[4]通過(guò)配線(xiàn)法確定水文地質(zhì)參數(shù)（圖2）。本次開(kāi)展的是單孔抽水試驗(yàn)，考慮到抽水初期鉆孔水位波動(dòng)大且地下水流場(chǎng)不滿(mǎn)足解析模型的應(yīng)用條件，故選擇后期的降深數(shù)據(jù)進(jìn)行配線(xiàn)擬合，據(jù)此計(jì)算得到含水層的滲透系數(shù)為72.15m/d，含水層重力給水度為0.15。

圖2 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)

3 采坑涌水量預(yù)測(cè)

在資源開(kāi)采過(guò)程中采用露天開(kāi)采的方式進(jìn)行施工，施工過(guò)程中要進(jìn)行采坑降水，需要進(jìn)行采坑涌水量的計(jì)算，由于地下水的類(lèi)型、埋藏條件、滲透系數(shù)、含水層厚度等水文條件各不相同，采取不同的模型計(jì)算出的涌水量具有較大的差異，因此，如何正確預(yù)測(cè)采坑涌水量成為采坑設(shè)計(jì)及施工的難點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于采坑用水量的計(jì)算一般有兩種方法：解析法和數(shù)值模擬法。

解析法一般采用大井法對(duì)采坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)的過(guò)程中需要對(duì)研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行概化，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，結(jié)果誤差較大。數(shù)值法主要是使用數(shù)值模擬軟件對(duì)研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行刻畫(huà)，建立區(qū)域的水文地質(zhì)模型，依據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)采坑涌水量進(jìn)行計(jì)算，在模擬過(guò)程中操作比較復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果對(duì)比大井法較為精確，能夠更加真實(shí)的反應(yīng)采坑涌水量情況。

從前述分析可知，研究區(qū)采坑開(kāi)挖會(huì)揭露第四系砂卵石孔隙含水層，開(kāi)挖深度在地下水位以下3m左右，開(kāi)挖過(guò)程中可能存在滲涌水問(wèn)題影響采坑施工，為此本文將運(yùn)用GMS軟件建立采坑影響范圍內(nèi)的三維地下水?dāng)?shù)值模型對(duì)采坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為采坑降水設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

GMS軟件對(duì)于涌水量的預(yù)測(cè)主要是利用有限差分法進(jìn)行計(jì)算，將研究區(qū)域劃分成細(xì)小網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)不同單元格的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行賦值，設(shè)置采坑條件，最后通過(guò)計(jì)算得到采坑涌水量。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)采坑區(qū)水文地質(zhì)條件，第四系砂卵石孔隙含水層是采坑開(kāi)挖涌水的主要層位，該含水層在區(qū)域分布廣泛且厚度比較穩(wěn)定。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，含水層的滲透性和富水性均較強(qiáng)，采坑開(kāi)挖后會(huì)改變天然條件下地下水自山前接受補(bǔ)給往盆地中心運(yùn)移排泄的地下水流場(chǎng)特征，而形成以采坑為排泄中心的穩(wěn)定流場(chǎng)。采坑降水引起采坑外圍地下水位下降，根據(jù)穩(wěn)定流經(jīng)驗(yàn)公式估算距離采坑中心約33.25m處，地下水位基本不受影響。

根據(jù)上述流場(chǎng)特點(diǎn)，同時(shí)考慮到采坑勘察的范圍有限，而第四系孔隙含水層的規(guī)模又比較大，因此，本次數(shù)值模型的模擬范圍以采坑為中心，向四周擴(kuò)展100m的方形區(qū)域，四周邊界概化為定水頭邊界。根據(jù)采坑場(chǎng)地含水層結(jié)構(gòu)特征，含水層上覆第四系粉質(zhì)粘土層相對(duì)隔水層，含水層主要接受山前側(cè)向補(bǔ)給，因此忽略采坑開(kāi)挖期間垂向上的入滲補(bǔ)給；孔隙含水層與下伏二疊系巖溶含水層之間存在穩(wěn)定的弱透水層，兩者之間的水力聯(lián)系很弱，因此模型底部以采坑底板為界，概化為隔水邊界。雖然含水層上覆第四系粉質(zhì)粘土層相對(duì)隔水層，但地下水位低于隔水頂板而呈現(xiàn)為無(wú)壓狀態(tài)，可視為潛水含水層。綜上所述，本次采坑開(kāi)挖下的地下水流場(chǎng)可改概化為雙層結(jié)構(gòu)潛水孔隙含水層中的三維穩(wěn)定流問(wèn)題[6]，其地下水流數(shù)學(xué)模型可表示為式（1）：

式中：H—含水層的水頭函數(shù)（m）；K—含水層滲透系數(shù)（m/d）；μd—含水層的重力給水度；ε—為源匯項(xiàng)；H1—含水層第一類(lèi)邊界水頭函數(shù)（m）；B1—研究區(qū)第一類(lèi)邊界；B2—研究區(qū)第二類(lèi)邊界；

3.2 數(shù)值模型

模擬區(qū)域?yàn)橐哉叫危煽游挥谡叫蔚闹行奈恢?，整個(gè)模型體積為200＊200＊10m3。模型平面網(wǎng)格為2＊2㎡的單元格，由于采坑底板位于含水層下部的粉質(zhì)粘土層中，因此垂直方向上分為兩層，即砂卵石含水層（2.9m）和下部粉質(zhì)粘土弱透水層。上部砂卵石含水層的滲透系數(shù)根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果賦值72.15m/d，下部粉質(zhì)黏土層取值依據(jù)工程地質(zhì)勘查中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)約為0.00967m/d。

