南水北调中线工程潮河段水文试验对比分析

王贵生,周子东,梁 红

(河南省水利勘测有限公司,河南郑州 450008)

南水北调中线工程潮河段水文试验对比分析

王贵生,周子东,梁 红

(河南省水利勘测有限公司,河南郑州 450008)

通过3种现场水文试验方法,对南水北调中线潮河渠段砂性土及少粘性土的渗透性等水文地质特征进行对比和分析,确定了在砂性土层中最可靠的水文地质参数,为该渠段的水文地质设计与施工提供可靠的依据。

南水北调中线工程;水文试验;渗透性;对比分析

0 引言

由于南水北调中线工程潮河渠段砂性土多,地下水位较高,水文地质条件较复杂,砂质渠基(渠坡)的渗透稳定性问题比较突出,为了查明砂土及少粘性土的渗透性等水文地质特征,以便采取适用的渗控措施,在渠线附近布置了水文地质试验,主要包括试坑单环注水试验、钻孔常水头注水试验和抽水试验[1]。

场区位于嵩箕山脉向黄(河)淮(河)冲积平原过渡区,所经地貌单元主要有河谷平原、冲洪积平原和砂丘、砂地等。地势总体呈西高东低、南高北低的特点。该段冲积、冲洪积平原上部沉积了较厚的第四纪松散物质,岩性以粉砂、细砂、砂壤土及壤土为主,孔隙发育,具备地下水赋存良好的条件。

场区地下水一般为第四系松散层孔隙潜水,该含水层主要接受大气降水入渗、地下水侧向迳流、地表河水入渗补给,排泄方式为蒸发、侧向迳流和人工开采。地下水与河水补排关系随季节变化明显,试验期间,地下水补给河水,地下水流向一般近垂直于河道。

1 试坑单环注水试验

沿潮河渠段共布置3组试坑单环注水试验,试环高20.5 cm,直径25 cm。单环注水试验示意图见图1。

试验按照《水利水电工程注水试验规程》[2]进行,根据规程中试坑单环注水试验渗透系数计算公式进行计算,成果见表1。试验成果表明:试坑单环注水试验较好的反映了表层砂性土的渗透性。

单环渗水试验过程简单,易于控制,对天然地层的扰动很小,只要严格按照规程规范操作,所取得的数据较客观。但试验土层埋藏较深时,试坑开挖及人员安全难以保证。

图1 单环注水试验示意图Fig.1 Schematic diagram of single coilwater injection test

表1 单环注水试验渗透系数计算成果表Table 1 The calculation results of per meability coefficient through single coilwater injection test

2 钻孔常水头注水试验

沿潮河渠段共布置3组钻孔常水头注水试验,按照《水利水电工程注水试验规程》进行试验,为了确定渠底板以上少粘性土及砂性土的综合渗透性,现场采用了全孔混合注水试验,试段部分位于地下水位以上,部分位于地下水位以下,根据规程中钻孔常水头注水试验中的2个渗透系数计算公式进行计算,并求其平均值,成果见表2。

由表2可知,该试验所得结果偏低于客观值。分析原因,可能为:由于该段地层岩性主要为砂和砂壤土,在清水钻进过程中,孔壁出现多次坍塌,虽然钻孔结束后进行了长时间洗孔和掏水,但因为地层本身颗粒较细,渗漏通道易被沉淀物堵塞,造成“井阻”现象,注水试验结果偏小。

表2 钻孔常水头注水试验计算成果表Table 2 The calculation results ofwater injection testwith constant head in borehole

3 抽水试验

抽水试验设计为带观测孔的潜水稳定流抽水试验,过滤器为淹没式。每组抽水试验布置一个抽水井,2个观测孔,观测孔垂直于地下水流向布置,按照规范要求,观测孔距抽水井距离分别为2 m和9 m,按照《水利水电工程钻孔抽水试验规程》[3]进行试验与计算。

根据《工程地质手册》中砂土的渗透系数与有效粒径的经验关系公式如下:

式中:K——渗透系数(m/d);d10——颗粒的有效粒径(mm);t——渗透水的温度(℃);C——常数,粘土质砂取500～700,纯砂取700～1 000。其中d10采用0.093 mm(通过沿线砂性土颗分试验统计取得),计算出渗透系数为7.0×10-3cm/s,可根据该渗透系数安排抽水试验。

3.1 计算模式说明

(1)潮河砂性土渠段,渠基和渠坡的地层以粉砂、细砂及砂壤土为主,岩性相近,不同岩性之间水力特征差别不大,因此,抽水试验为试验段的混合抽水试验,反映的是试验段的综合渗透系数。

