多孔穩(wěn)定流水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)在南水北調(diào)工程的應(yīng)用

□李永清（安陽(yáng)縣水務(wù)局）

1 施工背景資料

南水北調(diào)中線一期工程總干渠潮河段南起新鄭市梨園鄉(xiāng)馮莊村，向東經(jīng)航空港區(qū)，全長(zhǎng)45.85 km。由于招標(biāo)階段所提供的地質(zhì)水文資料達(dá)不到施工期所需的精度要求，為指導(dǎo)降水施工，確定經(jīng)濟(jì)合理的施工方案，決定進(jìn)行多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。本次抽水試驗(yàn)所在的第四施工標(biāo)段的渠段總長(zhǎng)度為6 km。本施工標(biāo)段地下水開采深度范圍內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有土巖雙層結(jié)構(gòu)、粘砂多層、粘砂雙層和粘性土均一結(jié)構(gòu)等4種，地層為第四系松散層。巖性為砂壤土、細(xì)砂和黃土狀壤土。包括魏家村、耿坡、教場(chǎng)王和桓村～三官?gòu)R等4個(gè)地質(zhì)段，為河谷平原和松散土覆蓋山崗地，地勢(shì)較為平坦。施工標(biāo)段地下水主要儲(chǔ)存于黃土狀中粉質(zhì)壤土、黃土狀輕壤土、重砂壤土和細(xì)砂層中，是第四系松散層孔隙水。地下水來源主要為側(cè)向徑流補(bǔ)給和大氣降水入滲補(bǔ)給，以人工開采及側(cè)向徑流排水為主。

2 抽水試驗(yàn)方案

2.1 孔位布置

為了能夠掌握工作區(qū)地段相對(duì)真實(shí)客觀的水文地質(zhì)參數(shù)，本次工作計(jì)劃在區(qū)內(nèi)第四系潛水含水層中安排4組抽水試驗(yàn)，分別位于樁號(hào) 152+365（ZJ1）、153+890（ZJ2）、156+000（ZJ3）、158+000（ZJ4）處。

根據(jù)工作區(qū)內(nèi)地層分布情況，初步計(jì)劃每組抽水試驗(yàn)布置抽水主孔1眼，沿渠道方向和垂直于渠道方向各布置兩條觀測(cè)線，每條測(cè)線上3眼觀測(cè)孔，共6眼觀測(cè)孔，具體配置情況視現(xiàn)場(chǎng)條件而定。抽水主孔孔深25～28m，觀測(cè)孔每眼孔深與主孔相同，每組總進(jìn)尺約196m。文章著重介紹第2組抽水試驗(yàn)情況。

2.2 成井施工

2.2.1 施工工藝流程

測(cè)放井位→鉆機(jī)就位→鉆孔→清孔換漿→井管安裝→填礫→洗井→置泵試抽水→正常抽水試驗(yàn)。

2.2.2 施工程序及技術(shù)質(zhì)量要求

井位測(cè)放：按照井位設(shè)計(jì)平面圖，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求控制座標(biāo)測(cè)放井位；鉆機(jī)就位應(yīng)平穩(wěn)牢固，勾頭、磨盤、孔位三對(duì)中；鉆孔采取反循環(huán)成孔。鉆進(jìn)過程中，垂直度控制在1%以內(nèi)，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后方可終孔；清孔：終孔后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清孔，確保井管到預(yù)定位置；下井管：下管過程中要求在適當(dāng)部位安裝扶正器，以保證濾水管、井壁管居中。井壁管、濾水管進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照合格證進(jìn)行檢查驗(yàn)收，復(fù)測(cè)其實(shí)際長(zhǎng)度，認(rèn)真排管，將沉淀管牢固封底。清理井底沉淀物，復(fù)測(cè)井深，泥漿適當(dāng)稀釋。準(zhǔn)備工作完成后，方可安裝井管。井管安裝時(shí)，孔內(nèi)井管上口保持水平，吊裝在井孔的中心，并在井管上分段設(shè)扶正木，防止井管碰撞井壁造成井管損傷事故，井管安裝嚴(yán)格按排管順序進(jìn)行。成孔后填礫料：用塑料布封住管口。填礫時(shí)應(yīng)用鐵鍬鏟礫均勻拋撒在井管四周，保證填礫均勻，密實(shí)。濾料直徑以含水層顆粒直徑d5060的平均值經(jīng)過計(jì)算后控制，根據(jù)計(jì)算結(jié)果初步確定填濾粒徑和級(jí)配，備料時(shí)可根據(jù)觀測(cè)孔鉆進(jìn)情況進(jìn)行調(diào)整，填濾厚度在10～20 cm之間。下入觀測(cè)孔井管后，用靜水快速投濾法（或?qū)Ч芡稙V法）將已按要求摻和準(zhǔn)備好的濾料投入井管與孔壁之間的環(huán)隙中，直至超過過濾段3m以上，注意每次填料時(shí)套管起拔高度不能超過1m；洗井：填礫和粘土結(jié)束，應(yīng)立即洗井，可采用大泵量的潛水泵進(jìn)行洗井，洗井要求破壞孔壁泥皮，洗通四周的滲透層。置泵抽水：洗井抽出的水渾濁含砂，應(yīng)沉淀排放，當(dāng)井出清水后，進(jìn)行抽水泵安裝，以待抽水試驗(yàn)。

