復雜水文地質條件下抽水試驗方法及滲透系數確定

李 瑞

(山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021)

0 前 言

本文研究項目所在地為山西省省會太原市，作為山西省政治、經濟、文化和國際交流中心，太原市的發展可謂是日新月異，一座座標志性建筑物如雨后春筍快速建立，而這些超高層建筑背后的各項技術成為工程安全與質量的考驗。太原市市中心某超高層建筑物(高度約300 m)，基坑深度約24 m。該工程重要性等級為一級，地基基礎設計等級為甲級，基坑安全等級為一級，基坑深度范圍內存在多層含水層，水文地質條件復雜。勘察工作是設計施工的首要步驟，為保證勘察工程質量，為基坑支護設計與降水工程設計提供準確可靠的參數，同時兼顧施工進度與成本，本工程水文地質評價抽水試驗采用穩定流法。

1 工程概況

某工程建筑位于山西省太原市迎澤區，為人口密集的市中心區域，占地面積約為20 000 m3，由主樓、商業裙房及地下車庫組成，主樓地上約70層；設有裙房地上9層；整個場地建筑地下4層，是集甲級辦公樓、酒店、住宅、商業及純地下車庫等多種配套服務功能于一體的綜合性建筑，建成后必將成為山西省標志性建筑物之一。該工程基坑深度約24 m，因此，本勘察工程提供的滲透系數、地下水埋藏深度、含水層豎向分布規律對基坑支護設計及降水工程施工有較大影響，必須引起重視。

2 場地水文地質條件

擬建場地地貌單元屬汾河東岸Ⅱ級階地，勘察深度范圍內，場地地基土自上而下依次為：第四系全新統人工堆積層(Q42ml)，第四系全新統中早期沖洪積層(Q41al+pl)，第四系上更新統沖洪積層(Q3al+pl)，第四系中更新統沖洪積層(Q2al+pl)，地層右上而下主要為：人工填土層，粉土層，粉細砂層，粉質黏土層，中細砂層，圓礫，粗砂層。

本次勘探深度范圍內共揭露8層地下水，地下水情況見表1。

表1 地下水情況一覽表

第1層地下水補給主要以大氣降水垂直滲入及側向徑流補給方式為主，以側向徑流為主要排泄方式。

第2層及以下的地下水補給主要以側向徑流補給方式為主，以側向徑流為主要排泄方式。

3 抽水試驗

本工程最淺水位埋深3.0～7.0 m，基坑深度約24 m，降水工程及基坑支護工程是地下工程施工的重點和難點，本工程采用“一抽兩觀”，多孔抽水試驗，現場測得基坑深度范圍內土層滲透系數。

3.1 抽水孔和觀測孔的設計

根據建設單位委托，本次共布置抽水試驗2組，每組抽水孔設置一條觀測線，每條觀測線上布置2個觀測孔。

1)成孔。抽水孔和觀測孔均采用工程鉆機成孔，反循環施工工藝清水鉆進。抽水孔成孔直徑為150 mm，觀測孔成孔直徑為110 mm。

2)井管的制作。抽水孔的井管采用Φ=127 mm的鋼管，觀測孔的井管采用Φ=50 mm PVC管。濾水管：根據每個含水層的厚度制作相應長度的濾水管，濾水管透水孔按照梅花形排列，孔隙率20%左右，管外包濾網。

3)下管。清理孔底沉淀物，復測井深，準備工作完成后，安裝井管，鋼管采用絲扣連接，PVC管采用管箍和PVC膠水連接。安裝時孔內井管上口保持水平，吊裝在井孔的中心，并在井管上分段設扶正木，防止井管碰撞井壁造成井管損傷事故。現場情況見圖1。

4)填礫、止水。濾料粒徑為2～4 mm，計算每米用濾料，濾料備有余量。填濾料時，沿井管周邊均勻連續投入，填料速度為3～5 m3/h左右。抽水孔止水材料采用海帶，并提前綁扎于鋼管上。

