非均質地層抽水試驗中滲透系數計算方法研究

王 迪

(福州市勘測院 福建福州 350003)

非均質地層抽水試驗中滲透系數計算方法研究

王 迪

(福州市勘測院 福建福州 350003)

滲透系數是評價地層滲透性和地下水水量的重要參數。以福州軌道交通2號線某車站的抽水試驗為例，分析在非均質地層中的抽水試驗中，按穩定流帶不同觀測孔的各公式和水位恢復法公式分別計算水文地質參數。結果表明，采用穩定流公式計算的滲透系數結果相對準確，采用水位恢復法的計算結果偏大。按穩定流計算滲透系數的結果對降深敏感程度的規律是：單孔<主孔+1個觀測孔<主孔+2個觀測孔，主孔<觀測孔。對含水層為非均質地層的沿海地區，按穩定流、單孔或帶1個觀測孔等相對“粗獷”的公式求得的水文地質參數更可靠，而按帶2個觀測孔的公式求得的水文地質參數容易出現異常。

非均質地層；抽水試驗；滲透系數；準確性；敏感性

0 引言

滲透系數K值是評價地層滲透性和地下水水量的重要參數，對基坑降水方案的設計至關重要。抽水試驗是獲取K值的主要方法，要獲得較準確的K值，需根據水文地質條件、含水層特性、抽水試驗方法選擇合適的計算公式。常用的求參方法包括穩定流求參、非穩定流求參和水位恢復法求參。

對實際工程，不同公式的適用性并不相同，對比穩定流和非穩定流，非穩定流的計算結果較可靠，穩定流經驗公式求得的滲透系數可能偏大[2-3]或偏小[4]。對非穩定流，采用Aquifer Test專業軟件結合全程曲線擬合法計算的參數比傳統的人工配線法更方便快捷、準確，計算的結果基本符合實際的水文地質條件[5-7]。對穩定流的單孔或多孔求參，帶觀測孔比單孔抽水試驗的計算結果誤差更小[8-9]，單孔的計算結果可能偏小[10-11]或偏大[12]。

本文擬以福州地鐵2號線某車站的帶兩個觀測孔的抽水試驗為案例，按照穩定流方法和水位恢復法分別計算滲透系數K，針對場地的非均質地層分布特征，對K值的差異性和選用進行分析，為車站基坑降水設計提供依據參數。

1 地質概況

擬建車站設計里程為CK25+124.456～CK25+637.156，全長512.7m，標準段寬為21.3m，車站基坑開挖深約21m，圍護結構均采用厚度800mm連續墻。車站處地質剖面示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵車站處地質剖面示意圖

擬建車站場地包含兩個承壓含水層：第一層為上部的<2-5> (含泥)中粗砂，第二層為下部的<3-2>(泥質)粉細砂、<3-3>(含泥)中粗砂和<3-8>卵石(砂質填充)聯合含水層。兩個含水層組之間為厚12m～20m的相對弱透水層。

勘察時測得第一層含水層<2-5>(含泥)中粗砂的水位埋深為10.77m，羅零標高為-3.38m。第一層含水層組承壓水位埋深約6.00m，標高為2.00m。對基坑開挖影響較大的為<2-5>層，該層含中粗粒石英顆粒及云母等，級配不良，局部夾薄層淤泥。

2 抽水試驗設計及計算方法

2.1 抽水試驗設計

該車站對含水層<2-5>(含泥)中粗砂布置S01進行穩定流抽水試驗，帶2個觀測孔，孔號為S01-G1和S01-G2，距離主孔的距離分別為8m和15m。抽水孔井結構如圖2所示，觀測孔的濾管和隔水位置與抽水孔一樣，上部隔水套管直徑為250mm，孔徑為220mm，濾管直徑為125mm，過濾管的骨架管孔隙率和礫料均滿足規范要求。

圖2 S01抽水孔井結構圖

本試驗采用多孔抽水試驗，每次降深穩定時均對應一個穩定的流量，對穩定時的數據采用穩定流帶不同觀測孔的公式進行計算，對水位恢復階段的數據采用水位恢復公式計算滲透系數K。

本試驗采用小降深抽水，以避免或減少抽水時產生的三維流的影響[13]，最大降深定為含水層的1/3處，每次降深的差值大于1m。當降深超過含水層頂板時，計算滲透系數采用承壓水—潛水的公式。其余兩個小降深控制水位在含水層頂板以上，采用承壓水公式。

2.2 穩定流法

(1)承壓水完整井抽水試驗滲透系數計算公式：

(1)

(2)

(3)