依據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析，在采坑開(kāi)挖后研究區(qū)域的形成以采坑為新的排泄中心的穩(wěn)定流場(chǎng)，將采坑底板概化為定水頭排泄邊界，水頭標(biāo)高以采坑底板標(biāo)高賦值，為327.50m；模型四周邊界的地下水位不受采坑降水影響，因此概化為定水頭邊界，水位等于初始水位，在不考慮在降水過(guò)程中引起的地面沉降的影響情況下對(duì)采坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.3 模擬結(jié)果

根據(jù)建立的研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，運(yùn)行GMS軟件得到采坑開(kāi)挖至底板時(shí)的穩(wěn)定地下水流場(chǎng)，如圖3所示，從圖中可以看出采坑開(kāi)挖后形成以采坑為中心的降落漏斗，離采坑中心距離越遠(yuǎn)地下水位的降幅越小，150m以外地下水位基本不受影響，穩(wěn)定的采坑涌水量約2100m3/d，此時(shí)地下水位在含水層底板上方0.18m。

圖3 采坑地下水水位模擬結(jié)果圖

模擬結(jié)果表明，在不采取任何降水措施的情況下采坑涌水量較大，會(huì)對(duì)采坑開(kāi)挖施工造成不良影響，施工過(guò)程需考慮采坑外圍采取井點(diǎn)降水措施[7]。為此，本次在上述模型的基礎(chǔ)上，在模型中增加布置抽水井，以采坑地下水位降至含水層底板以下為約束條件，通過(guò)開(kāi)展不同布井方案下地下水流場(chǎng)模擬，為降水方案優(yōu)化提供依據(jù)[8]。

圖4 外圍布井抽水后采坑地下水水位模擬結(jié)果圖

本次共模擬了3種布井方案，第一種方案在采坑外圍設(shè)置8個(gè)鉆孔每日抽水量為220m3/d；第二種方案在采坑外圍設(shè)置12個(gè)鉆孔每日抽水量為160m3/d；第三種方案在采坑外圍設(shè)置16個(gè)鉆孔每日抽水量為160m3/d。各方案模擬結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明依據(jù)平均布井法在采坑外圍布井抽水能夠有效降低采坑范圍內(nèi)地下水的水位。在按照方案一進(jìn)行抽水過(guò)程中抽水井附近的水位降深較大，但由于井距較大，相鄰兩井之間以及采坑大部分區(qū)域的地下水水位并未達(dá)到含水層底板高程，采坑周邊地下水水位約為331.11m，仍具有采坑涌水問(wèn)題，施工時(shí)有大部分地下水會(huì)進(jìn)入采坑。在方案二的模擬結(jié)果中采坑降水引起的降落漏斗明顯擴(kuò)大，采坑內(nèi)地下水水位明顯降低，但采坑中心部分區(qū)域地下水位329.78m，仍未達(dá)到含水層底板高程，采坑角落地下水位涌水風(fēng)險(xiǎn)較采坑四周更大，且難以治理，故方案二也未能達(dá)到采坑降水標(biāo)準(zhǔn)。方案三模擬過(guò)程中，采坑外圍地下水位降低較大，且影響半徑較大，采坑周邊地下水水位約為329.40m。此時(shí)鉆孔每日總排水量模擬結(jié)果為1923m3/d，剩余少量涌水不能對(duì)采坑施工造成影響。在此方案中基本能夠消除采坑在施工過(guò)程中的涌水風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合研究區(qū)采坑場(chǎng)地條件和工程實(shí)際，在按照上述條件進(jìn)行外圍布井抽水時(shí)，依照方案三進(jìn)行外圍布井抽水時(shí)能夠滿(mǎn)足采坑降水設(shè)計(jì)的要求。在抽水過(guò)程中由于外圍地下水水位降低，導(dǎo)致地層有效應(yīng)力增加，可能引起采坑外圍地面沉降或地面塌陷，需要在抽水過(guò)程中進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，預(yù)防在施工過(guò)程中發(fā)生其他工程地質(zhì)災(zāi)害。

4 結(jié)論

本論文依據(jù)龍巖市蓮花湖項(xiàng)目為依托，通過(guò)對(duì)勘察資料的整合和抽水試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算對(duì)項(xiàng)目施工過(guò)程中采坑開(kāi)挖可能引起的采坑涌水問(wèn)題進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)Theis and Jacob correction模型通過(guò)配線(xiàn)法計(jì)算得到的滲透系數(shù)為72.15m/d，含水層重力給水度為0.15。

（2）結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況和水文地質(zhì)參數(shù)建立數(shù)值模擬模型，計(jì)算得出研究區(qū)采坑在全面開(kāi)挖的情況下日均涌水量約為2100m3/d，影響半徑約為150m。鑒于砂卵石含水層在地下空間的展布范圍較大，采坑持續(xù)涌水可能性較大。

（3）為預(yù)防采坑涌水影響施工，通過(guò)進(jìn)一步模擬外圍布井抽水的情況表明在采坑外圍設(shè)置16個(gè)鉆孔，每日抽水量為160m3/d的情況下，每日總排水量約為1923m3/d。能夠基本消除采坑涌水風(fēng)險(xiǎn)。

（4）在使用外圍布井法降低采坑地下水水位的過(guò)程中，應(yīng)考慮由于地下水水位降低而引起的城市地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，例如地面沉降等。在已完成開(kāi)挖的部分可使用雙液灌漿的方式加固采坑外壁，防治地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題的發(fā)生。