5)洗井。抽水孔管井下完后，采用泵抽洗井，直至水清砂凈，達到含砂量要求。洗井后單孔涌水量增大不超過5%，動水位下降不超過水位下降值的1%。

6)抽水試驗工藝流程。鉆孔—井管制作—下管—填礫、止水—洗井—試抽—正式抽水試驗。

抽水孔和觀測孔的安裝記錄詳見表2～3。

表2 抽水孔安裝記錄一覽表

表3 觀測孔安裝記錄一覽表

3.2 試驗方法

抽水試驗采用穩定流法，抽水采用小口徑潛水泵，水泵型號為90QJD4-40/10和90QJD4-52/12，水量用量筒和三角堰配合測量，水位測量采用萬用表水位計，抽水孔和觀測孔的水位在量測前分別對各個觀測尺進行校核，現場由專人負責計時和發布觀測指令，抽水孔和觀測孔的各次觀測同一時間進行，基本消除時間差造成的誤差。在抽水孔出水管外界增加一測管，保證測管強度，管徑、垂直度，以保證電測深能夠順利測定水位。

1)水位降深。每個抽水孔進行三次降深，三次降深按次序從小到大分別為S1≈1/3S3、S2≈2/3S3、S3(S1為第一次降深，S2為第二次降深)。三次降深的延續時間分別不小于24、12、12 h，穩定時間分別不小于12、8、8 h。

2)觀測頻率。

(1)靜止水位觀測：試驗前對自然水位要進行觀測。一般地區每小時測定一次，三次所測水位值相同，或4 h內水位差不超過2 cm者，即為靜止水位。

(2)水位觀測時間一般在抽水開始后第5、10、15、20、25、30、45、60 min進行觀測，以后每隔30 min觀測一次，穩定后可延至1 h觀測一次。水位讀數應準確到厘米(cm)，抽水孔和觀測孔同時進行觀測。

(3)恢復水位觀測：一般在抽水試驗結束后或中途因故停抽時，均應進行恢復水位觀測，通常停泵后應立即觀測恢復水位，觀測時間間隔1、3、5、10、15、30、45、60 min進行觀測，以后每隔30 min觀測一次。若連續3 h水位不變，連續4 h內每小時水位變化不超過1 cm，或者水位升降與自然水位變化相一致時，即可停止觀測。觀測精度要求同靜止水位的觀測。

3)穩定延續時間和穩定標準

(1)穩定延續時間一般為8～24 h，穩定延續時間是指某一降深下，相應的流量和動水位趨于穩定后的延續時間。

(2)穩定標準：在穩定時間段內，涌水量波動值不超過正常流量的5%，主動水位波動值不超過水位降低值的1%。

4)抽水試驗時對排水安排。為防止抽出的水滲入到抽水層，根據地形坡度，地下水流向和地表滲透性能等因素確定合理的排水方向和排水距離，并使排水通暢。

3.3 參數計算

第①、②層含水層抽水井為潛水完整井，抽水試驗采用穩定流法，參數計算采用潛水完整井公式計算水文地質參數滲透系數，計算公式如下：

式中，K為滲透系數，m/s；Q為出水量，m3/d；S為觀測孔水位下降值，m；H為自然情況下潛水含水層厚度，m；r為觀測孔距抽水孔的距離，m。

第③層含水層抽水孔為承壓水完整井，抽水試驗采用穩定流法，參數計算采用承壓水完整井公式計算水文地質參數滲透系數，計算公式如下：

式中，M為承壓含水層厚度，m。

3.4 小 結

根據抽水試驗結果計算，第①、②和③層含水層的滲透系數如下：K1=2.2×10-4cm/s、K2=1.7×10-4cm/s、K3=3.2×10-3cm/s。

本次對基坑深度范圍內③層粉土(第1含水層)和④層粉土(第2含水層)進行了室內滲透試驗(垂直)，滲透系數分別為4.2×10-6、6.7×10-7cm/s。

通過室內滲透試驗得出的滲透系數與現場抽水試驗得出的滲透系數進行對比，現場抽水試驗得出的滲透系數偏大，這是由于土層一般呈水平層理，均夾有粉細砂薄層，增加了透水能力，而室內滲透試驗則受取土質量、試驗邊界條件的限制，故現場試驗得出的滲透系數相對準確。本深基坑工程建議支護與隔水(降水)工程一體化設計、施工，可采用管井或噴射井點降水方式。在基坑外適當布置觀測井及回灌井，以及時觀測降水效果和周邊水位變化幅度。基坑開挖及降水的同時應在基坑周邊設置觀察點，對基坑變形和周圍建筑物進行監測。

4 結 語

地下水對基坑開挖、基槽作業、支護結構穩定性有直接影響。現場進行抽水試驗，順從土層的水平層理分布，極小地改變土層水文地質環境，能得到更為準確可靠的參數，因此，改進抽水試驗中成孔、過濾、封堵等過程，保證試驗質量、提高試驗效率是今后發展的必經之路。

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