2.3 抽水試驗(yàn)設(shè)備

為滿足抽水試驗(yàn)要求，采用安裝有調(diào)節(jié)水量的控制閥的潛水泵進(jìn)行抽水；水位觀測(cè)使用萬用表電測(cè)法。流量觀測(cè)采用水表和堰箱，觀測(cè)前首先要校核觀測(cè)尺精度，并指定專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)指揮，為消除時(shí)間上的誤差，觀測(cè)孔和抽水主井每次觀測(cè)宜按同一時(shí)間進(jìn)行量測(cè)。

3 抽水試驗(yàn)工作概況

3.1 設(shè)備整理

抽水試驗(yàn)前，首先應(yīng)對(duì)抽水設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，最大水位降深應(yīng)滿足要求；對(duì)計(jì)量水表、計(jì)量容器規(guī)格進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量；準(zhǔn)備好鉛筆、記錄表、水位儀、測(cè)量?jī)x、鋼卷尺等工具；對(duì)抽水孔水位宜在抽水孔外利用觀測(cè)管進(jìn)行觀測(cè)；對(duì)井口標(biāo)高進(jìn)行測(cè)定；對(duì)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行復(fù)測(cè)和標(biāo)定。

3.2 流量和水位觀測(cè)

首先要對(duì)原始水位進(jìn)行觀測(cè)并記錄，利用潛水泵抽水，電測(cè)水位計(jì)觀測(cè)靜、動(dòng)水位，水表計(jì)量涌水量，秒表計(jì)時(shí)，確保抽水試驗(yàn)延續(xù)時(shí)間>8 h，相對(duì)穩(wěn)定抽水時(shí)間8 h，水位恢復(fù)至穩(wěn)定水位,水位觀測(cè)值應(yīng)精確到1 cm，水表讀數(shù)應(yīng)精確到0.10m3，秒表讀數(shù)應(yīng)精確到0.10 s。

3.3 抽水試驗(yàn)

為了檢查抽水設(shè)備和了解單井出水量，井內(nèi)布置了1臺(tái)8.0m3/h的潛水泵，其揚(yáng)程為30m。抽水8 h后ZJ2井水位趨于穩(wěn)定，繼續(xù)抽水6 h后停止抽水，10 h后ZJ2井水位恢復(fù)至原靜止水位。至此共計(jì)24 h的試驗(yàn)性抽水結(jié)束；各井井水位采用電測(cè)水位計(jì)進(jìn)行量測(cè)，量測(cè)前分別校核各個(gè)觀測(cè)尺，現(xiàn)場(chǎng)由專業(yè)指揮人員專門負(fù)責(zé)指揮，為避免時(shí)間引起的誤差，宜采用在同一時(shí)間進(jìn)行各次各井的觀測(cè)。

試抽結(jié)束后，開始正式進(jìn)行多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)每組試驗(yàn)采用3組降深，現(xiàn)場(chǎng)記錄流量及水位變化，并及時(shí)繪制s-t、Q-s曲線、s-lgr曲線，以便發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理。

