彌散試驗測定地下水流速與滲透理論計算法的探討

摘要：隨著城市地下空間開發的發展，深基坑工程開挖遇強透水性地層時，地下水控制設計時除需掌握其滲透系數外，尚需獲得較為可靠的地下水流速參數，為止水、降水設計提供依據。水文地質專業常用的可靠方法有放射性同位素法、彌散試驗法，由于放射性同位素法因為放射性危害，組織試驗有一定難度。本文結合長沙市某地鐵站鄰近商業地下空間工程實例，對長沙地區代表性的湘江Ⅲ級階地內強透水性卵石層采用彌散試驗并進行分析后認為，采用滲透理論計算法計算獲得地下水流速的方法仍具備較強的參考價值，對其結果進行適當修正后可作為設計依據供類似工程參考。

關鍵詞： 地下水流速;彌散試驗;滲透理論計算法

隨著城市地下空間開發的發展，深基坑工程開挖遇強透水性地層時，強透水性地層的滲透系數容易通過抽水試驗獲得，一般在勘察成果中也會提出建議值。但從較多的工程實例來看，地下水的流速對止水、降水設計的影響也較大，甚至直接影響到地下水的控制能否成功有決定性影響。水文地質專業常用的可靠方法有同位素法、彌散試驗法及滲透理論計算法，由于同位素法因為放射性危害，組織試驗有一定難度，為此，本文結合長沙市某地鐵站鄰近商業地下空間工程實例，對長沙地區代表性的湘江Ⅱ級階地內強透水性卵石層采用彌散試驗并與采用滲透理論計算法進行了對比與分析。

1 地下水流速測定常用方法

水文地質調查研究工作中，常用的地下水流速測定方法一般有滲透理論計算法、比色示蹤劑彌散試驗法、放射性同位素年齡法，另外，國外在研究核廢棄物時尚有采用精度更高的電位差法和井中電視法等。

放射性同位素年齡法因為放射性的危害，組織試驗難度較大，較易實施且試驗結果可靠度較高的則一般宜采用比色示蹤劑法。

2 滲透理論計算法及彌速試驗的原理

2.1滲透理論計算法原理

該方法一般沿等邊三角形布置三個鉆孔，鉆孔間距50-100m，觀測各孔水位標高后，編制等水位線圖，再從高程高往低繪制垂直線，垂直線即為地下水流向，垂直線兩端點的水位差除以垂直線長度則為水力坡度。通過抽水試驗確定了含水層滲透系數后，采用滲透達西定律計算得出地下水流速值。

2.2 比色示蹤劑彌散試驗法原理

比色示蹤劑彌散試驗常采用熒光素黃鈉作為示蹤劑，現場取得接收孔地下水初始水樣，然后向試驗孔中投入熒光素黃鈉并記錄投入時間，然后在各觀測孔中每隔一定時間均采用水樣并作出記錄，在室內采用自配不同濃度溶液比色管確定熒光素黃鈉的存在及其濃度。可根據試驗觀測資料繪制觀測孔孔內指示劑隨時間的變化曲線。根據出現峰值濃度時間計算確定地下水的流速。

3 工程實例及分析

已投入使用的長沙市地鐵1號線候家塘站東側擬建田漢大劇院地下空間商業項目，該場地屬湘江Ⅲ級侵蝕沖積階地，覆蓋層主要由第四系中更新統白沙井組地層組成，均為網紋狀粉質粘土、砂卵石層組成，具明顯的二元結構。由于新建商業項目基坑底板位于地鐵區間隧道以上，強透水性砂卵石層厚度較大，區間隧道底以下3m左右范圍內尚為砂卵石層，為確保止水降水效果達到設計預期，需對砂卵石層的滲透性及其賦存的地下水流速流向進行測定。

