場地水文地質(zhì)試驗方法適宜性探討

吳麗霞

(廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東 廣州 510510)

廣州市番禺區(qū)化龍采石場建立應(yīng)急垃圾填埋場，主要是用于填埋南沙熱力電廠的爐塵、煙灰、飛灰進(jìn)行固化壓實(shí)后運(yùn)來填埋；其次是作為應(yīng)急生活垃圾填埋場，填埋來不及處理的生活垃圾。對場區(qū)內(nèi)進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探及水文地質(zhì)參數(shù)試驗，分別對不同地段的地層進(jìn)行抽水試驗、壓水試驗、注水試驗。

1 場內(nèi)概況

1.1 地形地貌

垃圾填埋場地貌類型以低丘為主，邊緣地段為三角洲平原。地形坡度一般<10°～25°，局部地區(qū)可達(dá)60°。大部分地區(qū)地面標(biāo)高為20～30 m，最高為46.19 m。有6個開挖礦坑，其中最北側(cè)開挖深度最深，為-68.22 m。總體地勢起伏較大，自然坡度一般10°～20°，部分開挖邊坡坡度達(dá)50°～60°，地面標(biāo)高約25～40 m。有6個開挖礦坑，其中最北側(cè)開挖深度最深，為-68.22 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

場地出露的地層為晚志留紀(jì)的侵入巖(S3ηγ)，巖性為淺肉紅-灰黑色，混合花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，中細(xì)粒黑云母混合花崗巖。場內(nèi)北西及中部地段，基巖裸露，局部地段裂隙較發(fā)育，南東、南西、東側(cè)地勢稍低的地段，上部多有殘坡積土及風(fēng)化層，僅在局部開挖地段可見基巖出露。場內(nèi)主要發(fā)育1條斷裂，位于場區(qū)北西、北部，為正斷層，走向約260°，傾向150°，傾角65°，斷層面可見硅化現(xiàn)象，在斷層延伸段可見斷層角礫巖。

2 場內(nèi)水文地質(zhì)特征

2.1 地下水類型及富水性

場內(nèi)地下水類型根據(jù)其形成自然條件，運(yùn)移規(guī)律、賦存空間特征，可劃分為第四系松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水。

第四系松散巖類孔隙水主要賦存于第四系填土層和殘坡積層中，填土層厚0.90～4.10 m，平均層厚2.79 m的雜填土層，其填料中以粘性土和砂組成，含有少量碎石，土層孔隙較大，透水性較強(qiáng)，利于地表水下滲并賦存于其中，地下水埋深變化較小；殘坡積層層厚2.90～10.20 m，平均層厚4.88 m，透水性、富水性弱。

塊狀巖類裂隙水：廣泛分布于場區(qū)南、南東側(cè)，含水巖組為晚志留世侵入巖(S3ηγ)，賦存于混合花崗巖中，巖石破碎，風(fēng)化層厚度一般5～30 m，局部大于35 m。地下水徑流模數(shù)均值<6 L/s·km2，泉流量0.1～0.5 L/s，泉水多從裂隙中流出，本次勘探鉆孔，在降深大于10 m的情況下，其鉆孔涌水量為1.56～28.08 m3/d，富水性貧乏。水化學(xué)類型以SO4-(Na+K)·Ca型、SO4·Cl-(Na+K)·Ca型、Cl-Ca·(Na+K)、Cl-Na型、Cl-Ca·Na型為主，礦化度0.087～0.57 g/L。

2.2 場區(qū)含水層與隔水層特征

2.2.1 含水層特征

場地地下水類型以塊狀巖類裂隙水為主，含水層為強(qiáng)～中風(fēng)化花崗混合巖。場地內(nèi)11個水文地質(zhì)鉆孔在40 m深度范圍內(nèi)都揭露到強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化層。場地內(nèi)無斷裂通過，不存在構(gòu)造裂隙水，地下水主要賦存于巖石風(fēng)化裂隙中。據(jù)抽水試驗計算結(jié)果，水文地質(zhì)鉆孔涌水量為1.56～28.08 m3/d，且其降深大于10 m，根據(jù)富水等級劃分條件，該類型地下水富水性貧乏，場地主要含水層為強(qiáng)～中風(fēng)化混合花崗巖。

2.2.2 隔水層特征

場地內(nèi)隔水層主要為粉質(zhì)粘土、礫質(zhì)粘性土，主要分布于場地南側(cè)、東側(cè)地段。第四系坡殘積土，由下伏混合花崗巖風(fēng)化而成，因含較多石英顆粒，其滲透性略強(qiáng)于粉質(zhì)粘土，但相對于下伏風(fēng)化基巖，該層仍屬相對隔水層。由于該土層透水性較弱，且厚度較大(鉆孔揭示層厚2.90～10.20 m，平均層厚4.88 m)，大大降低了上部第四系松散巖類孔隙水和下部塊狀巖類裂隙水之間的水力聯(lián)系。

3 場區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)試驗

3.1 抽水試驗

為了解場地內(nèi)地層的富水性及滲透性能，對稍富水的鉆孔進(jìn)行了單孔抽水試驗。抽水試驗可以進(jìn)一步明確含水層的富水情況、水力聯(lián)系特征，在場地內(nèi)區(qū)開展完整井穩(wěn)定流單孔抽水試驗，以確定抽水井(孔)的特性曲線和實(shí)際涌水量，獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)和影響半徑。抽水試驗孔的水文地質(zhì)類型為塊狀巖類裂隙水，抽水試驗采用深井泵進(jìn)行抽水，為單孔抽水試驗，通過調(diào)換相關(guān)配套的三通來控制抽水流量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流抽水試驗。

