穩定流抽水試驗滲透系數的對比分析

王 烈，李開超

(1.內蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017000;2.機械工業勘察設計研究院，陜西 西安710043)

在地下水埋藏較淺地段，地下車站、區間隧道施工受地下水影響非常大，若工程降水不當，極易造成邊坡和圍巖失穩，引起工程安全事故，而合理的工程降水設計，是以準確的水文地質參數為基礎的。對西安地鐵四號線火車站車站穩定流抽水試驗結果進行全過程、多方法分析計算，剔除異常計算值，對含水層滲透系數進行綜合性評價。

1 試驗場地工程地質概況

試驗場地位于太華南路和自強東路交叉口西北角，場地地貌屬于洪積二級臺地，場地地形平坦、開闊。主要含水層為黃土、粉質粘土層，試驗場地附近沒有施工降水及地表水的影響。根據鉆探結果，抽水井在試驗深度范圍內主要地層有4層，觀測井地層與抽水井地層一樣，地層結構見圖1。

圖1 抽水井地層結構

2 抽水試驗方案設計

根據場地含水層埋藏條件及地層巖性特征，本次采用潛水完整井穩定流數學計算模型。本次試驗共布設鉆孔(井)7個，其中抽水井1個，觀測孔6個，觀測孔沿水流方向及垂直水流方向各布置3個，孔間距為10m，根據“孔深越過擬建線路底板深度不小于5m，盡量是完整井、最大落程滿足基底下1.0～1.5m降深要求”的原則，抽水孔和觀測孔深度均定為40m。抽水孔孔徑為800 mm，成孔后下入外徑600 mm的混凝土濾水管，井壁與管壁的環形間隙投入優質礫石，投礫石時實際礫面測量和計量同時進行，投礫石至孔口以下3m，其上至井口段的環狀間隙填充黏土以封堵止水。觀測孔孔徑為600 mm，成孔后下入外徑500 mm的混凝土濾水管，井壁與管壁的環形間隙投入優質礫石，投礫石時實際礫面測量和計量同時進行，投礫石至孔口以下3m，其上至井口段的環狀間隙填充黏土以封堵止水。

抽水試驗設計為3個落程，大落程為抽水試驗的最大降深(約24m)中落程和小落程分別為最大降深的2/3和1/3[6]

試驗前首先測定抽水井和觀測井的靜止水位，穩定時間不小于8 h，從小落程到大落程逐次進行抽水試驗，做下一落程試驗前須等靜水位恢復到試驗前靜止水位。試驗時對抽水井、觀測孔水位同步進行觀測，試驗開始和結束均按照在第 1～6、8、10、15、20、25、30 min 觀測水位和流量的要求進行。抽水試驗穩定時間的長短，直接關系到抽水試驗質量和資料的可用性。根據現場實際情況，大、中、小落程抽水試驗穩定時間分別定為 24、16、8 h。

本次試驗完成了三次降深，每次抽水降深對應的數值見表1。

表1 抽水井與觀測井穩定降深

3 多種方法計算滲透系數

3.1 單井法計算滲透系數

各種規范、手冊所推薦的單孔(抽水井)計算滲透系數公式雖表達形式不同，但最終計算結果相差較小。采用單孔法計算滲透系數，補給半徑的預測對計算精度的影響最為關鍵。本文滲透系數求取采用《抽水試驗規程》(YS5215－2000)5.3.8推薦的公式:

式中:k為滲透系數;Q為抽水井涌水量;H為含水層厚度;S為抽水井水位下降值;R為影響半徑;r為抽水井半徑。

根據場地周邊抽水試驗資料及表2.1，分別取第一、二、三次降深引用補給半徑為60m、70m、80m，則分別計算的等效滲透系數分別為:1.98、1.19、1.17。

3.2 利用觀測井計算滲透系數

利用觀測孔計算滲透系數主要分為利用一個觀測孔和利用兩個觀測孔。普遍認為該方法計算簡單，精度較高，比較可靠的一種方法。

利用兩個觀測孔計算滲透系數公式:

式中:S1、S2為水位下降值;r1、r2為距抽水孔距離。

若利用一個抽水孔和一個觀測孔計算時，只需將取為過濾器半徑。計算時分垂直水流方向和平行水流方向，分別選取垂直水流方向觀測孔兩兩組合和平行水流方向觀測孔兩兩組合進行計算，將計算結果列于表2。

表2 利用觀測孔計算值

3.3 考慮井損計算滲透系數

在抽水試驗過程中，經常會發現主井的降深超過20m，而在距主井附近的觀測井的降深有時不超過1m，小降深抽水試驗井損還不明顯，而對于大降深的抽水試驗，井損是相當明顯的，而工程上經常會遇見降深較大的情況，所以，筆者在抽水試驗時，在距離抽水井10 cm邊上布置了井損孔，同時測量了井損孔的降深，本文在計算過程中考慮了井損，對抽水井降深進行修正后。再采用(1)計算公式計算滲透系數(詳細論述見“多種計算方法確定黃土滲透系數的誤差分析”)。分別取第一、二、三次降深引用補給半徑為60m、70m、80m，則計算的等效滲透系數分別為:4.10(m/d)、2.84(m/d)、2.27(m/d)。

3.4 水位恢復法計算滲透系數

當利用水位恢復速度計算滲透系數時，可在停止抽水后，降落漏斗逐漸恢復，從表示開始抽水到選定某一時刻為止的延續時間，t表示停止抽水后到選定時間的時間間隔，則滲透系數宜按式(3)計算，求出一系列與水位恢復時間有關的數值后，則可作k=f(t)曲線，根據此曲線，可確定近于常數的滲透系數值，如圖2。

圖2

采用(3)公式，分別計算出第一、二、三次降深對應的等效平均滲透系數分別為2.54(m/d)、3.17(m/d)、3.82(m/d)。

4 結論及建議

通過單孔抽水計算方法、利用觀測孔計算方法、消除井損計算法和水位恢復法對西安某地下車站段穩定流抽水試驗結果進行分析計算，通過上述幾種方法的計算比較，可以得出如下結論:

(1)采用多種計算方法，基本可以確定該段黃土等效滲透系數范圍在3.0～5.0(m/d)。

(2)單孔抽水試驗計算出的滲透系數偏小，與實際情況偏差較大。

(3)利用觀測孔計算方法得到的滲透系數與實際情況較為符合，水位恢復法可以作為參考。

(4)黃土層中較大落程抽水井損是比較明顯的，在水文地質參數求取時應該考慮井損對參數的影響。

(5)在求取巖土滲透系數時，應對各個抽水試驗的過程進行分析計算，綜合確定水文地質參數，以免單個計算公式造成較大的誤差。因此，在進行滲透系數等水文地質參數計算中，采取多種方法綜合分析，可有效提高測試結果的準確度。

[1]地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范(GB50307－1999).

[2]鐵路工程水文地質勘察規程(TB10049－2004，J339－2004).

[3]供水水文地質試驗規范(GB50027－2001).

[4]抽水試驗規程(YS5215－2000).

[5]余學鵬，門妮.完整井穩定流抽水試驗滲透系數的確定分析[J].鐵道勘察 2010，6:34 －36.

[6]DLJ203—81，水利水電工程鉆孔抽水試驗規程[S].