(2)承壓水-潛水完整井穩定流抽水試驗滲透系數計算公式：

(4)

(3)影響半徑計算公式：

(5)

式中：

Q—鉆孔涌水量(m3/d)；

K—滲透系數(m/d)；

rw—抽水孔井管半徑(m)；

r1—觀測孔1距主井距離(m)；

r2—觀測孔2距主井距離(m)；

Sw—抽水井水位降深(m)；

Sg1—觀測孔1水位降深(m)；

Sg2—觀測孔2水位降深(m)；

H—承壓含水層靜止水位至含水層底板的距離(m)；

h—承壓水-潛水含水層抽水穩定時水位至含水層底板的距離(m)；

M—承壓水含水層厚度(m)；R—影響半徑(m)。

2.3 水位恢復法(S-lgt/t′)

利用水位恢復資料繪出S-lgt/t′(t′=t-tp，停抽前抽水的總時間)曲線，求得直線段斜率i，可得：

(6)

式中：T—導水系數(m2/d)；其余參數同上。

3 試驗結果的差異性和敏感性分析

3.1 抽水試驗結果

S01抽水孔3次降深的數據如表1所示。依據試驗結果繪制抽水井涌水量Q-降深Sw、單位降深涌水量q-降深Sw的關系曲線，如圖3～圖4所示。

表1 S01抽水孔抽水試驗數據

圖3 Q=f(Sw)曲線圖

圖4 q=f(Sw)曲線圖

選用相關公式計算滲透系數，計算結果如表2所示。

表2 <2-5>(含泥)中粗砂層滲透系數K成果統計表

從試驗結果可以看出：

(1)根據Q-S和q-S的曲線形態，判斷含水層的類型為承壓轉無壓的井流，在第三降深時水位降至承壓含水層頂板以下，承壓轉為無壓井流。曲線與實際抽水試驗過程基本吻合。

(2)根據觀測孔的水位降深時間曲線，在抽水過程中，水位下降明顯，水位、水量容易穩定，停抽后水位恢復很快，恢復曲線拐點明顯，反映含水層分布較廣、透水性好、水量補給較為豐富。

3.2 計算結果的差異性分析

根據臨近的福州蘇寧廣場二期工程[13]的抽水試驗數據，該場地 (含泥)中粗砂層的滲透系數為20m/d，由于該工程的基坑已開挖，經驗證該地層的滲透系數試驗數據跟實際比較吻合；另據《水文地質手冊》[14]，中砂層的滲透系數經驗值為10m/d～25m/d。

對比該工程的抽水試驗結果，采用穩定流單孔或帶1個觀測孔公式的計算結果與經驗值較為接近；采用穩定流帶2個觀測孔公式的計算結果為負值；而采用水位恢復法公式的計算結果遠大于經驗值。分析原因有以下3點：

(1)恢復水位法偏大：井損是抽水試驗中一個重要的影響因素，也是上述試驗計算結果差異的主要原因之一。當鉆孔抽水時，井損使井中水位低于井壁水位，用單孔公式得到的滲透系數偏小；而利用主孔和1個觀測孔公式可以將兩孔的井損值抵消一部分，結果相對準確；水位恢復時，又使井中恢復水位遠大于井壁水位，用水位恢復速度計算公式得到的滲透系數偏大[15]。

(2)三次降深均顯示，較遠的觀測孔S01-G2降深大于較近的S01-G1孔的降深，與常理不符，在排除了成井及洗井等可能存在的問題后，推測水位異?？赡苁荢01-G1孔的地層中存在弱透水透鏡體而致，使得抽水試驗不滿足理想的達西滲流模型，降落漏斗與理想曲線不符，如圖5所示，故采用帶兩個觀測孔的公式計算K值會出現異常負值的結果，如表2所示。

由于現行規范對存在弱透水透鏡體分布的非均質地層無相應公式可用，而工程的降水設計工作又需要獲取場地地層的滲透系數，因此只能參考均質水平模型的公式去計算參數，再結合工程經驗提出相對合理的參數推薦值。試驗結果應主要利用抽水孔和S01-G2的數據，采用單孔或帶1個觀測孔的公式。

圖5 帶2個觀測孔的抽水試驗地層示意圖

3.3 穩定流計算公式的敏感性分析

對穩定流而言，采用不同公式求取K值時對降深S的敏感程度亦不同。在試驗過程中由于地層不均勻、洗井不徹底、濾水管外填礫不合格、觀測精度不高、井損等原因的存在，使得降深S存在客觀的觀測誤差，因此對降深S的敏感程度是選擇計算公式時需要考慮的因素之一。

