基于抽水試驗的場地水文地質條件勘察技術研究

蘇紹鋒

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507）

在場地水文地質條件勘察過程中，抽水試驗是獲取場地水文地質參數最直接有效的方法，但現階段水文地質參數方法計算過多，勘察人員在選擇計算方法過程中主觀因素較大，導致抽水試驗所的參數的合理性存在一定問題，容易對工程后續建設過程產生影響[1]。針對這一問題，眾多專家學者結合不同工程背景開展豐富的研究工作，例如陳慶華等[2]對靠江項目中抽水試驗進行分析、羅永海[3]對臨河泵站抽水試驗展開豐富的研究工作。時至今日，抽水試驗作為最廣泛的水文地質勘察試驗，仍存在一定的問題，該文在此基礎上對實際工程進行分析，以期明確抽水試驗作用機理，提高場地水文地質條件勘察水平。

1 抽水試驗機理

1.1 Dupuit 公式

1856年Henry Darcy 在長期試驗中發現多孔介質滲流規律，并總結出達西定律，隨后1986年J·Dupuit 在達西定律的基礎上研究并提出了穩定井流公式，為后續水文地質抽水試驗奠定了理論基礎[4-5]。如圖1所示，假設地層下某含水層均質、各向同性且產狀水平，其中心位置有一個抽水井，抽水井抽水流量為Q，圓心位置給定水頭H0，假定水流為水平徑向流，以井為共軸的圓柱面為等水頭面[6]，此時所建立的數學模型如公式（1）所示。

圖1 抽水試驗示意圖

此時，結合穩定流特征，假設任意過水斷面流量僅為等值，如公式（2）所示。

對式（2）進行分離變量，然后按照邊界條件進行積分，如公式（3）所示。

計算如公式（4）所示。

式中：rw為降水半徑；M為承壓含水層厚度，m；K為滲透系數，m/d；Q為出水量，m3/d。

記抽水井在抽水過程中導致地下水位下降的深度為降深，計算如公式（5）所示。

式中：sw為降水深度，m。

1.2 抽水試驗計算方法

針對抽水試驗，當采用單孔穩定流的方式進行抽水時，可根據抽水孔水位下降情況計算其滲透系數，此時，如果井內地下水位下降與時間呈線性相關，那么承壓水完整孔滲透系數計算如公式（6）所示。

式中：s為水位下降深度，m；Ry為引用補給半徑，m。

潛水含水層計算如公式（7）所示。

式中：H為潛水含水層厚度，m；h為抽水試驗過程中潛水含水層厚度，m；r為過濾器半徑，m。

如果井內地下水位下降與時間呈現非線性關系，此時可采用插值法得出地下水位下降與時間的代數多項式，插值所得時間項計算如公式（8）所示。

式中：a1，a2，…an為待定系數。

采用插值法所得Q-s曲線關系呈現直線時，可根據公式（1）、公式（2）進行計算。

針對基巖裂隙水，可采用公式（9）結合抽水試驗結果進行計算。

2 場地水文地質勘察

2.1 場地水文地質條件

該項目為某單位的擬建辦公大樓新址，占地面積6217m2（可建設用地面積4145m2），建筑面積達29925m2。擬建大樓地上22 層，地下4 層，地面高約100m。基坑開挖深度約15.4m，基坑開挖范圍為307m×120m。

場區的地下水類型主要有上層滯水、第四系砂層孔隙潛水及基巖孔隙裂隙承壓水及巖溶水，孔隙水賦存于第四系沉積土層孔隙中，主要含水層為砂層，粉質黏土為相對隔水層。含水層橫向上連續性較好，厚度約為0.5m～2.2m，富水性較強，滲透系數為47.19 m/d～60.76 m/d，屬強透水層，地下水具承壓水性質；基巖孔隙裂隙承壓水及巖溶水：場區基巖為炭質灰巖，局部孔隙裂隙發育，局部巖溶極發育，含地下水，具承壓性。

2.2 抽水試驗結果

根據本場區特點，選擇代表性鉆孔ZK6進行第四系松散含水層和基巖含水層分層抽水試驗，以獲取松散層和基巖的水文地質參數。抽水井采用底部全封閉的花管加接套管形式，在建井過程中，第四系松散層中鉆探直徑為φ146mm，基巖段鉆探直徑φ127mm，隨后全孔下φ127mm 的PVC 管道，底部封閉。PVC 管道中進水段使用φ127mm的花管（過濾器），花管段外包400 目網布，花管段管壁與孔壁間隙中填投石米、石礫進行過濾，其余孔段用黏土進行填塞隔水。孔口采取措施防止地表水倒灌抽水孔，影響抽水試驗結果。

