群井抽水試驗常見問題辨析與探討

摘" 要：結(jié)合某群井抽水試驗成果資料，通過承壓含水層群井抽水期間，其上各含水層的變化及地面沉降數(shù)值結(jié)果，分析各地下含水層間的水力聯(lián)系情況，并對抽水試驗中的常見問題進行辨析，為今后抽水試驗方法的有效高質(zhì)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：抽水試驗；群井；地面沉降；水文地質(zhì)參數(shù)；水力聯(lián)系

中圖分類號：TU46" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0089-04

Abstract： Combined with the pumping test results of a group of wells， analyze the hydraulic connection between underground aquifersbythe change of each aquifer and the results of land subsidence during pumping through the test in the confined aquifer. The common problems in pumping test are analyzed. The article lays a foundation for the effective and high-quality development of pumping test methods in the future.

Keywords： pumping test; multiple wells; land subsidence; hydrogeological parameters; hydraulic connection

隨著地下工程勘察設(shè)計與施工的精細化，對于深度不大、水文地質(zhì)條件簡單的場地，巖土工程勘察資料可以基本滿足基坑工程的需要。當基坑深度較深，水文地質(zhì)條件復雜，巖土工程勘察資料將不能滿足基坑工程需要，應(yīng)進行專門的水文地質(zhì)勘察。常見的室內(nèi)滲透試驗已不能滿足工程實際的要求，地下含水層間的水力聯(lián)系特征越發(fā)明顯，對地下水水文地質(zhì)特征參數(shù)的準確化要求日益突出。筆者近幾年完成了多項抽水試驗、基坑降水、地下水資源等方面的專業(yè)技術(shù)咨詢工作。下面結(jié)合實際案例，就實踐中發(fā)現(xiàn)的幾個關(guān)于抽水試驗的問題，在此一并與讀者探討。

1" 工程概述

項目位于天津市西青區(qū)。擬建物設(shè)置有4層地下室，基坑總面積約12 000 m2。本工程基坑設(shè)置4層地下室，樁基采用樁筏基礎(chǔ)。基坑開挖深度普遍區(qū)域為18.7 m。項目周邊建筑林立，鑒于本項目深度較大，擬采用抽水試驗確定水文地質(zhì)參數(shù)，以便更好地開展降水工程工作。同時通過對抽水試驗期間地面沉降觀測，對項目開發(fā)建設(shè)所引起的地面沉降問題進行預判[1]。

2" 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)本項目勘察資料[2]，地表以下50 m以淺所揭露地層均為第四紀松散堆積物。依據(jù)DB/T 29-191—2009《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》，根據(jù)地質(zhì)年代及成因，共分為7個地質(zhì)成因?qū)樱谕坏刭|(zhì)成因?qū)觾?nèi)根據(jù)巖性又可分出不同的工程地質(zhì)亞層。現(xiàn)根據(jù)土層時代成因及巖性簡述如下。

2.1" 人工填土層（Qml）地層編號①

主要由雜填土和素填土組成，層頂標高2.26～3.13 m。

①1雜填土：厚度0.20～0.30 m，雜色，濕。松散狀態(tài)，夾有建筑垃圾或碎石，土質(zhì)不均。

①2素填土：厚度0.70～3.60 m，黃褐-褐黃色，可塑狀態(tài)，土質(zhì)不均，含植物根系。

2.2" 全新統(tǒng)上組河床-河漫灘相沖積層（Q34al）地層編號④

④粉質(zhì)黏土：厚度1.00～3.60 m，頂板標高-1.00～1.74 m。呈褐黃色，可塑至軟塑狀態(tài)，土質(zhì)不均，具銹染。本層土天然含水量（ω）24.5%～32.4%；天然孔隙比（e）0.69～0.92；重力密度（γ）18.3～20.0 kN/m3；液性指數(shù)（IL）0.51～0.79；塑性指數(shù)（IP）10.5～16.2；壓縮模量（Es1-2）4.2～6.1 MPa。

2.3" 全新統(tǒng)中組淺海相沉積層（Q24m）地層編號⑥

主要由粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂組成，分為3個亞層，層頂標高-2.82～-1.14 m。

