基于現場抽水試驗的水文地質模型合理概化

常銀生，黃 俊，呂 樂，朱偉鑫

(1. 南京市房屋安全服務(鑒定)處，南京 210009；2.南京工業大學 巖土工程研究所，南京 210009；3.江蘇南京地質工程勘察院，南京 210041)

地下水給地下工程建設帶來諸多不利影響，合理評價場地地下水運動關乎地下工程建設的安全。地下水運動合理描述的關鍵是獲取可靠的水文地質參數。現場抽水試驗是獲取場地水文地質參數的重要途徑[1-2]，此外，水文地質參數反演的準確性還取決于地下水計算模型的合理概化[3]。

傳統的水文地質參數確定依賴于抽水試驗和地下水流動理論模型，Theis公式[4]、Hantush公式[5]、Boulton公式[6]分別用于描述理想承壓含水層、越流承壓含水層與潛水含水層中的地下水流動問題。由于場地水文地質條件的復雜性，以及工程建設中抽水井設置的差異性，給水文地質模型的概化帶來了困難[7]。盡管數值模擬方法能實現復雜水文地質條件下地下水流動計算及水文地質參數的反演[8-9]，但由于前后處理工作量大等原因，在工程實踐中應用并不普及，工程實踐中含水層參數反演仍以傳統的標準曲線法(配線法)為主[10]。因此，如何概化水文地質條件，合理構建水文地質模型，已成為水文地質參數反演需要解決的重要問題。

本文依托南京地鐵行知路站單井抽水試驗，通過對場地水文地質條件分析和概化，利用不同的地下水計算模型反演場地含水層系統水文地質參數，通過現場抽水試驗實測降深值與模型理論值的對比分析，評價水文地質模型的合理性。

1 場地水文地質條件

1.1 場地含水層系統

南京地鐵行知路站南距長江約3.0 km，場地地勢較平坦，屬長江漫灘地貌單元，第四系覆蓋層均為含水層，其賦水性、透水性存在一定差異，根據鉆孔揭示的地層結構特征和地下水賦存條件，場區地下水類型主要為潛水、承壓水和基巖裂隙水。

(1)潛水主要賦存于近地表淺部①-1層雜填土中，由于雜填土成份復雜，結構松散，極不均勻，其透水性較好、賦水性較差。②-2b4層淤泥質粉質粘土透水性、賦水性較差，屬弱透水層或相對隔水層，潛水水位埋深約1.3 m。

(2)承壓水主要賦存于場地粉砂、細砂、粗砂等含水層中，分為上下兩組含水層，第一組含水層由②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂組成，該含水層賦水性和透水性較好，厚度大，分布較均勻，水量較豐富，埋深較淺。存在來自上部潛水通過②-2b4層淤泥質粉質粘土的少量補給，屬微承壓含水層。②-3b3-4層粉質粘土層是良好的隔水層，第二組含水層由粉質粘土層以下的②-3d2層粉砂、②-3d1層粉細砂、②-4d1層含礫中粗砂和②-4e1層圓礫組成，含水層主要為漫灘相全新世沉積土層，賦水性和透水性好，厚度大，分布較均勻，含水層底板為下伏基巖。第二組含水層為承壓含水層，承壓水水頭埋深約2.8 m。

(3)基巖裂隙水(包括風化裂隙水和構造裂隙水)主要賦存于白堊系浦口組K2p基巖的強風化和中風化帶中，中風化帶巖芯較完整，裂隙不甚發育，且多閉合或充填，賦水性較差；強風化帶巖芯較破碎，呈碎塊狀、砂土狀，存在一定的賦水空間，但裂隙方向不一，且裂隙間多被巖石劇烈風化后的泥狀殘留物充填，并未形成統一的滲流路徑，其賦水性較差，存在少量地下水分布。