ZK6 第四系含水層為中細砂層，分布孔深為3.6～5.8m，厚度2.2m，抽水前靜止水位埋深為3.5m，進水段花管深3.00～7.00m。試驗歷時23h，水位降深S=1.5m，降深穩定延續時間20 小時，涌水量Q=36.11m3/d，單位涌水量q=24.07m3/d·m。抽水試驗所得曲線如圖2、圖3所示，計算所得含水層滲透系數見表1。

圖2 砂層抽水S-t 曲線

圖3 砂層抽水S-lg（t）曲線

表1 砂層抽水試驗成果表

根據鉆探資料，本場區巖溶強發育，巖溶水富水性好，具承壓性，一般水頭高度為14m。本次勘察選取了鉆孔ZK6、XZK51 進行巖溶裂隙水抽水試驗。其中ZK6 進行兩次抽水試驗，XZK51 進行一次抽水試驗，并根據公式（10）計算滲透系數，計算所得基巖裂隙水滲透系數見表2。

表2 基巖抽水試驗成果表

根據抽水試驗成果可知中細砂層具強透水性；基巖裂隙和巖溶發育段具強透水性。由于巖土層在橫向和垂向上分布具有不均勻性，抽水試驗成果不能完全代表含水層的特性，特別是基巖部分，受基巖風化程度、巖溶裂隙、巖溶管道發育和充填的不均勻性影響更大，因此場區各巖土層的滲透性，須根據地層巖性特征、地層的富水性、鉆孔抽水試驗成果和室內滲透試驗結果取值。

3 基坑安全預測

3.1 支護結構選型

由于廣州設計之都聯合基坑的先行開挖，本場地基坑深度為3.5m，小于5m，不再屬于深基坑范疇。綜合考慮周邊條件與經濟因素，基坑支護改為放坡開挖，坡度為1 ∶1.0。為最大限度地降低施工難度與建設成本，地下水控制擬采用動態設計與信息化施工的方式，開挖前暫不施工止水帷幕。工程樁、抗拔錨桿等建議在承壓水位以上施工完成。開挖過程中利用大基坑止水帷幕的作用，該項目采用集水明排的方式，同時應加強觀測，當出現水量過大或承壓水突涌的情況時，進行局部回填反壓，局部范圍對溶洞注漿止水。

3.2 涌水量預測與突涌計算

本場區巖溶發育強烈，地下水豐富，地下水穩定水位埋深一般為5.7～7.50m。根據勘察資料，中-微風化巖面埋深為12.5～31m，根據設計資料，基坑挖深約15.4m，基坑部分已開挖至溶蝕巖層中。

若采用降水法進行基坑降水計算，基坑涌水量計算如圖其基坑總涌水量可按大井簡化的均質含水層承壓～潛水非完整井的基坑降水總涌水量公式進行估算，如公式（11）所示。

式中：Q為基坑降水的總涌水量（m3/d）；k為滲透系數（m/d）取60.76 m/d；M為承壓含水層厚度（m）；取60.9-12.5=48.4m；h為基坑底水位至含水層底的厚度（m），H0為承壓水位至含水層底的厚度（m），H0=60.9；R為降水影響半徑（m）；r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑（m）。

根據計算，基坑降水的總涌水量Q約為52754m3/d。

由于本場區基坑下有承壓水存在，開挖基坑減少了含水層上覆不透水層的厚度，當厚度減少到一定程度時，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌現象。

圖4 基坑涌水量計算示意圖

在場區內，基巖巖面起伏大，基坑土層不均勻，本場地的巖面埋深為12.5m～31m。當基坑設計挖深15.4m 時，部分已挖至基巖中。當開挖覆蓋層時，如果不采取降水或者截水措施，那么可能存在基坑突涌的情況。

基坑突涌計算如公式（12）所示。

式中：Kty為突涌穩定性安全系數；Kty不應小于1.1；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度（m）；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度；γ為土層取18.5kN/m3；Δh為基坑內外的水頭差（m）；γw為水的重度。

根據鉆孔XZK51 成果，在深度13.8m 處揭露溶蝕灰巖，溶蝕灰巖為承壓水含水層，13.8m 處即為含水層頂部。根據計算，當基坑挖深約8.8m 時，可能發生基坑突涌現象。

4 結論

該文以實際工程為研究對象，深入分析抽水試驗在場地水文地質調查工作中的應用，并根據抽水試驗結果對基坑涌水量進行預測，所得結論如下：1）抽水試驗結果表明場地第四系含水層單位涌水量q=24.07m3/d·m，滲透系數為12.90m/d，巖溶水鉆孔單位涌水量q=554m3/d·m。基巖巖溶水滲透系數為47.19m/d～60.76m/d，屬于強透水層。2）涌水量預測結果表明基坑降水的總涌水量Q約為52754m3/d。根據計算，當基坑挖深約8.8m 時，可能出現基坑突涌的現象。