⑥1粉質(zhì)黏土：厚度0.90～4.10 m，灰色，呈軟塑至可塑狀態(tài)，土質(zhì)不均，具層理，含有機質(zhì)。本層土天然含水量（ω）25.7%～34.3%；天然孔隙比（e）0.73～0.97；重力密度（γ）18.6～19.7 kN/m3；液性指數(shù)（IL）0.70～1.06；塑性指數(shù)（IP）10.1～15.6；壓縮模量（Es1-2）4.6～6.9 MPa。

⑥2粉土：厚度1.00～6.60 m，灰色，飽和，稍密至中密狀態(tài)，土質(zhì)不均，局部夾黏土薄層，含貝殼。本層土天然含水量（ω）25.3%～31.4%；天然孔隙比（e）0.74～0.88；重力密度（γ）18.8～19.5 kN/m3；塑性指數(shù)（IP）3.4～7.5；壓縮模量（Es1-2）4.7～10.6 MPa；標貫擊數(shù)7～19，平均15擊。

⑥3粉砂：厚度2.80～7.10 m，灰色，飽和，稍密至中密狀態(tài)，土質(zhì)不均，局部夾黏土薄層，含貝殼。本層土天然含水量（ω）20.9%～27.2%；天然孔隙比（e）0.61～0.79；重力密度（γ）19.0～20.0 kN/m3；壓縮模量（Es1-2）10.9～19.3 MPa；標貫擊數(shù)11～24，平均20擊。

2.4" 全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（Q14h）地層編號⑦

⑦粉土：層厚2.00～4.80 m，層頂標高-13.33～-10.65 m。淺灰色，中密至密實狀態(tài)，土質(zhì)不均，頂部含有機質(zhì)。本層土天然含水量（ω）21.5%～27.3%；天然孔隙比（e）0.62～0.80；重力密度（γ）19.1～20.3 kN/m3；塑性指數(shù)（IP）5.1～7.3；壓縮模量（Es1-2）6.4～13.2 MPa。

2.5" 全新統(tǒng)下組河床-河漫灘相沉積層（Q14al）地層編號⑧

主要由粉質(zhì)黏土和粉土組成，分為2個亞層，層頂標高-16.86～-14.45 m。

⑧1粉質(zhì)黏土：層厚3.80～6.90 m，褐黃-黃褐色，可塑至軟塑狀態(tài)，土質(zhì)不均，局部夾粉土薄層。本層土天然含水量（ω）18.8～27.8%；天然孔隙比（e）0.54%～0.78；重力密度（γ）19.3～21.0 kN/m3；液性指數(shù)（IL）0.47～0.82；塑性指數(shù)（IP）10.2～15.9；壓縮模量（Es1-2）4.8～7.5 MPa。

⑧2粉土：層厚0.60～2.60 m，褐黃-黃褐色，飽和，密實至中密狀態(tài)，土質(zhì)不均。本層土天然含水量（ω）17.0%～21.3%；天然孔隙比（e）0.48～0.62；重力密度（γ）20.1～21.2 kN/m3；壓縮模量（Es1-2）8.6～14.7 MPa；標貫擊數(shù)33～34，平均33.5擊。

2.6" 上更新統(tǒng)5組河床-河漫灘相沉積層（Q3eal）地層編號⑨

⑨粉質(zhì)黏土：層厚2.70～6.30 m，層頂標高-23.94～-20.76 m，褐黃-黃褐色，可塑狀態(tài)，土質(zhì)不均，局部夾粉土薄層。本層土天然含水量（ω）18.4%～28.0%；天然孔隙比（e）0.53～0.78；重力密度（γ）19.2～21.0 kN/m3；液性指數(shù)（IL）0.46～0.73；塑性指數(shù)（IP）10.2～16.3；壓縮模量（Es1-2）5.2～7.0 MPa。

2.7" 上更新統(tǒng)3組河床-河漫灘相沉積層（Q3cal）地層編號{11}

主要由粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂組成，分為4個亞層，層頂標高-28.53～-25.37 m。

