基于抽水試驗南京長江第五大橋夾江隧道水文參數確定

孫敦國

(江蘇省水文地質海洋地質勘查院/江蘇省水文地質工程地質勘察院，江蘇 淮安 223005)

水文參數是影響隧道工程建設的重要參數。抽水試驗是分析隧道工程建設中水文參數的重要方法[1-3]。結合南京長江第五大橋夾江隧道工程，通過抽水試驗獲取工程區水文參數。

南京長江第五大橋夾江隧道起于梅子洲規劃葡園路西側，隸屬于南京市建鄴區江心洲街道，與五橋橋隧相連，向東穿越夾江，在南岸與河西已建成的青奧軸線地下工程相接，并在梅子洲規劃葡園路西側設置一對進出匝道。隧道道路等級為一級公路兼顧城市快速路，主線設計速度80 km/h，雙向六車道；匝道設計速度40 km/h，雙車道(單車道出入口)。隧道全長約1 754.568 m，其中敞口段長174 m，盾構段(兩管外徑15 m)長1 146 m，并在梅子洲和江南分別設置一處工作井。

1 試驗井方案布置

以水文地質條件為依據，結合隧道段的施工特點，布設5組抽水試驗井：

1.1 北岸梅子洲場區

(1)孔隙潛水層(SC1井組)：抽水試驗井底部進入②4層淤泥質粉質黏土夾粉土、粉砂層3～5 m，主要對②3層粉砂層進行抽水。抽水井井深10.5 m；觀測井井深10.50 m。抽水試驗井和觀測井呈直線，大致平行于長江大堤布置，第1個觀測井距抽水試驗井10 m，第2個觀測井距抽水試驗井24.6 m。

(2)③3層粉砂層孔隙承壓水(SC2井組)：抽水試驗井深40.0 m；觀測井井深40 m。抽水試驗井和觀測井呈直線，大致平行于長江布置，第1個觀測井距抽水試驗井10.56 m，第2個觀測井距抽水試驗井39.41 m。

(3)工作井位置(SC3井組、SC4井組)：孔隙潛水～微壓水為②3層粉砂層，抽水井井深25 m，平等于長江方向布置1個觀測井，井深23 m；布置③3、④2層砂層、含礫砂層承壓水，抽水試驗井深53.0 m；觀測井井深約53.0 m。抽水試驗井和觀測井呈直線，平行于長江布置，第1個觀測井距抽水試驗井8.5 m，第2個觀測井距抽水試驗井約23.31 m。

1.2 夾江南岸工作井場區

夾江南岸布設一組抽水試驗(SC5井組)，針對砂層孔隙承壓水進行抽水試驗，為非完整抽水井。抽水試驗井深45.0 m；觀測井井深45.0 m。抽水試驗井和觀測井呈直線，大致平行于夾江布置，第1個觀測井距抽水試驗井10.62 m，第2個觀測井距抽水試驗井約40.17 m。

此外，為了解地表水與地下水的水力聯系，本次在江邊(旗桿渡口)設觀測水位標尺，對長江潮汐、水位變化進行了觀測。

2 水文參數分析

根據隧道段已有的地質資料，本次進行的5組抽水試驗所在位置目的含水層為②3層粉砂、③1、③3粉細砂層、④2礫砂層，梅子洲含水層分布繁雜，呈多層結構，南京濱江公園含水層簡單，分布較穩定。②3層粉砂層為潛水含水層，本次試驗所采用的是完整井試驗(SC1、SC3)，③1、③3粉細砂層、④2礫砂層為承壓含水層，SC4組梅子洲工作井承壓水含水層埋深大，粒度層序明顯，分布不穩定，采用承壓水完整井試驗，SC2、SC5承壓含水層地下水采用非完整井試驗。通過抽水試驗取得的水文地質參數主要為滲透系數K、影響半徑R。以SC1、SC2組試驗為例，對抽水試驗參數進行計算。

2.1 第一組(SC1)抽水試驗參數的計算

2.1.1 滲透系數的計算

潛水含水層滲透系數分別采用穩定流和非穩定流公式計算。

1)穩定流計算

(1)單孔求滲透系數

根據潛水完整孔公式計算

(1)