3.1.1 抽水試驗過程及監(jiān)測

抽水試驗中ZK1、ZK2、ZK5、ZK10、ZK11孔按1次降深進(jìn)行，ZK4按2次降深進(jìn)行，在抽水過程中測量涌水量和水位降深，抽水結(jié)束后測量水位恢復(fù)時間，抽水過程中場區(qū)內(nèi)進(jìn)行水文地質(zhì)條件監(jiān)測，主要是巡查區(qū)內(nèi)地表水體在抽水試驗過程中是否出現(xiàn)短時間水位下降現(xiàn)象，是否出現(xiàn)明顯地面沉降或地面塌陷等水文地質(zhì)問題。場地內(nèi)抽水過程中沒發(fā)現(xiàn)地表水位下降及地面沉降或地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題。

水位量測時間間隔按照《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》(SL320-2005)進(jìn)行，具體觀測間隔為確定抽水開始后依第5、10、15、20、25、30 min各測一次；最后依時間間距30 min，直至水位、流量穩(wěn)定時間為16 h后結(jié)束。

3.1.2 抽水試驗成果

本次抽水試驗共布置了6個抽水試驗孔，均采用單孔穩(wěn)定流抽水試驗方法，做1次最大降深抽水試驗，其中ZK4做兩次降深。

抽水試驗滲透系數(shù)計算按單孔穩(wěn)定流計算。

承壓水含水層單孔完整井采用下式計算：

(1)

式中：K為滲透系數(shù)，R為影響半徑，S為水位降深，m為承壓水含水層厚度，r為抽水井半徑，各參數(shù)單位均為m，抽水試驗結(jié)果見表1。

表1 抽水試驗成果表

強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗混合巖滲透系數(shù)0.003～0.196 m/d，3.47 E-06～2.27E-04 cm/s。

3.2 壓水試驗

壓水試驗是在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的一種巖石原位滲透試驗，是借用水柱自重壓力或使用機(jī)械(泵)壓力，將水壓入到鉆孔內(nèi)巖壁四周的裂隙中，然后在一定條件下測定單位時間內(nèi)壓入量的多少來判斷巖石的滲透性[1]。

3.2.1 壓水試驗的目的任務(wù)

通過壓水試驗，定性地了解地下不同深度堅硬與半堅硬巖層的相對透水性和裂隙發(fā)育的相對程度，評價巖層的透水性;為確定防滲與基礎(chǔ)處理措施等提供所需要的基本資料;為灌漿提供如孔距、排距、深度施工工藝等參數(shù)[1]。

3.2.2 壓水試驗的方法與要求

1)試驗方法

多采用自上而下的多階段壓水法，即每鉆進(jìn)一段，便用氣壓式或水壓式栓塞隔離進(jìn)行試驗。一般不使用雙栓塞法及自上而下的綜合法，因其試驗質(zhì)量較差。

試驗段長度一般規(guī)定為5 m，如巖心完好，巖石透水性很小時(單位吸水量小于0.01 L/min)，可適當(dāng)加長試段，但不宜大于1 m。對于透水性較強(qiáng)的構(gòu)造破碎帶、裂隙密集帶、巖層接觸帶和巖溶等地段，需突出了解其透水性情況時，可根據(jù)具體情況確定試段長度。孔底殘留巖心不超過20 cm者，可計入試段長度之內(nèi)。

2)壓力階段與壓力值

每一段的壓水試驗，采用3級壓力，即P1(0.3 MPa)、P2(0.6 MPa)、P3(1.0 MPa)；5階段循環(huán)試驗，即逐級升至最大壓力(1.0 MPa)，然后按原壓力逐級下降[P1～P2～P3～P4(=P2)～P5(=P1)P1

壓力和流量同時觀測，一般每5 min記錄一次。壓力要保持穩(wěn)定，當(dāng)連續(xù)4次流量讀數(shù)的最大最小值之差小于平均值的10%或1 L/min時，即可結(jié)束。繪制B型(紊流型)P-Q曲線和穩(wěn)壓階段透水率—時間曲線。

3.2.3 壓水試驗計算結(jié)果

本次工作對3個鉆孔，共6段巖體進(jìn)行壓水試驗，計算得出滲透系數(shù)0.113～0.342 m/d，1.30 E-04～3.96E-04 cm/s，具體試驗結(jié)果見表2。

表2 壓水試驗成果表

3.3 注水試驗

3.3.1 計算公式

按常水頭試驗方法，試驗巖層的滲透系數(shù)按以下公式計算：

K=16.67Q/AH

(2)

式中：K為試驗巖層的滲透系數(shù)(cm/s)；Q為注入水量(L/min)；H為試驗水頭高度；A為形狀系數(shù)(cm)，由鉆孔和水流邊界條件確定，本次取5.5 r，r為鉆孔半徑5.5 cm，A=30.25，詳見《水文地質(zhì)手冊》(2012年版)表11-3-2。

3.3.2 注水試驗計算結(jié)果

通過上述式子，計算可得ZK3、ZK9的滲透系數(shù)0.242～0.399 m/d，2.80E-04～4.61E-04 cm/s(表3)。

表3 注水試驗成果表

4 結(jié)語

水文地質(zhì)試驗?zāi)軠?zhǔn)確地得出含水層水文地質(zhì)參數(shù)。通過對場區(qū)內(nèi)的抽水試驗、壓水試驗、注水試驗，得出試驗方法適宜性的結(jié)論：抽水試驗適合滲透系數(shù)大，水量豐富的情況，壓水試驗適用于巖體完整，裂隙不發(fā)育，水量比較小，滲透系數(shù)小的情況，注水試驗適用于地下水位埋藏很深，巖體完整，裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)小的情況。