{11}1粉質(zhì)黏土：層厚1.20～7.50 m，褐黃色，可塑狀態(tài)，土質(zhì)不均。本層土天然含水量（ω）18.2%～27.3%；天然孔隙比（e）0.51～0.77；重力密度（γ）19.5～21.2 kN/m3；液性指數(shù)（IL）0.46～0.72；塑性指數(shù)（IP）10.3～15.9；壓縮模量（Es1-2）5.7～8.1 MPa。

{11}2粉砂：層厚1.70～6.30 m，褐黃色，飽和，密實狀態(tài)，土質(zhì)不均。本層土天然含水量（ω）17.1%～23.5%；天然孔隙比（e）0.51～0.70；重力密度（γ）19.5～20.7 kN/m3；壓縮模量（Es1-2）8.3～12.4 MPa；標貫擊數(shù)34～48，平均41擊。

{11}3粉土：層厚2.70～9.70 m，褐黃色，飽和，密實至中密狀態(tài)，土質(zhì)不均。本層土天然含水量（ω）16.7%～25.7%；天然孔隙比（e）0.51～0.76；重力密度（γ）19.3～20.8 kN/m3；壓縮模量（Es1-2）5.4～10.3 MPa；標貫擊數(shù)29擊。

{11}4粉質(zhì)黏土：層厚6.80～13.50 m，褐黃-黃褐色，可塑至硬塑狀態(tài)，土質(zhì)不均，局部夾粉土薄層。本層土天然含水量（ω）18.4～28.5%；天然孔隙比（e）0.52～0.79；重力密度（γ）18.5～21.2 kN/m3；液性指數(shù)（IL）0.38～0.73；塑性指數(shù)（IP）10.3～16.8；壓縮模量（Es1-2）5.3～7.4 MPa。

根據(jù)勘察結(jié)果，工程場區(qū)地表下約40 m深度范圍內(nèi)主要分布2個相對含水層。第一相對含水層：底板埋深約20 m，巖性以粉土和粉質(zhì)粘土為主。主要由人工填土層、④粉質(zhì)黏土層、⑥1粉質(zhì)黏土層、⑥2粉土層、⑥3粉砂、⑦粉土層組成。以⑧1粉質(zhì)黏土層為相對隔水底板。地下水類型為潛水，主要接受大氣降水入滲、農(nóng)林灌溉入滲和地表水體滲漏補給，排泄方式主要為蒸發(fā)、地下水側(cè)向徑流和垂向越流。勘察期間測得該層地下水位埋深為1.70～2.59 m。

第二相對含水層：賦存于埋深23～24 m和31～38 m的粉砂（局部粉土）層中。主要由⑧2粉土、{11}2粉砂層、{11}3粉土層組成。地下水類型為承壓水，補給方式以地下水側(cè)向徑流和越流為主，排泄方式以側(cè)向徑流和越流為主。本含水層以下{11}4粉質(zhì)黏土層分布穩(wěn)定，是第二承壓含水層的隔水底板。經(jīng)現(xiàn)場實測，{11}2、{11}3粉土粉砂層水位埋深為8.5～9.0 m。

3" 抽水試驗情況

項目抽水試驗井平面位置如圖1所示。各試驗井井管結(jié)構(gòu)如圖2所示。所有降水井均采用φ273鋼制井管，孔徑600 mm。

按照試驗方案，本項目主要為群井抽水試驗。對抽水井進行抽水的同時，對觀測井水位和抽水流量進行觀測，根據(jù)各抽水井和觀測井的水位變化進行分析，獲得{11}2、{11}3粉土粉砂層與相鄰土層的水力聯(lián)系情況，獲得{11}2、{11}3含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。在群井抽水試驗期間，需對試驗場地周邊進行沉降觀測。觀測頻率為每日1次。

