某臨河泵站抽水試驗(yàn)分析

羅永海

（甘肅省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

0 概況

甘肅省某引水工程屬Ⅱ等工程,工程規(guī)模為大（2）型。引水方案為黃河岸邊式方案,為加快工程建設(shè)進(jìn)度,縮短臨時工程工期,降低導(dǎo)流風(fēng)險,經(jīng)各方協(xié)調(diào)一致認(rèn)為泵站需在本年度汛尾期進(jìn)行施工。且方案調(diào)整為引水式布置方案。泵站位于黃河右岸Ⅰ級階地：地貌單元屬黃河河谷階地區(qū),地形平坦開闊。階面最寬處可達(dá)700 m 以上,階面高出河床5 m～8 m。因泵站基坑最大挖深16 m,且泵站臨河,有強(qiáng)透水性土層,為查明土層的滲透系數(shù),計(jì)算泵站基坑的涌水量,此次勘察設(shè)計(jì)了抽水試驗(yàn)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

工程區(qū)處于青藏高原北部地震亞區(qū)六盤山-祁連山地震帶。地震活動具有叢狀分布特征,在歷史地震震源區(qū)及附近,現(xiàn)今中小地震十分活躍,震源深度及分布相接近。地震活動在時間、強(qiáng)度上顯示出非均一性,并呈現(xiàn)強(qiáng)弱相互交替[1]。泵站大地構(gòu)造位處靖遠(yuǎn)坳陷帶,以會寧-義崗斷裂為界處于西鞏-會寧隱伏基底隆起以東,六盤山褶帶以西,北西向展布,西北寬,東南窄。坳陷帶內(nèi)下古生界褶皺基底深200 m～600 m,上覆古近系礫巖、新近系泥質(zhì)類巖石和第四系黃土。

根據(jù)鉆孔揭露該泵站地層巖性由新到老依次為沖積粉質(zhì)壤土夾中細(xì)砂層（Q42al）,分布于泵站地表,淺黃色,干燥～稍濕,厚度5 m～7 m,結(jié)構(gòu)稍密,土質(zhì)不均,孔隙發(fā)育；沖積砂卵礫石（Q42al）,青灰色,分布于粉質(zhì)壤土夾中細(xì)砂下部,厚9 m～10 m,結(jié)構(gòu)中密～密實(shí),偶夾中細(xì)砂透鏡體,強(qiáng)透水性；新近系上新統(tǒng)（N2）淺紅色泥巖,局部夾薄層石膏,泥質(zhì)膠結(jié)。

工程區(qū)緊鄰黃河,地處河谷盆地,區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散堆積物孔隙性潛水。第四系孔隙性潛水賦存黃河河床及Ⅰ級階地砂卵礫石層中,地下水受地表水、大氣降水入滲補(bǔ)給,沿河谷向下游潛流。Ⅰ階地地下水埋深6.5 m～7.6 m,水位隨黃河水位有起伏變化。

2 抽水方案及試驗(yàn)成果

含水層位于沖積砂卵礫石層中,根據(jù)顆分資料,不均勻系數(shù)Cu=189～272,曲率系數(shù)Cc=4.2～23.6,為級配不良土。泵站基坑開挖深度16 m,基礎(chǔ)位于相對隔水層泥巖上,根據(jù)泵站布置輪廓線,布置抽水孔及觀測孔,見圖1。

圖1 抽水孔鉆孔布置圖

抽水孔及觀測孔深度皆深入相對隔水層新近系泥巖中,以鉆孔ZK04 為抽水孔,鉆孔ZK04 距黃河50 m,距各抽水孔距離11.47 m～36.53 m。鉆孔ZK04 新近系泥巖埋深16 m,地下水位埋深7.3 m,抽水孔孔徑0.063 m。抽水孔試驗(yàn)成果表見表1,觀測孔水位降深統(tǒng)計(jì)表見表2。

表1 抽水孔試驗(yàn)成果表

表2 觀測孔水位降深統(tǒng)計(jì)表

抽水試驗(yàn)過程中對抽水孔和各觀測孔的地下水位進(jìn)行實(shí)時觀測,每段降深時,初期各觀測孔水位均快速下降,距離抽水孔越近地下水位下降越快且下降幅度越大,水位下降由近及遠(yuǎn)表現(xiàn)出一定的滯后性。

通過抽水孔水位觀測,Q-S 曲線繪見圖2。分析可知,抽水初期地下水降落漏斗開始形成并不斷擴(kuò)展,抽水穩(wěn)定后降落漏斗不再變化,抽水孔附近 15 m 以內(nèi)水位降深明顯,水力坡降數(shù)值較大,隨著距離增加水力坡降逐漸減小直至保持不變。因此,抽水穩(wěn)定后地下水基本處于穩(wěn)定層流狀態(tài),宜采用穩(wěn)定流計(jì)算模型評價含水層水文地質(zhì)參數(shù)。

