多种抽水试验方法确定水文地质参数①

多种抽水试验方法确定水文地质参数①
作者：谢昭宇
来源：《科技资讯》2013年第19期
摘要：随着地铁建设的突飞猛进，越来越多的基坑临近地铁线路，特别是建成并运行的地铁线路，基坑施工降水对地铁的影响问题越发突出。

本文通过工程实践，采用多种抽水试验方法，为设计提供准确的水文地质参数。

关键词：地铁基坑抽水试验水文地质参数
中图分类号：TU413 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0041-02
抽水试验[pumping test]，包括自试井抽取一定水量而在某距离之各观测井测定各种时间距地下水位的变化，观测数据利用各种地下水流理论式或其图解法分析抽水试验的结果。

抽水试验按孔数可分为：单孔抽水试验、多孔抽水、群孔干扰抽水；按水位稳定性分为：稳定流抽水试验和非稳定流抽水试验方法；按抽水孔类型分为：完整井和非完整井。

抽水试验应在洗井结束，洗井质量已达规定要求后进行。

抽水试验的类型、下降次数及延续时间应按照《供水水文地质勘察规范》（TJ27—78）及《城市供水水文地质勘察规范》中有关规定执行。

试验前，应根据井孔结构、水位降深、流量及其它条件，合理选择抽水设备和测试仪具。

抽水设备可用量桶、空气压缩机及各种水泵；流量测量，当流量小于2 L/s时，可用量桶；大于2 L/s时；应用堰箱（三角堰、梯形堰或矩形堰）或孔板流量计；高压自流水可用喷水管喷发高度测量法测量流量；水位测量可用测钟、浮标水位计或电测水位计；水温测量一般可用缓变温度计或带温度计的测钟。

抽水设备安装后，应先进行试抽，经调试能满足试验要求后，再正式抽水。

采用空气压缩机作抽水试验时，应下测水位管，在测水位管内测量动水位。

抽水试验中应做好地面排水，使抽出的水排至试验孔影响范围以外。

在抽水试验中，应及时进行静止水位、动水位、恢复水位、流量、水温、气温等项观测，并及时如实记录，不得任意涂改或追记。

如遇水位、流量、水的浑浊度及机械运转等发生突变时，应做详细记录，并及时查明原因。

1 工程概况
拟建场地原始地貌单元属冲积阶地。

本项目场地表面多为建筑垃圾堆填。

场次范围内埋藏地层的岩性及野外特征自上而下分别为人工填土、冲洪积黏土、砾砂、黏土、砾砂、残积砾质粘性土、燕山期粗粒花岗岩。

场地内地下水有填土层中上层滞水、砂层中孔隙潜水、承压水及下伏基岩强～中风化层中孔隙—裂隙承压水。

含水层的富水性和透水性为弱～中等，接受大气降水和侧向迳流补给。

拟建项目紧邻已运行地铁线路，为了了解场地的水文地质情况，进行本次抽水试验。

本次试验目的是查明基岩裂隙水的渗透性和富水性，测定有关水文地质参数，为基坑设计和施工提供科学、准确的依据，优化基坑设计、施工、防渗排水方案，确保周围道路、建筑物、地下管线，特别是地铁的正常使用及运行安全。

在基坑开挖深度内主要揭露是填土中的上层滞水和砂类土中的孔隙承压水水量丰富，基坑开挖将揭穿该层，由于拟建项目采用地下连续墙，可不考虑上部上层滞水及砂层中承压水对本工程的影响。