群井抽水觀測結(jié)果如圖3所示。

群井抽水試驗期間，地面沉降觀測點平面布置如圖4所示。各監(jiān)測點沉降時程曲線如圖5所示。

4" 試驗數(shù)據(jù)分析

1）抽取{11}12、{11}13粉土粉砂層地下水時，其上⑧2和⑨組合層觀測井水位發(fā)生一定下降，淺部潛水含水層發(fā)生一定的小幅下降，幅度一般在0.5 m至1.0 m。證明第一第二承壓含水層之間、承壓含水層與潛水含水層間確實存在較強的水力聯(lián)系。根據(jù)上述觀測結(jié)果并結(jié)合天津地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗證明，隨著疏干井中水位的降低，承壓水的水位會發(fā)生一定的變化。由此建議降水工程中應(yīng)減少降壓井（如有必要）的開啟時間，以保護周邊環(huán)境。

2）根據(jù)群井抽水試驗期間地面沉降監(jiān)測資料，在實際基坑降水過程中，水位較快達到穩(wěn)定，但沉降是逐漸發(fā)展的。沉降變化存在一定的滯后性。本項目群井抽水時地面沉降最大約4.9 mm。本項目還進行了數(shù)值模擬計算，群井抽水10 d后，潛水位下降約0.08 m，地面沉降約5 mm，與現(xiàn)場沉降實測值基本相符。驗證了試驗成果參數(shù)的可靠性。

5" 進一步思考與啟示

根據(jù)上述案例，并結(jié)合筆者近年來的工作經(jīng)驗，我們可以深入地進行思考、辨析，得到以下幾點。

1）當前各種規(guī)范、手冊、教材等書籍中所羅列的地下水滲透試驗計算公式均基于裘布依理論（潛水）或泰斯（承壓水）。對于潛水含水層采用的裘布依理論計算滲透系數(shù)時有如下假設(shè)：含水層是水平的，均質(zhì)各向同性的；水流呈軸對稱的徑向流運動；在距井軸一定距離R上，水位下降為零；水流運動符合達西定律[3-4]。因此從該角度來說，對于天津地區(qū)地層符合其假設(shè)的情況較少，因此通過裘布依理論計算土層的滲透系數(shù)會存在一定的誤差。而對于承壓水來說，由于水位漏斗線位于承壓含水層以上，故其條件假設(shè)和公式計算相對簡單，計算水文地質(zhì)參數(shù)時與觀測井數(shù)量設(shè)置的不同變化不是很大，計算成果與實際貼合度較好。

2） 在通過抽水試驗確定水文地質(zhì)參數(shù)時，對于只有一口試驗井，由于無觀測井，往往會采用以下公式[3，5]

R=10sw （承壓水）

R=2sw （潛水）

按照上述公式，通過迭代計算來確定地層滲透系數(shù)k和影響半徑R。筆者曾進行過有無觀測井計算水文地質(zhì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)對于采用經(jīng)驗公式，計算結(jié)果較單井和群井抽水方法出入較大。鑒于計算理論條件的假設(shè)，通過抽水試驗對比計算水文地質(zhì)參數(shù)時應(yīng)盡量選用多觀測井方法以此消除井損所帶來的誤差。尤其應(yīng)當避免采用抽觀同井來計算水文地質(zhì)參數(shù)。

3）影響半徑R與抽水流量的關(guān)系。隨著抽水流量的變大，地下水會形成以抽水井為中心的降落漏斗。而此漏斗的大小與工程地質(zhì)條件、抽水流量、施工現(xiàn)場周邊環(huán)境有直接關(guān)系。因此筆者認為影響半徑會隨著抽水流量的變化而發(fā)生一定的變化，但幅度不會過大，這與地層巖性有直接關(guān)系。

此外，抽水試驗施工現(xiàn)場周邊環(huán)境往往會被忽視，會造成相距不遠的場地水文地質(zhì)參數(shù)差異會較大。這就要求試驗人員需對周邊邊界條件熟悉。

參考文獻：

[1] 于向吉.本項目抽水試驗報告[Z].2014.

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[3] 姚天強，石振華.基坑降水手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[4] 薛禹群，朱學愚.地下水動力學[M].北京：地質(zhì)出版社，1979.

[5] 天津市建筑基坑降水工程技術(shù)規(guī)程：DB/T 29-229—2014[S].2014.