為此，在場地范圍內布置了3個水文鉆孔，觀測其穩定水位之后，進行了抽水試驗，試驗后恢復穩定水位后再進行了彌散試驗。

3.1 滲透理論計算法試驗結果

根據鉆孔T1、G1及G2號鉆孔地下水穩定水位觀測結果，繪制出等水位線圖。在繪制等水位線圖后，垂直等水位線由高至低即為地下水流向，讀解出水力坡度，結合主要含水層滲透系數，即可計算出地下水滲透速度：

V=KI

式中：V——地下水的滲透速度（m/d）;

K——滲透系數（m/d）;

I——水力坡度。

詳見右圖：

計算得出地下水的滲透速度為V=1.47m/d

根據地鐵1號線候家塘站試驗結果，砂卵石層孔隙比平均值為0.7左右，則地下水流速可按下式計算：u=V/n=1.47/（0.7/1.7）=3.6m/d，流向為南東至北西339度方向（湘江位于場地西側，由南向北流）。

3.2 比色示蹤劑彌散試驗結果

彌散試驗采用熒光素黃鈉示蹤劑比色法，現場取得接收孔地下水初始水樣，然后向試驗孔中投入熒光素黃鈉并記錄投入時間，然后在各觀測孔中每隔一定時間均采用水樣并作出記錄，在室內采用自配不同濃度溶液比色管確定熒光素黃鈉的存在及其濃度。可根據試驗觀測資料繪制觀測孔孔內指示劑隨時間的變化曲線。

各接收觀測孔所取水樣濃度與時間關系曲線圖詳見下圖5.4-2：

根據試驗曲線，選取指示劑濃度高峰值出現的時間來計算地下水流速，采用《工程地質手冊》（第四版）9-3-2公式：

u'=l/t

式中：u'——地下水實際流速（平均）（m/d）;

l——投劑孔與觀測孔距離（m）

t——觀測孔內峰值出現所需的時間（d）。

按主投放孔T1號與觀測孔G1直線距離計算，地下水流速為u'為8.32～9.19m/d;按滲透路徑修正計算則為u'為7.90～8.73m/d。按主投放孔T1與觀測孔G3直線距離計算，地下水流速為u'為4.45～4.59m/d;按滲透路徑修正計算則為3.46～3.57m/d。

3.3 滲透理論計算法與彌散試驗法成果對比

地下水流向、流速受以下三個因素影響：1）宏觀上季節性的地下水補給、排泄關系的改變。2）含水層特征（如含水層厚度差異、滲透系數、孔隙比、礦物成分等）。3）局部水文地質環境變化情況。如：區域地下建（構）筑物止水截水措施，地下室的埋深及范圍。上述因素造成地下水流向及流速的多變性。

本次觀測工作中進行的抽水試驗、彌散試驗的成果及其局限性詳見下表：

4 結語

4.1 采用比色示蹤劑彌散試驗法與滲透理論計算法測定長沙市湘江沖積Ⅲ級階地強透水性砂卵石層中的潛水流速時，分析后認為：①、二者試驗結果沒有數量級差異。②、滲透理論計算法得出的地下水流速值偏小。

4.2 當項目條件不具備進行比色示蹤劑彌散試驗法試驗時，可采用滲透理論計算法得出的地下水流速值，經過一定程度的修正后可作為止水、降水工程設計時的參考依據，建議采用放大系數2至3。

4.3 由于不同項目不同局部位置的水文地質環境有所不同（如地下建（構）筑物止水截水措施、已有地下結構），同一項目不同位置的地下水流速、流向會有所不同，具體有何特征尚有待進行進一步的研究。

參考文獻：

[1]《工程地質手冊》（第四版），中國建筑工業出版社，2007

[2] 田洪義、賓富、李德平等 《湖南福達道生投資開發有限公司田漢大劇院地

[3]下空間商業項目地下水水文觀測報告》 深圳市勘察研究院有限公司，2015年5月

作者簡介：賓富，男，（1982-9-）湖南長沙，本科，高級工程師，主要從事巖土勘察、設計及水文地質相關工作。