4 抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

4.1 參數(shù)計(jì)算公式的選擇

本次試驗(yàn)為多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)（一個(gè)抽水孔，多個(gè)觀測(cè)孔）。在進(jìn)行水文參數(shù)計(jì)算時(shí)，以觀測(cè)孔的水位為主，故抽水孔內(nèi)的水躍現(xiàn)象不會(huì)對(duì)滲透系數(shù)K和影響半徑R的計(jì)算結(jié)果造成影響，基本保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)類型及地層情況可知，ZJ1抽水試驗(yàn)屬潛水完整井抽水試驗(yàn)類型，并且試驗(yàn)結(jié)果中三s-lgr曲線可以連成直線，按照《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（SL320－2005）中6.2.2條的規(guī)定，在多孔抽水試驗(yàn)計(jì)算過程中采用了規(guī)范中提供的附錄B表B-2和附錄F中的公式來計(jì)算滲透系數(shù)K和影響半徑R。

式中：k—滲透系數(shù)，m/d；Q—抽水量，m3/d；H—含水層平均厚度，m；r1、r2—第一個(gè)觀測(cè)井、第二個(gè)觀測(cè)井與抽水井的距離，m；S1、S2—第一個(gè)觀測(cè)井、第二個(gè)觀測(cè)井水位降深，m；R—影響半徑，m。

4.2 抽水試驗(yàn)成果整理與計(jì)算

根據(jù)153+890段內(nèi)布置的抽水試驗(yàn)井ZJ2所在段內(nèi)及周邊含水層巖性為砂壤土和砂質(zhì)粘土巖，0～13.35m為砂壤土，13.36m為砂質(zhì)粘土巖，滲透性差，可視為相對(duì)的隔水底板，因此該段抽水試驗(yàn)類型屬于潛水完整井抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)主井井口高程127.87m，地下初始水位埋深12.49m（從井口計(jì)），地下水位以下設(shè)置濾水管，并在井底留有2m的沉淀管。

根據(jù)井孔的水文地質(zhì)條件，在153+890段進(jìn)行3個(gè)落程的多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，3個(gè)落程抽水量分別為2.40 m3/h，4.65m3/h，7.10m3/h，各落程累計(jì)時(shí)長(zhǎng)3000min，水位相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間超過8 h，滿足試驗(yàn)要求。

5 試驗(yàn)結(jié)論及施工方案

通過本次抽水試驗(yàn)，基本查明了試驗(yàn)段內(nèi)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)參數(shù)情況，得出的結(jié)論如下：153+890段潛水非完整井ZJ2抽水試驗(yàn)中，利用觀測(cè)孔的數(shù)據(jù)計(jì)算出的滲透系數(shù)K值為0.73～1.86m/d（8.56×10-4～1.54×10-3cm/s），平均值為 1.04 m/d；影響半徑R值為15.25～45.88m，平均值為30.56m，滲透性較弱中等；在滲透系數(shù)與影響半徑數(shù)值的選取上，推薦選用平均值來代表整個(gè)試驗(yàn)段的綜合滲透系數(shù)與影響半徑；抽水試驗(yàn)過程中觀測(cè)到的最大主井降深為7.90m，此時(shí)主井的抽水量為8.50m3/h，在降水方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮此次試驗(yàn)中流量與降深的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)情況及時(shí)將方案調(diào)整為：水泵需選型號(hào)為175QJ10-40/3流量10m3/h揚(yáng)程35～44m潛水泵，水泵功率2.20W，水泵工作效率因數(shù)0.90，則水泵有效出水9m3/h。降水井布置渠道兩側(cè)，單排井間距30～31m，基坑長(zhǎng)度按照渠道500m一個(gè)施工單元考慮，兩側(cè)共需布置降水井33眼。

6 實(shí)際效果

根據(jù)該抽水試驗(yàn)成果，施工時(shí)及時(shí)調(diào)整了降水井及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力配置，若按照招標(biāo)提供的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行施工方案的確定，工程建設(shè)期的降水費(fèi)用將達(dá)到1550萬元，按照本抽水試驗(yàn)結(jié)論參數(shù)進(jìn)行方案調(diào)整，實(shí)際工程建設(shè)期降水費(fèi)用為980萬元，節(jié)省施工成本570萬元，同時(shí)保證了渠道施工質(zhì)量總工期和施工質(zhì)量。