根据设计单位、建设单位要求，本次勘察针对下伏基岩强～中风化层中孔隙—裂隙承压水进行水文地质试验，为设计提供准确的水位地质参数。

2 勘察方法
2.1 抽水试验概况
拟建4层地下室，基坑开挖深度约为18.0 m（标高-11.70 m），基坑底板岩性主要为残积土层。

本次勘察抽水孔与观测孔孔口标高变化于6.09～7.04 m。

地下水埋深为3.80～5.90 m，水位标高为0.63～2.98 m之间，基坑开挖期间地下水位降深达到14.20 m以上。

而基坑开挖后，若采用人工挖孔桩时（以中～微风化岩作为桩端持力层，中风化岩层顶标高介于-35.51～-26.43 m），地下水位降深将达到30 m以上，最大达38 m。

2.2 抽水试验方案
本次水文地质试验共布置6组试验孔进行抽水试验，每组试验孔包括一个抽水孔和两个观测孔。

总共布置抽水孔6个，观测孔12个。

本次水文地质勘察针对强～中风化岩基岩裂隙水，本次勘察抽水试验孔按承压水完整井结构进行设计、施工成井。

具体试验成孔步骤如下。

（1）先用Ф350 mm钻具，清水钻进，钻穿中风化层，再下Ф127 mm滤水管（强风化、中风化岩段采用过滤管，保证孔隙率大于30%，其它部分采用钢套管），外包铜纱网2层至孔底0.5～1.0 m处，周边回填碎石滤料至全风化岩底部，后回填黏土球至砂层底部。

（2）终孔后采用联合洗孔法（冲孔器和混合器），达到水清砂净为止，进行静止水位观测。

最后安装水泵及其它抽水试验设备，将水泵放置在孔底2.0～3.0 m位置，后进行抽水试验。

（3）观测孔采用Ф127开孔，一径到底，漏水管采用Ф50PVC管，过滤器打孔后（强风化、中风化岩段梅花状打空，保证孔隙率大于30%），外缠铜纱网，周边回填碎石滤料至全风化岩底部，后回填黏土球至砂层底部。

（4）开始抽水试验。

每组抽水试验前先对抽水孔进行洗井，即加入清水，返出浑浊水，直至返出清水为止。

各钻孔抽水采用深井水泵抽水，抽水延续时间每个降深在8 h以上，稳定水位观测在4 h以上。

抽水结束后进行恢复水位观测，直至水位恢复稳定为止。

2.3 抽水试验技术要求
（1）抽水试验采用稳定流抽水试验。

每孔基岩段抽水，抽水分2个降深，每次降深差宜大于2 m，每次降深稳定时间6～8 h，稳定水位波动不超过2 cm。

抽水结束后应测量恢复水位，评价含水层的涌水量渗透性及补给情况。

抽水后都进行了恢复水位观测。

（2）稳定流抽水试验的流量稳定标准，在涌水量无连续增大或变小的区间内，各次流量的最大差值与平均流量值之比不得大于3%。

水位稳定标准为在抽水试验稳定延续时间内，水位无持续上升或下降趋势；动水位不得大于平均水位降深的1%。

（3）观测井的设置与观测水位频率。

每一个抽水孔旁布设2个观测孔，观测时间与抽水孔同步进行。

抽水时观测时间为抽水开始后的第1、3、5、10、15、20、25、30 min各测一次，之后每隔30 min或60 min观测一次。

2.4 抽水试验井管结构
由于本场地第四系覆盖层为人工填土、黏性土、砾砂层，其中砾砂层富水性、渗透性好，因此本次勘察抽水孔均只对基岩（强～中风化岩）裂隙水进行了抽水试验，抽水井管采用黏土球封堵砂层水，观测孔采用Φ127 mm套管封堵上覆砂层水，实现分层抽水的目的。

2.5 抽水试验成果
根据本次抽水试验现场资料，各个孔各绘制了降深与时间过程曲线图、流量与时间过程曲线图、Q=f（s）曲线图、q=f（s）曲线图及水位恢复曲线（过程）图。

3 水文地质参数计算
3.1 渗透系数的计算
本次试验采用多孔抽水试验，根据地下水的类型、抽水试验的类型采用承压水稳定流完整孔多孔、单孔抽水试验渗透系数计算公式及按水位恢复法计算公式。

