多種抽水試驗方法確定水文地質參數①

摘 要：隨著地鐵建設的突飛猛進，越來越多的基坑臨近地鐵線路，特別是建成并運行的地鐵線路，基坑施工降水對地鐵的影響問題越發突出。本文通過工程實踐，采用多種抽水試驗方法，為設計提供準確的水文地質參數。

關鍵詞：地鐵 基坑 抽水試驗 水文地質參數

中圖分類號：TU413 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0041-02

抽水試驗[pumping test]，包括自試井抽取一定水量而在某距離之各觀測井測定各種時間距地下水位的變化，觀測數據利用各種地下水流理論式或其圖解法分析抽水試驗的結果。抽水試驗按孔數可分為：單孔抽水試驗、多孔抽水、群孔干擾抽水；按水位穩定性分為：穩定流抽水試驗和非穩定流抽水試驗方法；按抽水孔類型分為：完整井和非完整井。

抽水試驗應在洗井結束，洗井質量已達規定要求后進行。抽水試驗的類型、下降次數及延續時間應按照《供水水文地質勘察規范》（TJ27—78）及《城市供水水文地質勘察規范》中有關規定執行。試驗前，應根據井孔結構、水位降深、流量及其它條件，合理選擇抽水設備和測試儀具。抽水設備可用量桶、空氣壓縮機及各種水泵；流量測量，當流量小于2 L/s時，可用量桶；大于2 L/s時；應用堰箱（三角堰、梯形堰或矩形堰）或孔板流量計；高壓自流水可用噴水管噴發高度測量法測量流量；水位測量可用測鐘、浮標水位計或電測水位計；水溫測量一般可用緩變溫度計或帶溫度計的測鐘。抽水設備安裝后，應先進行試抽，經調試能滿足試驗要求后，再正式抽水。采用空氣壓縮機作抽水試驗時，應下測水位管，在測水位管內測量動水位。抽水試驗中應做好地面排水，使抽出的水排至試驗孔影響范圍以外。 在抽水試驗中，應及時進行靜止水位、動水位、恢復水位、流量、水溫、氣溫等項觀測，并及時如實記錄，不得任意涂改或追記。如遇水位、流量、水的渾濁度及機械運轉等發生突變時，應做詳細記錄，并及時查明原因。

1 工程概況

擬建場地原始地貌單元屬沖積階地。本項目場地表面多為建筑垃圾堆填。場次范圍內埋藏地層的巖性及野外特征自上而下分別為人工填土、沖洪積黏土、礫砂、黏土、礫砂、殘積礫質粘性土、燕山期粗粒花崗巖。場地內地下水有填土層中上層滯水、砂層中孔隙潛水、承壓水及下伏基巖強～中風化層中孔隙—裂隙承壓水。含水層的富水性和透水性為弱～中等，接受大氣降水和側向逕流補給。

擬建項目緊鄰已運行地鐵線路，為了了解場地的水文地質情況，進行本次抽水試驗。本次試驗目的是查明基巖裂隙水的滲透性和富水性，測定有關水文地質參數，為基坑設計和施工提供科學、準確的依據，優化基坑設計、施工、防滲排水方案，確保周圍道路、建筑物、地下管線，特別是地鐵的正常使用及運行安全。在基坑開挖深度內主要揭露是填土中的上層滯水和砂類土中的孔隙承壓水水量豐富，基坑開挖將揭穿該層，由于擬建項目采用地下連續墻，可不考慮上部上層滯水及砂層中承壓水對本工程的影響。根據設計單位、建設單位要求，本次勘察針對下伏基巖強～中風化層中孔隙—裂隙承壓水進行水文地質試驗，為設計提供準確的水位地質參數。

