三點法測定地下水流向的技術方法

吳炳富

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 引言

水工建筑物多數為擋水建筑物，其基礎通常設置在地下水位以下的地層中，如水庫大壩基礎、水閘基礎、泵站基礎等。在基礎建設前，首先要進行基坑開挖施工。在地下水位以下開挖基坑，尤其是在地下水豐富的地層開挖基坑，開挖前往往要先進行圍堰導流、在地下水補給上游進行截滲施工、再進行施工降水等前期工作。進行截滲、降水等施工首先要了解施工區域地下水水文地質參數，如地下水含水層厚度、賦水量、滲透參數、水力參數以及地下水補給方向等。無論是地下水截滲施工還是施工降水，掌握施工區域地下水補給方向對截滲和降水施工十分必要。通常地下水分為表層滯水、潛水和承壓水等。在具有豐富的潛水或層壓水的建設區域里，基坑開挖通過圍堰截流方式進行施工是達不到目的的，圍堰截流只能截住地表水，卻截不斷深層地下水。本文通過安徽省新建懷洪新河工程和渦河近期治理工程等水利工程建設前期的水文地質勘察的實踐，總結“三點法”測定地下水流向的技術，用此技術為多個水利工程建設項目的節制閘（如山西樁節制閘等）、泵站（如淮南應臺孜泵站等）和樞紐（如亳州大寺樞紐等）水工建筑物的截滲施工和降水施工，提供較可靠的地下水水文地質參數。

2 “三點法”測定地下水流向的技術

用“三點法”測定地下水流向的理論是比較成熟的，但是在實施過程中要到達理想的結果并非易事。關鍵取決于對每個實施過程環節技術指標的運用以及關鍵部位技術參數和方法的選用。

2.1 觀測井井點設計和觀測井結構設計

在進行井點和井結構設計時，應先對施工現場的地形地貌進行詳勘，并在充分掌握施工現場水文地質資料和建設工程的有關技術參數的基礎上進行設計。

觀測井井點布局設計：利用施工場地的大比例地形圖（如1∶2000或1∶1000等），在計算機上進行井點設計布局。以擬開挖基坑為中心，在地形圖上作一個等邊三角形，等邊三角形邊長根據開挖基坑面積和場地平整條件來定，一般取50～150m。等邊三角形三個頂點為觀測井井點。觀測井結構設計：井點口徑（直徑），松散地層大于或等于200mm；巖層大于或等于150mm。鉆井深度，松散地層孔深一般為基坑開挖深度1.5～2倍；巖層深度進入完整基巖1～2m。井內安裝不透水的盲管和透水的濾水管（兩種管同徑），管外徑均取108～127mm。濾水管采用包網或纏絲過濾器，其孔隙率大于或等于30%，濾水管最下端設置2～3m的盲管作沉淀空間。井壁與井管外側空間填入濾水材料：當砂土類含水層不均勻系數Cu＜10時，濾水材料的D50=（6～8）d50；當碎石土類含水層d20＜2mm時，濾水材料的D50=（6～8）d20；當碎石土類含水層d20≥2mm時，濾水材料的粒徑應為10～20mm，并且上述濾水材料不均勻系數均為Cu≤2。

