基于抽水試驗(yàn)的場(chǎng)地水文地質(zhì)條件勘察技術(shù)研究

蘇紹鋒

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507）

在場(chǎng)地水文地質(zhì)條件勘察過(guò)程中，抽水試驗(yàn)是獲取場(chǎng)地水文地質(zhì)參數(shù)最直接有效的方法，但現(xiàn)階段水文地質(zhì)參數(shù)方法計(jì)算過(guò)多，勘察人員在選擇計(jì)算方法過(guò)程中主觀因素較大，導(dǎo)致抽水試驗(yàn)所的參數(shù)的合理性存在一定問(wèn)題，容易對(duì)工程后續(xù)建設(shè)過(guò)程產(chǎn)生影響[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，眾多專(zhuān)家學(xué)者結(jié)合不同工程背景開(kāi)展豐富的研究工作，例如陳慶華等[2]對(duì)靠江項(xiàng)目中抽水試驗(yàn)進(jìn)行分析、羅永海[3]對(duì)臨河泵站抽水試驗(yàn)展開(kāi)豐富的研究工作。時(shí)至今日，抽水試驗(yàn)作為最廣泛的水文地質(zhì)勘察試驗(yàn)，仍存在一定的問(wèn)題，該文在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行分析，以期明確抽水試驗(yàn)作用機(jī)理，提高場(chǎng)地水文地質(zhì)條件勘察水平。

1 抽水試驗(yàn)機(jī)理

1.1 Dupuit 公式

1856年Henry Darcy 在長(zhǎng)期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)滲流規(guī)律，并總結(jié)出達(dá)西定律，隨后1986年J·Dupuit 在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上研究并提出了穩(wěn)定井流公式，為后續(xù)水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)[4-5]。如圖1所示，假設(shè)地層下某含水層均質(zhì)、各向同性且產(chǎn)狀水平，其中心位置有一個(gè)抽水井，抽水井抽水流量為Q，圓心位置給定水頭H0，假定水流為水平徑向流，以井為共軸的圓柱面為等水頭面[6]，此時(shí)所建立的數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示。

圖1 抽水試驗(yàn)示意圖

此時(shí)，結(jié)合穩(wěn)定流特征，假設(shè)任意過(guò)水?dāng)嗝媪髁績(jī)H為等值，如公式（2）所示。

對(duì)式（2）進(jìn)行分離變量，然后按照邊界條件進(jìn)行積分，如公式（3）所示。

計(jì)算如公式（4）所示。

式中：rw為降水半徑；M為承壓含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；Q為出水量，m3/d。

記抽水井在抽水過(guò)程中導(dǎo)致地下水位下降的深度為降深，計(jì)算如公式（5）所示。

式中：sw為降水深度，m。

1.2 抽水試驗(yàn)計(jì)算方法

針對(duì)抽水試驗(yàn)，當(dāng)采用單孔穩(wěn)定流的方式進(jìn)行抽水時(shí)，可根據(jù)抽水孔水位下降情況計(jì)算其滲透系數(shù)，此時(shí)，如果井內(nèi)地下水位下降與時(shí)間呈線性相關(guān)，那么承壓水完整孔滲透系數(shù)計(jì)算如公式（6）所示。

式中：s為水位下降深度，m；Ry為引用補(bǔ)給半徑，m。

潛水含水層計(jì)算如公式（7）所示。

式中：H為潛水含水層厚度，m；h為抽水試驗(yàn)過(guò)程中潛水含水層厚度，m；r為過(guò)濾器半徑，m。

如果井內(nèi)地下水位下降與時(shí)間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，此時(shí)可采用插值法得出地下水位下降與時(shí)間的代數(shù)多項(xiàng)式，插值所得時(shí)間項(xiàng)計(jì)算如公式（8）所示。

式中：a1，a2，…an為待定系數(shù)。

采用插值法所得Q-s曲線關(guān)系呈現(xiàn)直線時(shí)，可根據(jù)公式（1）、公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

針對(duì)基巖裂隙水，可采用公式（9）結(jié)合抽水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