(2)

式中：K為滲透系數(m/d)；Q為涌水量(m3/d)；R為影響半徑(m/d)；r為抽水孔半徑(m)；H為靜水位至含水層底板的距離(m)；S為抽水井內水位降深(m)。

計算結果見表2。

表1 抽水試驗降深及涌水量一覽表

表2 單孔計算滲透系數數據

(2)多孔求滲透系數

計算方法如下：

(3)

式中：r1為抽水孔至觀測孔之間的距離(m)；rw為抽水孔半徑(m)；Sw為抽水井內水位降深(m)；S1為觀測孔內的水位降深(m)。

計算結果見表3。

表3 有一個觀測孔的滲透系數計算數據

潛水完整井有兩個觀測孔計算潛水層滲透系數的公式如下：

(4)

式中： S1、S2分別為觀測孔降深(m)；r1、r2分別為抽水孔至觀測孔之間的距離(m)。

計算結果見表4。

表4 有兩個觀測孔的滲透系數計算數據

2)非穩定流計算

(5)

圖1 NG1-4抽水試驗數據

h2=A-Blgt

(6)

截距A，斜率B包含所求的參數。計算時根據抽水資料繪制h2=f(lgt)直線，并求得斜率B后得：

(7)

式中：T為導水系數(m2/d)；B為斜率(當負斜率時，B取正值)；M為潛水含水層厚度(m)。

計算結果見表5。

表5 參數計算結果

2.1.2 影響半徑的計算

有兩個觀測井的潛水影響半徑的計算公式如下：

(8)

式中：R為影響半徑(m)。

計算結果見表6。

表6 影響半徑計算數據

2.2 第二組(SC2)抽水試驗參數的計算

2.2.1 滲透系數的計算

1)單孔求滲透系數

承壓水非完整井，濾水管置于含水層上部，且直接上部微弱含水層(視為隔水層)為無限擴展邊界，過濾管長度l>0.2M，根據下式計算：

(9)

(10)

式中：l為過濾器長度(m)；S為抽水井內水位降深(m)。

計算結果見表7。

表7 單孔計算滲透系數數據表

2)多孔求滲透系數

(1)承壓水非完整井，濾水管置于含水層上部，且直接上部微弱含水層(視為隔水層)為無限擴展邊界，過濾管長度l>0.3M，采用納斯別爾克公式計算，即：

(11)

式中；l為過濾器長度(m)。

不同降深的滲透系數K值計算結果見表8。

表8 有兩個觀測孔的滲透系數計算數據

(2)采用下式計算：

(12)

式中：r1、r2分別為觀測孔SG2-1、SG2-2與抽水井距離(m)；ξ1、ξ2分別為2個觀測孔的非完整井所引起的補充水流的阻力值，查表ξ1=0.462、ξ2=0.001 85；

表9 有兩個觀測孔的滲透系數計算數據

2.2.2 影響半徑的計算

計算方法同2.1.2節，計算結果如表10。

表10 有兩個觀測孔的影響半徑計算數據

3 結語

(1)從總體上劃分，可分為三個帶。上部孔隙潛水帶，局部具微承壓性質，厚度變化于0.50～16.20 m，含水層起伏變化較大，厚度平均在5 m左右，組成巖性為淤泥質粉質黏土夾粉砂薄層，似“千層餅”狀，受古沉積環境影響，砂、黏組成含量在不同部位及深度上稍有變化。經SC1、SC3孔抽水試驗及觀測孔水位觀測，靜止水位標高4.84～5.12 m，單位涌水量0.326～0.597 l/s·m，滲透系數與地層沉積特性有關，達2.52～9.51 m/d，透水性、涌水量一般。

(2)潛水因其埋藏淺，距江水較遠，地下水變化受江水影響較小，夾江水水位均高于各井孔所測的地下水位，抽水試驗期間梅子洲潛水地下水由向夾江向北滲流，并接受江水的補給；夾江南岸濱江公園區域地下水流向夾江。各段承壓含水層之間無良好的隔水層，在區域上視為同一層，因這一大層在長江區域直接與江水接觸，與江水水力聯系較為密切。抽水試驗期間地下水由夾江向東南滲流，并接受江水的補給。