（1）承压水稳定流完整孔多孔抽水试验渗透系数（k）、影响半径（R）的计算公式：
两个观测孔：
一个观测孔：
单孔抽水：
（经验公式）
式中：
Q为涌水量（m3/d）；
M为承压水含水层厚度（m）；
s为抽水孔的降深（m）；
r1、r2为观测井1、观测井2距主井的距离（m）；
s1、s2为观测井1、观测井2的降深（m）；
R为影响半径（m）；
rw为滤水管半径（m）。

（2）按水位恢复计算公式：
式中：
Q为抽水稳定流量（m3/d）；
h1、h2为井中水柱高度（m）；
s1、s2为井中恢复的剩余水位降深（m）；
t为水位恢复计算时间间隔（min）；
rw为钻孔出水段半径（mm）。

依据抽水试验成果，各地块计算所得渗透系数及影响半径见表1。

表1中，ZK3号孔抽水试验：观测孔成孔不甚理想，剔除一个观测井（G1）、一个观测井（G2）数据后进行统计；ZK6号孔抽水试验：主孔和观测孔成孔均不甚理想，视为试验失败。

综合分析，强～中风化岩渗透系数按照1.50 m/d考虑，影响半径按照150 m考虑。

4 基坑方案分析与建议
由于场地基岩裂隙水极发育，基坑及人工挖孔桩施工时，坑（桩）内降水极其困难。

而坑（桩）内降水又极易引起周围市政道路、建筑物，特别是地铁的沉降、变形、开裂。

止水帷幕及基坑支护建议采用排桩+高压旋喷桩（中风化岩段采用劈裂灌浆法）或地下连续墙方法，其深度要求进入微风化岩不小于0.5 m。

根据场地情况，地铁紧邻场地，地铁埋深小于20 m，基坑边缘距地铁控制线15.00～18.00 m，距离较近，各地块基坑降水对正运营地铁线可能会产生较大影响，建议各地块基坑靠地铁一侧基坑支护采用地下连续墙支护方法加强支护措施。

同时在地铁线附近采用回灌措施，避免产生沉降。

在基坑、桩基施工期间，应对周边市政道路、建筑物、特别是地铁布置监测点，进行沉降和位移监测，并对附近地表进行巡查有无异常现象（涌砂、涌水）发生。

由于拟建项目紧邻地铁线，应在基坑外地铁两侧设置多处注水井，用来观测地下水位变化，当地下水位下降过大，可能引起地铁较大沉降时，应往注水井注水，确保地铁的正常运行。

在现场施工时，现场应做防止涌砂、涌水的应急预案（如封堵、回灌等措施），尽量避开雨季施工。

5 结语
设计、施工采用上述参数及建议，基坑支护及降水情况良好，对地铁及周边建筑物、管线等的影响均在要求范围内，确保地铁的正常运行，达到了设计的预期要求，取得了很好的经济、社会效益。

由此可见临近地铁线路的基坑工程中，确定含水层的各项水文地质参数尤其是渗透系数K 值和影响半径R值对工程设计至关重要。

由于利用两个观测孔的抽水试验方法，对各个环节要求十分严格，特别是分层抽水试验，隔水措施是否处理好是试验成败的关键。

如果其中一个孔（抽水孔或观测孔）没有处理好时，其水位降深将不能反应真实情况，其计算结果将出现较大偏差，这种情况可通过多种理论及经验公式综合求取，确保抽水试验的真实性、准确性、可靠性。

参考文献
[1] 常士骠，张苏明.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007：218-234.
[2] 顾宝和，岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009：60-62.
[3] 余学鹏，门妮.完整井稳定流抽水试验渗透系数的确定分析[J].北京：铁道勘察，2010：34-36.
[4] 王炜，赵青年.用抽水试验方法确定水文地质参数[J].北京：工程勘察，2008：199-201.。