2 勘察方法

2.1 抽水試驗概況

擬建4層地下室，基坑開挖深度約為18.0 m（標高-11.70 m），基坑底板巖性主要為殘積土層。本次勘察抽水孔與觀測孔孔口標高變化于6.09～7.04 m。地下水埋深為3.80～5.90 m，水位標高為0.63～2.98 m之間，基坑開挖期間地下水位降深達到14.20 m以上。而基坑開挖后，若采用人工挖孔樁時（以中～微風化巖作為樁端持力層，中風化巖層頂標高介于-35.51～-26.43 m），地下水位降深將達到tpwKtj3QZlE2w5f9ObPMNg==30 m以上，最大達38 m。

2.2 抽水試驗方案

本次水文地質試驗共布置6組試驗孔進行抽水試驗，每組試驗孔包括一個抽水孔和兩個觀測孔。總共布置抽水孔6個，觀測孔12個。

本次水文地質勘察針對強～中風化巖基巖裂隙水，本次勘察抽水試驗孔按承壓水完整井結構進行設計、施工成井。具體試驗成孔步驟如下。

（1）先用Ф350 mm鉆具，清水鉆進，鉆穿中風化層，再下Ф127 mm濾水管（強風化、中風化巖段采用過濾管，保證孔隙率大于30%，其它部分采用鋼套管），外包銅紗網2層至孔底0.5～1.0 m處，周邊回填碎石濾料至全風化巖底部，后回填黏土球至砂層底部。

（2）終孔后采用聯合洗孔法（沖孔器和混合器），達到水清砂凈為止，進行靜止水位觀測。最后安裝水泵及其它抽水試驗設備，將水泵放置在孔底2.0～3.0 m位置，后進行抽水試驗。

（3）觀測孔采用Ф127開孔，一徑到底，漏水管采用Ф50PVC管，過濾器打孔后（強風化、中風化巖段梅花狀打空，保證孔隙率大于30%），外纏銅紗網，周邊回填碎石濾料至全風化巖底部，后回填黏土球至砂層底部。

（4）開始抽水試驗。

每組抽水試驗前先對抽水孔進行洗井，即加入清水，返出渾濁水，直至返出清水為止。各鉆孔抽水采用深井水泵抽水，抽水延續時間每個降深在8 h以上，穩定水位觀測在4 h以上。抽水結束后進行恢復水位觀測，直至水位恢復穩定為止。

2.3 抽水試驗技術要求

（1）抽水試驗采用穩定流抽水試驗。每孔基巖段抽水，抽水分2個降深，每次降深差宜大于2 m，每次降深穩定時間6～8 h，穩定水位波動不超過2 cm。抽水結束后應測量恢復水位，評價含水層的涌水量滲透性及補給情況。抽水后都進行了恢復水位觀測。

（2）穩定流抽水試驗的流量穩定標準，在涌水量無連續增大或變小的區間內，各次流量的最大差值與平均流量值之比不得大于3%。水位穩定標準為在抽水試驗穩定延續時間內，水位無持續上升或下降趨勢；動水位不得大于平均水位降深的1%。

（3）觀測井的設置與觀測水位頻率。

每一個抽水孔旁布設2個觀測孔，觀測時間與抽水孔同步進行。抽水時觀測時間為抽水開始后的第1、3、5、10、15、20、25、30 min各測一次，之后每隔30 min或60 min觀測一次。

2.4 抽水試驗井管結構

由于本場地第四系覆蓋層為人工填土、黏性土、礫砂層，其中礫砂層富水性、滲透性好，因此本次勘察抽水孔均只對基巖（強～中風化巖）裂隙水進行了抽水試驗，抽水井管采用黏土球封堵砂層水，觀測孔采用Φ127 mm套管封堵上覆砂層水，實現分層抽水的目的。