2.2 觀測井施工設計與地下水滲徑疏通

在地下水資源豐富的區域進行鉆探施工應充分考慮地下水給鉆孔和建設場地地基帶來危害（層壓水產生管涌的滲透變形等）。選擇成井工藝應充分考慮眾多不利因素，以確保鉆探施工和建設場地地基安全。成井工藝通常考慮：鉆探機械和泥漿泵的選型；泥漿沖洗液的比重、粘度等性能指標的選擇；濾水材料的粒徑和顆粒級配的選擇；濾水網布密度的選擇；鉆探過程的可鉆性和泥漿泵壓力參數的選擇等。在眾多成井工藝選項中，多數匹配技術指標均可以從相關的地質手冊和規范、規程中獲得。但鉆探過程在承壓水頭高出地面的場地條件下選用泥漿沖洗液比重、粘度性能指標與鉆探地層匹配關系尚未成熟，需要通過運用施工經驗來解決問題。泥漿性能指標是敏感性很強的指標，在高承壓水下進行鉆探成井，泥漿比重作為泥漿性能重要指標之一，往往要精確到百分位，否則很難提高成井率和成井質量。通過試驗比較：對稍密狀態的中砂地層在一定的承壓水頭下進行成井鉆探，在其他條件相同情況下，配制泥漿比重1.20和1.30分別用于成井鉆探，成井結果截然不同。泥漿比重1.20用于降水井鉆探時，鉆孔裸眼靜漿時間不超過30min，10min內孔壁泥皮局部就受到地下水水平滲透壓力的剪切破壞而脫落，接下來不超過20min孔壁砂層就開始坍塌、掉塊，并沉入井底使井深變淺，井壁由原來的圓柱體變形為不規則的曲面體，致使井內無法安裝井管，從而導致井眼報廢；若配制泥漿比重1.30用于降水井鉆探，裸眼鉆孔能維持3h不變形。接下來安裝井管、回填濾水材料等工序都能在3h內完成，這樣既保證了井壁圓正又保證了成井的質量。當然，配制泥漿比重過大，粘度也隨之增大，井壁泥皮增厚，維持裸眼鉆孔時間更長，但是裸眼井壁雖然穩定，安裝井管、回填濾水材料等工序安全順暢，孔內故障少，但泥漿稀釋難度大，洗井的時間長，井壁外側水躍值高，不利于地下水位的觀測。在這種特殊水文地質條件下進行降水井鉆探施工，后者的作用顯得特別重要。通過對在不同的地層、不同的承壓水頭下進行成井鉆探，所選用不同的泥漿比重和粘度指標并獲得預期成果的水文地質資料進行了匯集和整理，并分組進行數理統計。對同一地層在不同的承壓水頭條件下鉆探與所選用的泥漿比重和粘度指標建立相關關系，且在后續的類似項目中對此相關關系加以驗證，并證明是行之有效的。

確定成井工藝技術指標后，按適用的鉆探規程要求完成觀測井成孔、安裝井管（井管安置孔中央、濾水管安置在透水層中）、填入濾水材料后（松散地層井壁與井管外側空間填入濾水材料寬度≥40mm），進行地下水滲徑疏通。疏通地下水滲徑采用井內降低水位的方法，使井內外地下水形成水壓力差，導致井外地下水源源不斷地向井內滲入，達到疏通因井成施工致使井壁周圍地層被擠壓或泥漿堵塞地下水滲徑的目的。井內降低水位可以使用水泵提水或人工提水，提水過程中應根據井內水位恢復情況，進行地下水滲透靈敏度試驗，直到確認地下水滲透性符合適用技術標準要求，方可停止地下水滲徑疏通工作。

2.3 地下水位觀測和數據分析

對觀測井實施水位觀測前先要進行群井同時抽水，以確定各井之間地下水水力聯系密切情況，為后續水工建筑物基礎施工提供必要的參數。一般群井抽水與水位觀測以周期性銜接，群井抽水結束后等井內水位恢復穩定后記錄各井穩定水位的高程。重復三次以確定各井某一時刻彼此水位穩定情況。由于地下水是從高水位向低水位進行滲透，滲透中水分子與地層顆粒之間產生摩擦要消耗水分子的內能，所以地處地下水上游的觀測井的水位要比地處地下水下游的觀測井水位高，由此可以初步確定地下水大致的流向。

2.4 等水位勘測

地下水大致流向確定后，以兩個不同井的水位高程值為標準值，根據地下水大致流向設定兩條不同水位的假設等水位線。沿著兩條等水位線分別再布置兩個觀測孔并進行施工埋設（一般不會一次假設成功，往往要經過多次），通過觀測孔內水位高程值以確定其水位高程值與標準值的偏差，根據偏差情況再重新糾偏位置，布置觀測孔，再進行施工埋設，直到觀測孔內水位高程值與標準值相等或相接近為止。

圖1 地下水流向示意圖

2.5 地下水流向確定

四個觀測孔的位置被確定后，將其位置繪制在原先確定等邊三角形的地形圖上并繪制等水位線，理論上兩條等水位線應是平行的。繪制出垂直于等水位線且由高程大值指向高程小值的方向線，該方向線為地下水滲流方向，見圖1。

3 結語

地下水流向的測定也可用人工放射性同位素單井法來測定。其原理是用放射性示蹤溶液標記井水水柱，讓井中的水流入含水層，然后用一個定向探測器測定鉆孔各方向含水層中示蹤劑的分布，在一個井中確定地下水流向。此法適用于對地下水分析研究的課題，在工程建設方面一般不采用■