圖2 抽水孔鉆孔布置圖

3 抽水試驗(yàn)成果分析

覆蓋層底部為新近系泥巖（N2）,泥質(zhì)膠結(jié),吸水率約為5%,較致密～致密,相對于砂卵礫石層透水率極低,視為相對隔水層,故本次抽水井為潛水完整井。根據(jù)試驗(yàn)觀測,距抽水孔36.53 m 處的最遠(yuǎn)觀測孔水位降深約8 cm,抽水孔距黃河50 m,也即抽水影響半徑不大于50 m。根據(jù)觀測孔水位降深確定影響半徑為46 m。

（1）單孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算

本次抽水試驗(yàn)為鄰河的穩(wěn)定流潛水完整井,含水層滲透系數(shù)采用適用于穩(wěn)定流潛水完整井的裘布衣公式（1）進(jìn)行分析計(jì)算[2],計(jì)算成果見表3。

表3 鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算成果表

式中：K 為滲透系數(shù),m/d；R 為影響半徑,取46 m；H 為潛水含水層厚度,取8.7 m；Q 為單位時間流量,m3/d；S 為水位降深,m；r 為孔徑,取0.063 m。

通過（1）式計(jì)算,可知砂卵礫石層滲透系數(shù)14.5 m/d～18 m/d。

（2）多孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算

抽水試驗(yàn)過程中對抽水孔和各觀測孔的地下水位進(jìn)行實(shí)時觀測,當(dāng)抽水水位降深在2.8 m 時,隨著抽水時間的不斷延續(xù),水位下降趨緩,一定時間后水位基本穩(wěn)定,各觀測孔水位不再下降,觀測孔水位降深見表2。

依據(jù)穩(wěn)定抽水量及各觀測孔穩(wěn)定水位降深,選取距抽水孔約11.47 m 的觀測孔（ZK05）計(jì)算,本次抽水試驗(yàn)為穩(wěn)定流潛水完整井,含水層滲透系數(shù)采用適用于穩(wěn)定流潛水完整井的裘布衣公式[2]（2）進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算成果見表4。

表4 鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算成果表

式中：K 為滲透系數(shù),m/d；b 為影響半徑,取46 m；H 為潛水含水層厚度,取8.7 m；Q 為單位時間流量,m3/d；S1為觀測孔的降深,m；r1為觀測孔距離抽水孔的距離,取11.47 m。

通過（2）式計(jì)算,可知砂卵礫石層滲透系數(shù)18.5 m/d～9.55 m/d。

滲透系數(shù)的大小主要取決于孔隙的大小、形狀和連通性,也取決于水的粘滯性和容量；因勘察期平均氣溫低于-15℃,鉆孔抽水試驗(yàn)測定的滲透系數(shù)可能比實(shí)際偏小[2]。

根據(jù)單孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算和多孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算分析結(jié)果對比,單孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算未考慮臨河因素,滲透系數(shù)明顯偏小,而多孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算考慮了臨河因素,其計(jì)算結(jié)果較為精確。

綜合對比分析,建議泵站基坑降水方案設(shè)計(jì)時砂卵礫石滲透系數(shù)取大值29.55 m/d。

4 結(jié)論

以甘肅省某大（2）型工程為背景,對黃河河沿岸階地型泵站基坑進(jìn)行了野外抽水試驗(yàn)分析,通過室內(nèi)試驗(yàn)成果整理,取得了以下具有普適意義的結(jié)論：

（1）在抽水試驗(yàn)過程中,對抽水后降深進(jìn)行觀測,初期觀測孔水位下降較快,距抽水孔距離越近,水位下降越快且下降幅度越大,水位下降由近及遠(yuǎn)表現(xiàn)出一定的滯后性。

（2）抽水初期地下水降落漏斗開始形成并不斷擴(kuò)展,抽水穩(wěn)定后降落漏斗不再變化,抽水孔附近水位降深明顯,水力坡降數(shù)值較大,隨著距離增加水力坡降逐漸減小直至保持不變。抽水穩(wěn)定后地下水基本處于穩(wěn)定層流狀態(tài)。

（3）滲透系數(shù)的大小主要取決于孔隙的大小、形狀和連通性,也取決于水的粘滯性和容量；單孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算未考慮臨河因素,滲透系數(shù)明顯偏小,而多孔抽水滲透系數(shù)計(jì)算考慮了臨河因素,其計(jì)算結(jié)果較為精確。因此,根據(jù)工程實(shí)際工況,選擇比較適宜的計(jì)算模型非常必要。此外水的粘滯性受溫度的影響較大,滲透系數(shù)宜進(jìn)行溫度修正。