2.5 抽水試驗成果

根據本次抽水試驗現場資料，各個孔各繪制了降深與時間過程曲線圖、流量與時間過程曲線圖、Q=f（s）曲線圖、q=f（s）曲線圖及水位恢復曲線（過程）圖。

3 水文地質參數計算

3.1 滲透系數的計算

本次試驗采用多孔抽水試驗，根據地下水的類型、抽水試驗的類型采用承壓水穩定流完整孔多孔、單孔抽水試驗滲透系數計算公式及按水位恢復法計算公式。

（1）承壓水穩定流完整孔多孔抽水試驗滲透系數（k）、影響半徑（R）的計算公式：

兩個觀測孔：

一個觀測孔：

單孔抽水：

（經驗公式）

式中：

Q為涌水量（m3/d）；

M為承壓水含水層厚度（m）；

s為抽水孔的降深（m）；

r1、r2為觀測井1、觀測井2距主井的距離（m）；

s1、s2為觀測井1、觀測井2的降深（m）；

R為影響半徑（m）；

rw為濾水管半徑（m）。

（2）按水位恢復計算公式：

式中：

Q為抽水穩定流量（m3/d）；

h1、h2為井中水柱高度（m）；

s1、s2為井中恢復的剩余水位降深（m）；

t為水位恢復計算時間間隔（min）；

rw為鉆孔出水段半徑（mm）。

依據抽水試驗成果，各地塊計算所得滲透系數及影響半徑見表1。

表1中，ZK3號孔抽水試驗：觀測孔成孔不甚理想，剔除一個觀測井（G1）、一個觀測井（G2）數據后進行統計；ZK6號孔抽水試驗：主孔和觀測孔成孔均不甚理想，視為試驗失敗。

綜合分析，強～中風化巖滲透系數按照1.50 m/d考慮，影響半徑按照150 m考慮。

4 基坑方案分析與建議

由于場地基巖裂隙水極發育，基坑及人工挖孔樁施工時，坑（樁）內降水極其困難。而坑（樁）內降水又極易引起周圍市政道路、建筑物，特別是地鐵的沉降、變形、開裂。

止水帷幕及基坑支護建議采用排樁+高壓旋噴樁（中風化巖段采用劈裂灌漿法）或地下連續墻方法，其深度要求進入微風化巖不小于0.5 m。

根據場地情況，地鐵緊鄰場地，地鐵埋深小于20 m，基坑邊緣距地鐵控制線15.00～18.00 m，距離較近，各地塊基坑降水對正運營地鐵線可能會產生較大影響，建議各地塊基坑靠地鐵一側基坑支護采用地下連續墻支護方法加強支護措施。同時在地鐵線附近采用回灌措施，避免產生沉降。

在基坑、樁基施工期間，應對周邊市政道路、建筑物、特別是地鐵布置監測點，進行沉降和位移監測，并對附近地表進行巡查有無異常現象（涌砂、涌水）發生。由于擬建項目緊鄰地鐵線，應在基坑外地鐵兩側設置多處注水井，用來觀測地下水位變化，當地下水位下降過大，可能引起地鐵較大沉降時，應往注水井注水，確保地鐵的正常運行。

在現場施工時，現場應做防止涌砂、涌水的應急預案（如封堵、回灌等措施），盡量避開雨季施工。

5 結語

設計、施工采用上述參數及建議，基坑支護及降水情況良好，對地鐵及周邊建筑物、管線等的影響均在要求范圍內，確保地鐵的正常運行，達到了設計的預期要求，取得了很好的經濟、社會效益。

由此可見臨近地鐵線路的基坑工程中，確定含水層的各項水文地質參數尤其是滲透系數K值和影響半徑R值對工程設計至關重要。由于利用兩個觀測孔的抽水試驗方法，對各個環節要求十分嚴格，特別是分層抽水試驗，隔水措施是否處理好是試驗成敗的關鍵。如果其中一個孔（抽水孔或觀測孔）沒有處理好時，其水位降深將不能反應真實情況，其計算結果將出現較大偏差，這種情況可通過多種理論及經驗公式綜合求取，確保抽水試驗的真實性、準確性、可靠性。

參考文獻

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