根据潮河砂性土渠段含水层的地质结构、水文地质特性,按试验段长度和含水层厚度的关系分为完整孔和非完整孔两种情况;根据抽水试验时流量、水位与时间的关系,主要采用规范推荐的稳定流抽水试验,即流量与水位降深在规定的延续时间内不随时间而变化,同时相对稳定,按裘布依的基本公式或推导的公式计算渗透系数。

(2)水文地质参数计算包括稳定流抽水试验获得的渗透系数K与影响半径R。并对不同计算方法计算的K值进行分析比较,提出建议值。

3.2 抽水试验计算与分析

场区地下水一般为第四系松散层孔隙潜水,对各组抽水试验按含水层厚度、试验段长度选用符合实际情况,适用边界条件的不同公式分别对该组抽水试验进行了比较,通过分析最终选用了较为合理的计算公式。

(1)多孔完整孔抽水试验 首先选用公式①计算:

式中:K——试验岩土层的渗透系数(m/s);Q——注入流量(m3/s);H——含水层厚度(m);S1、S2——观测孔降深(m);r1、r2——观测孔距抽水井距离(m)。

计算出的渗透系数与多孔抽水试验公式②计算出的影响半径不符时,舍弃观测孔资料,采用单孔潜水完整孔试验公式③计算。

式中:R——影响半径(m);其它符号意义同①。

式中:S——抽水井降深(m);r——抽水井半径(m);其它符号意义同①。

(2)多孔非完整孔抽水试验 首先选用公式④计算:

式中:l″=l0-0.5(S1+S2);l0——钻孔揭露含水层厚度(m);其它符号意义同①。

计算出的渗透系数与多孔抽水试验公式②计算出的影响半径不符时,舍弃观测孔资料,采用单孔潜水非完整孔试验公式⑤计算。

式中:Q——注入流量(m3/s);l——钻孔揭露含水层厚度(m)。

经过计算(成果见表3),潮河段砂性土的渗透系数K值范围值为1.12×10-4～1.77×10-2cm/s,绝大部分属中等透水,其量级以10-3cm/s为主。与黄淮地区砂土渗透系数经验值和渗水试验成果接近,能够客观的反映本渠段砂性土的渗透性及其变化。

表3 抽水试验计算成果表Table 3 The calculation of borehole pumping test

4 结语

(1)通过现场13组水文试验的统计分析(剔除个别异常值),南水北调中线工程潮河渠段砂性土的渗透系数K值范围值为1.12×10-4～3.17×10-2cm/s,绝大部分属中等透水,其量级以10-3cm/s为主。本次水文试验的计算结果为该段南水北调工程的施工排水提供了最基本的依据,通过局部段的施工验证,该渗透系数具有很好的指导意义。

(2)单环渗水试验能较好的反映了表层砂性土的渗透性,但试验土层埋藏较深时,试坑开挖及人员安全难以保证。

(3)钻孔常水头注水试验在砂性土中进行试验时,由于地层本身颗粒较细,易造成“井阻”现象,影响试验结果。

(4)抽水试验井径较大,利于负压和水泵洗井;抽水试验历时长,利于含水层透水通道的冲洗和打开;抽水试验与施工排水都是对含水层的疏干,过程相似,与工程实践结合较好。

[1] SL373—2007,水利水电工程水文地质勘察规范[S].

[2] SL320—2005,水利水电工程钻孔抽水试验规程[S].

[3] SL345—2007,水利水电工程注水试验规程[S].

(责任编辑:胡立智)

Comparative Analysis of Hydrological Exper iments in Chao River Section of the Middle Route South-to-NorthWater Transfer Project

WANG Guisheng,ZHOU Zidong,LIANG Hong
(Henan Water PowerConsulting Engineering Co.,L td.,Zhengzhou,Henan450008)

Based on there kinds of in-situ hydrological experiments,the hydrological characteristics of sand and sandy loam are obtained in Chao river section of the Middle-route of South-to-North Water Transfer Project,respectively.Through comparison and analysis,the reliable hydrological parameters for the sand layer are obtained,which provide a dependable reference for design and construction.

middle route South-to-North water transfer project;hydrological exper iments;per meability;comparative analysis

TV68;TV221

A

1671-1211(2010)05-0538-03

2010-07-10;改回日期:2010-09-13

王贵生(1978-),男,工程师,岩土工程专业,从事工程水文地质勘察与水利工程施工工作。E-mail:WGS9702@163.com