2 場(chǎng)地水文地質(zhì)勘察

2.1 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

該項(xiàng)目為某單位的擬建辦公大樓新址，占地面積6217m2（可建設(shè)用地面積4145m2），建筑面積達(dá)29925m2。擬建大樓地上22 層，地下4 層，地面高約100m。基坑開(kāi)挖深度約15.4m，基坑開(kāi)挖范圍為307m×120m。

場(chǎng)區(qū)的地下水類(lèi)型主要有上層滯水、第四系砂層孔隙潛水及基巖孔隙裂隙承壓水及巖溶水，孔隙水賦存于第四系沉積土層孔隙中，主要含水層為砂層，粉質(zhì)黏土為相對(duì)隔水層。含水層橫向上連續(xù)性較好，厚度約為0.5m～2.2m，富水性較強(qiáng)，滲透系數(shù)為47.19 m/d～60.76 m/d，屬?gòu)?qiáng)透水層，地下水具承壓水性質(zhì)；基巖孔隙裂隙承壓水及巖溶水：場(chǎng)區(qū)基巖為炭質(zhì)灰?guī)r，局部孔隙裂隙發(fā)育，局部巖溶極發(fā)育，含地下水，具承壓性。

2.2 抽水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本場(chǎng)區(qū)特點(diǎn)，選擇代表性鉆孔ZK6進(jìn)行第四系松散含水層和基巖含水層分層抽水試驗(yàn)，以獲取松散層和基巖的水文地質(zhì)參數(shù)。抽水井采用底部全封閉的花管加接套管形式，在建井過(guò)程中，第四系松散層中鉆探直徑為φ146mm，基巖段鉆探直徑φ127mm，隨后全孔下φ127mm 的PVC 管道，底部封閉。PVC 管道中進(jìn)水段使用φ127mm的花管（過(guò)濾器），花管段外包400 目網(wǎng)布，花管段管壁與孔壁間隙中填投石米、石礫進(jìn)行過(guò)濾，其余孔段用黏土進(jìn)行填塞隔水?？卓诓扇〈胧┓乐沟乇硭构喑樗?，影響抽水試驗(yàn)結(jié)果。

ZK6 第四系含水層為中細(xì)砂層，分布孔深為3.6～5.8m，厚度2.2m，抽水前靜止水位埋深為3.5m，進(jìn)水段花管深3.00～7.00m。試驗(yàn)歷時(shí)23h，水位降深S=1.5m，降深穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間20 小時(shí)，涌水量Q=36.11m3/d，單位涌水量q=24.07m3/d·m。抽水試驗(yàn)所得曲線如圖2、圖3所示，計(jì)算所得含水層滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 砂層抽水S-t 曲線

圖3 砂層抽水S-lg（t）曲線

表1 砂層抽水試驗(yàn)成果表

根據(jù)鉆探資料，本場(chǎng)區(qū)巖溶強(qiáng)發(fā)育，巖溶水富水性好，具承壓性，一般水頭高度為14m。本次勘察選取了鉆孔ZK6、XZK51 進(jìn)行巖溶裂隙水抽水試驗(yàn)。其中ZK6 進(jìn)行兩次抽水試驗(yàn)，XZK51 進(jìn)行一次抽水試驗(yàn)，并根據(jù)公式（10）計(jì)算滲透系數(shù)，計(jì)算所得基巖裂隙水滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 基巖抽水試驗(yàn)成果表

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果可知中細(xì)砂層具強(qiáng)透水性；基巖裂隙和巖溶發(fā)育段具強(qiáng)透水性。由于巖土層在橫向和垂向上分布具有不均勻性，抽水試驗(yàn)成果不能完全代表含水層的特性，特別是基巖部分，受基巖風(fēng)化程度、巖溶裂隙、巖溶管道發(fā)育和充填的不均勻性影響更大，因此場(chǎng)區(qū)各巖土層的滲透性，須根據(jù)地層巖性特征、地層的富水性、鉆孔抽水試驗(yàn)成果和室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果取值。

3 基坑安全預(yù)測(cè)