為便于分析各公式對降深S的敏感程度，本文對主孔、觀測孔1和觀測孔2的降深進行微調，以分析K值的變化幅度，相應結果如圖6～圖7所示。

圖6 主孔降深變化和K的變化率關系圖

圖7 觀測孔降深變化和K的變化率關系圖

可以看出，穩定流帶不同觀測孔的計算公式得到的K值對降深S敏感程度的總體規律是：單孔<主孔+1個觀測孔<主孔+2個觀測孔；主孔<觀測孔。對本工程而言，在主孔降深測量誤差增加10cm時，對K值的變化率在15%以內。而觀測孔降深測量誤差增加10 cm時，K值的變化率相對較大，約15%～20%。而在利用兩個觀測孔的計算公式時，測量誤差對計算結果的影響急速增加，甚至達400%以上。因此，使用帶2個觀測孔的公式，降深的微小變化會導致K值結果發生較大變化，鉆孔尤其是觀測孔的洗井和成孔質量對試驗結果的影響很大。

結合本試驗的場地分析，福州地區的上部砂層大部分以沖洪積、沖海積為主，其密實度和分布不均，局部存在淤泥中細砂交互層等弱透水夾層或透鏡體，導致試驗地層與公式假定的均質、水平、無限延伸的理想水文地質模型存在差異。若在觀測孔處存在弱透水透鏡體，甚至出現越遠的觀測孔降深越大的情況出現，使得計算結果出現負值，如表1所示。

因此，在實際工程應用中，針對含水層以不均質地層為主的沿海地區，由于人為讀取誤差及試驗條件的限制，抽水試驗計算宜按穩定流、單孔或帶1個觀測孔等相對“粗獷”公式的計算結果作為主要依據，而諸如穩定流帶2個觀測孔的相對“精細、精準”的計算模型和公式反而適用性較差，在工程中可作為數據驗證的一部分，而應盡量避免使用其計算結果作為最終推薦值。

對本工程而言，利用單孔+1個觀測孔的公式計算的K值對降深S的敏感程度最小，且數據最接近經驗值和臨近場地的試驗值，因此推薦單孔+1個觀測孔的公式計算的K值平均值作為建議值，即建議滲透系數K取26m/d。

4 結論

(1)根據抽水試驗結果，采用穩定流單孔或帶1個觀測孔公式的計算結果與經驗值較為接近；采用水位恢復法公式的計算結果遠大于經驗值。

(2)對不均質含水層，帶觀測孔的穩定流抽水試驗K值對水位降深比較敏感，對各個環節要求十分嚴格，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。

(3)穩定流帶不同觀測孔的計算公式得到的K值對降深S敏感程度的總體規律是：單孔<主孔+1個觀測孔<主孔+2個觀測孔。主孔<觀測孔。從數據的精確度上看，使用帶2個觀測孔的公式，降深的微小變化會導致K值結果發生較大變化。

(4)對淺部含水層以沖洪、沖海積成因的不均質地層為主的沿海地區，抽水試驗計算宜按穩定流、單孔或帶1個觀測孔等相對“粗獷”公式的計算結果作為主要依據，再結合當地經驗得到滲透系數的建議值才具有區域代表性。若盲目相信單一公式的計算成果，可能會造成過度設計。

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Study on the Calculation Method of Permeability Coefficient in Pumping Test of Inhomogeneous Formation

WANGDi

(Fuzhou Investigation and Surveying Institute, Fuzhou 350003)

Permeability coefficient is an important parameter to evaluate the formation permeability and water quantity. Many aquifers in the coastal region are not ideal as horizontal, homogeneous, infinitely extended aquifers. In this paper, the results of hydrogeological parameters of inhomogeneous formation were compared and analyzed, respectively calculated by the formula of steady flow with different observation holes and water level recovery, based on the pumping test of a station of Fuzhou Metro Line 2. The results showed that the permeability coefficient calculated by the steady flow formula is relatively accurate, and the result of water level recovery is too large. According to the results of steady flow calculation of permeability coefficient, the rule of the sensitivity of the depth is: single hole < main hole +1 observation hole < main hole +2 observation hole. In the coastal area with the shallow heterogeneous aquifer, the hydrogeological parameters get by relative rough formula such as single hole or 1 observation hole according to the stable flow is more reliable.

Inhomogeneous formation; Pumping test; Permeability coefficient; Accuracy; Sensitivity

王迪(1987.1- )，女，工程師。

E-mail:343224853@qq.com

2017-03-14

TU46

A

1004-6135(2017)07-0123-05