圖1 場地地質剖面圖

1.2 地下水補給、徑流及排泄方式

潛水的補給來源主要為大氣降水入滲補給及地下水徑流的側向補給，以蒸發排泄、地下水徑流及人類取水為主要排泄方式。承壓水水量較豐富，與江水聯系密切，主要補給來源為地下水徑流的側向補給，排泄方式以側向徑流為主，雨季時接受江水的側向補給與降水的入滲補給，旱季時則向江中滲流排泄。上部潛水層對第一組承壓含水層存在少量越流補給。基巖裂隙水(包括風化裂隙和構造裂隙)由于受裂隙分布及相互連通條件的影響，徑流不暢，具多變性，一般以側向徑流為主要排泄方式。

2 場地抽水試驗

2.1 抽水井設置

抽水試驗的主要目的是獲得場地淺部含水層的水文地質參數，為基坑降水設計提供可靠的依據。從場地地質剖面(圖1)可知，場地含水層產狀近乎水平，厚度較均勻。抽水井布設于②-3d-c3層粉砂夾粉土、②-3d2層粉砂中。抽水井孔徑300 mm，深度為29.00 m，井管口出露地表約30 cm。井管外徑150 mm、內徑134 mm，上部(0.00～6.00) m為實管，中部(6.00～27.00) m為濾水管，底部2.00 m為沉淀管，井底端用鋼板封死。管外(6.00-27.00) m深度處填充直徑(1-2) mm的石英砂作濾水層。管外(0.00-6.00) m、(27.00-29.00) m填入直徑(1-2) cm的粘土球并夯實，以防地下水滲漏到試驗含水層中。抽水井結構設計如圖2所示。

圖2 抽水井結構設計圖

2.2 抽水試驗結果

單井抽水試驗由抽水階段和水位恢復階段組成，總計歷時49 h，抽水量、降深與時間關系如圖3所示。試驗前期抽水量稍有波動，后期抽水量基本穩定，可簡化為定流量抽水試驗。抽水試驗(0～1500) min為非穩定流連續降深階段，其中500 min后降深漸趨穩定，單井涌水量為264.72 t/d(11.03 t/h)，水位降深為2.95 m；(1500～2940) min為停抽后的水位恢復階段。抽水試驗結果反映了抽水條件下含水層的地下水流動和水位變化規律，為確定含水層水文地質參數奠定了基礎。

圖3 抽水試驗Q-t和s-t曲線

3 水文地質模型概化

由于試驗場地為多層結構含水層系統，水文地質條件的復雜性，給水文地質模型的概化帶來困難，直接影響水文地質參數合理反演。

本次抽水試驗涉及淺部多層結構含水層系統，若以②-3b3-4層粉質粘土層為隔水層，其上分布的①-1層雜填土、②-2b4層淤泥質粉質粘土、②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂可以認為是具有不同滲透性的含水層。此外，②-2b4層淤泥質粉質粘土層也可以認為是弱透水層或隔水層，由此可組合出不同水文地質模型。

3.1 承壓含水層Theis模型

結合含水層分布和抽水井設置，將②-3d-c3粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂假設為承壓含水層，上覆②-2b4層淤泥質粉質粘土層與下臥的②-3b3-4層粉質粘土層視為隔水層，則水文地質模型可概化為承壓含水層完整井流問題，可用Theis公式描述承壓含水層中單井定流量抽水的水頭分布，概化的水文地質模型如圖4所示。

圖4 無越流承壓含水層模型

承壓含水層抽水階段水頭降深方程[4]為：

(1)

水位恢復階段的水頭降深方程[11]為：

(2)

式中：r為與抽水井的距離，m；t為從抽水開始的時間，d；t'為從停止抽水開始的時間，d；s(r,t)和s'(r,t')分別為距抽水井距離r處t或t' 時刻的降深和剩余降深，m；Q為抽水量，m3/d；T為導水系數，m2/d；S為貯水系數，無量綱。