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

由于廣州設(shè)計(jì)之都聯(lián)合基坑的先行開(kāi)挖，本場(chǎng)地基坑深度為3.5m，小于5m，不再屬于深基坑范疇。綜合考慮周邊條件與經(jīng)濟(jì)因素，基坑支護(hù)改為放坡開(kāi)挖，坡度為1 ∶1.0。為最大限度地降低施工難度與建設(shè)成本，地下水控制擬采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工的方式，開(kāi)挖前暫不施工止水帷幕。工程樁、抗拔錨桿等建議在承壓水位以上施工完成。開(kāi)挖過(guò)程中利用大基坑止水帷幕的作用，該項(xiàng)目采用集水明排的方式，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)水量過(guò)大或承壓水突涌的情況時(shí)，進(jìn)行局部回填反壓，局部范圍對(duì)溶洞注漿止水。

3.2 涌水量預(yù)測(cè)與突涌計(jì)算

本場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水豐富，地下水穩(wěn)定水位埋深一般為5.7～7.50m。根據(jù)勘察資料，中-微風(fēng)化巖面埋深為12.5～31m，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，基坑挖深約15.4m，基坑部分已開(kāi)挖至溶蝕巖層中。

若采用降水法進(jìn)行基坑降水計(jì)算，基坑涌水量計(jì)算如圖其基坑總涌水量可按大井簡(jiǎn)化的均質(zhì)含水層承壓～潛水非完整井的基坑降水總涌水量公式進(jìn)行估算，如公式（11）所示。

式中：Q為基坑降水的總涌水量（m3/d）；k為滲透系數(shù)（m/d）取60.76 m/d；M為承壓含水層厚度（m）；取60.9-12.5=48.4m；h為基坑底水位至含水層底的厚度（m），H0為承壓水位至含水層底的厚度（m），H0=60.9；R為降水影響半徑（m）；r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑（m）。

根據(jù)計(jì)算，基坑降水的總涌水量Q約為52754m3/d。

由于本場(chǎng)區(qū)基坑下有承壓水存在，開(kāi)挖基坑減少了含水層上覆不透水層的厚度，當(dāng)厚度減少到一定程度時(shí)，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌現(xiàn)象。

圖4 基坑涌水量計(jì)算示意圖

在場(chǎng)區(qū)內(nèi)，基巖巖面起伏大，基坑土層不均勻，本場(chǎng)地的巖面埋深為12.5m～31m。當(dāng)基坑設(shè)計(jì)挖深15.4m 時(shí)，部分已挖至基巖中。當(dāng)開(kāi)挖覆蓋層時(shí)，如果不采取降水或者截水措施，那么可能存在基坑突涌的情況。

基坑突涌計(jì)算如公式（12）所示。

式中：Kty為突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)；Kty不應(yīng)小于1.1；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度（m）；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度；γ為土層取18.5kN/m3；Δh為基坑內(nèi)外的水頭差（m）；γw為水的重度。

根據(jù)鉆孔XZK51 成果，在深度13.8m 處揭露溶蝕灰?guī)r，溶蝕灰?guī)r為承壓水含水層，13.8m 處即為含水層頂部。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)基坑挖深約8.8m 時(shí)，可能發(fā)生基坑突涌現(xiàn)象。

4 結(jié)論

該文以實(shí)際工程為研究對(duì)象，深入分析抽水試驗(yàn)在場(chǎng)地水文地質(zhì)調(diào)查工作中的應(yīng)用，并根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)基坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，所得結(jié)論如下：1）抽水試驗(yàn)結(jié)果表明場(chǎng)地第四系含水層單位涌水量q=24.07m3/d·m，滲透系數(shù)為12.90m/d，巖溶水鉆孔單位涌水量q=554m3/d·m?；鶐r巖溶水滲透系數(shù)為47.19m/d～60.76m/d，屬于強(qiáng)透水層。2）涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果表明基坑降水的總涌水量Q約為52754m3/d。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)基坑挖深約8.8m 時(shí)，可能出現(xiàn)基坑突涌的現(xiàn)象。