3.2 越流承壓含水層Hantush模型

針對圖2給出的承壓含水層模型，由于②-2b4層淤泥質粉質粘土的滲透性較差，但并非完全不透水，若將其考慮為弱透水層，上覆①-1層雜填土中的潛水可以通過②-2b4層淤泥質粉質粘土對承壓含水層進行垂向越流補給，則水文地質模型可概化為越流承壓含水層完整井流問題，概化的水文地質模型如圖5所示。

圖5 越流承壓含水層模型

越流承壓含水層抽水階段水頭降深方程[5]為：

(3)

式中：r為與抽水井的距離，m；t為從抽水開始的時間，d；s(r,t)為與抽水井距離為r在t時刻的降深，m；Q為抽水量，m3/d；T為導水系數，m2/d；S為貯水系數，無量綱；B為越流因數，m；D'為弱透水層厚度，m；K'為弱透水層滲透系數，m/d。

3.3 潛水含水層Boulton模型

鑒于①-1層雜填土和②-2b4層淤泥質粉質粘土厚度較薄，且具有一定的滲透性，而下臥②-3d-c3粉砂夾粉土、②-3d2層粉砂屬微承壓含水層，易形成地下水的互相連通，則可將②-3b3-4層粉質粘土以上含水層統一概化為潛水含水層完整井流問題，如圖6所示。

圖6 潛水含水層模型

考慮潛水含水層的重力釋水和遲后疏干，潛水含水層水頭降深方程[6]為：

式中：r為與抽水井的距離，m；t為從抽水開始的時間，d；s為降深，m；Q為抽水量，m3/d；T為導水系數，m2/d；S為貯水系數，無量綱；μ為給水度，無量綱；1/a為延遲指數，d；J0(x)為第一類零階Bessel函數。

上述分析表明，從不同角度，抽水場地復雜的水文地質條件可以概化為不同的水文地質模型，而不同的模型在描述含水層中的地下水流動上存在一定的差異。因此，只有選擇概化合理的水文地質模型，結合現場抽水試驗，才能有效反演場地含水層的水文地質參數，合理描述含水層的地下水流動特征。

4 水文地質模型合理性評價

為了分析場地水文地質模型的合理性，以現場抽水試驗為基礎，結合承壓含水層、越流承壓含水層和潛水含水層三種水文地質計算模型，利用標準曲線擬合法(配線法)進行水文地質參數反演計算。

4.1 水文地質參數反演

標準曲線擬合法(配線法)在工程實踐中得到廣泛應用，利用現場抽水試驗得到的水位降深與抽水時間的關系，結合Theis模型[4]、Hantush模型[5]、Boulton模型[6]的理論曲線，確定含水層系統非穩定流條件下的水文地質參數。此外，為了充分利用現場抽水試驗的水位恢復數據，利用Theis水位恢復公式[11]反演含水層導水系數。三種計算模型下含水層的水文地質參數反演結果見表1。

表1 水文地質參數反演結果

單井抽水試驗不僅對抽水含水層的地下水流動產生影響，而且影響場地含水層系統地下水流動。表1顯示，不同計算模型反演得到的抽水含水層水文地質參數存在差異。特別是承壓含水層Theis模型，由抽水前期(0～500)min和抽水階段(0～1500)min試驗數據反演得出的抽水含水層導水系數T和貯水系數S差異明顯。對于抽水試驗引起的地下水非穩定流動問題，抽水時間短，抽水對整個場地含水層系統的影響小，此時，抽水試驗結果與概化的承壓含水層Theis模型有較好的適應性。但隨著抽水時間的增加，受場地含水層系統地下水流動的影響，場地地下水流動特征逐漸偏離了承壓含水層Theis模型的假設條件，由此影響了反演得到的水文地質參數的可靠性。對比越流承壓含水層Hantush模型和潛水含水層Boulton模型，承壓含水層Theis模型更適用于基于短期抽水試驗的含水層水文地質參數反演，以減小含水層系統對抽水含水層地下水流動的影響。

越流承壓含水層Hantush模型考慮了相鄰含水層對承壓含水層的越流補給，較好地反映了相鄰含水層間的相互影響，反演得到的水文地質參數應更具可靠性。潛水含水層Boulton模型考慮了重力釋水和遲后疏干作用，反演得到的水文地質參數與越流承壓含水層Hantush模型的結果有良好的一致性。由此表明，越流承壓含水層Hantush模型和潛水含水層Boulton模型較好地反映了場地含水層系統的地下水流動特性。

對比分析發現，概化水文地質模型時，包含場地所有含水層(抽水影響范圍內)的概化模型更為合理，因為能較好反映了場地含水層系統的地下水流動和含水層間的相互影響。越流承壓含水層Hantush模型和潛水含水層Boulton模型盡管計算模型不同，但都是由①-1層雜填土、②-2b4層淤泥質粉質粘土、②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂組成，而承壓含水層Theis模型僅有②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂組成，沒有考慮與上覆①-1層雜填土和②-2b4層淤泥質粉質粘土的相互影響，致使在長時間抽水條件下，實際的地下水流動與承壓含水層Theis模型地下水流動的差異越發明顯，此局限性也得到了短期(0～500)min抽水試驗結果的印證。

4.2 水文地質模型的選擇

根據不同水文地質模型反演的水文地質參數得到的計算水位降深隨抽水時間變化的曲線，如圖7所示。現場抽水試驗實測數據與模型計算值的對比表明，對于越流承壓含水層Hantush模型，無論是在抽水試驗前期還是后期，水位降深的計算值與實測數據均吻合良好，由于上覆潛水可以通過弱透水層對抽水含水層產生越流補給，在抽水試驗后期，當抽水量與越流補給量達到平衡時，水位降深趨于穩定，較好地反映了場地含水層系統的地下水運動規律，有利于指導工程建設中的場地地下水控制。

圖7 抽水試驗s-t實測曲線與理論計算曲線

對于承壓含水層Theis模型，抽水初期水位降深計算值偏小，而500 min后水位降深計算值逐漸偏大，與抽水試驗的結果差異明顯，由此說明，承壓含水層Theis模型對本場地含水層系統的地下水運動規律的反映不盡合理。

在抽水試驗的前期和中期，潛水含水層Boulton模型計算結果與越流承壓含水層Hantush模型計算結果有良好的一致性，由于潛水含水層Boulton模型考慮了含水層的重力釋水和疏干排水，在一定程度上反映了場地含水層系統中含水層間的相互影響，其降深曲線類似于越流承壓含水層降深曲線。在抽水試驗后期，含水層的疏干影響逐漸減小，潛水含水層Boulton模型降深曲線向Theis曲線靠近。因此，潛水含水層Boulton模型不適于模擬本場地長期抽水的水位降深。

上述分析表明，越流承壓含水層Hantush模型是行知路站抽水試驗場地合理的水文地質模型，在反映場地含水層系統的地下水流動特性上更為合理，其降深擬合效果明顯優于承壓含水層Theis模型和潛水含水層Boulton模型。基于越流承壓含水層Hantush模型反演水文地質參數，得承壓含水層(②-3d-c3層粉砂夾粉土和②-3d2層粉砂)的滲透系數K為4.65m/d、貯水系數S為9.85×10-4，弱透水層(②-2b4層淤泥質粉質粘土)的滲透系數K'為9.50×10-2m/d。

5 結論

(1) 依據抽水試驗場地水文地質條件，結合抽水井的布置，概化了三個水文地質模型，利用單井抽水試驗實測數據分別反演了含水層水文地質參數，通過降深實測值和模型計算值的對比分析了水文地質模型概化的合理性。

(2) 水文地質模型直接影響含水層參數的反演結果和場地地下水流動的描述，因此水文地質模型的概化要充分反映場地的水文地質條件，考慮抽水試驗影響范圍內含水層系統的地下水流動特點。