稳定流抽水试验渗透系数的对比分析

王 烈，李开超

(1.内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017000;2.机械工业勘察设计研究院，陕西 西安710043)

在地下水埋藏较浅地段，地下车站、区间隧道施工受地下水影响非常大，若工程降水不当，极易造成边坡和围岩失稳，引起工程安全事故，而合理的工程降水设计，是以准确的水文地质参数为基础的。对西安地铁四号线火车站车站稳定流抽水试验结果进行全过程、多方法分析计算，剔除异常计算值，对含水层渗透系数进行综合性评价。

1 试验场地工程地质概况

试验场地位于太华南路和自强东路交叉口西北角，场地地貌属于洪积二级台地，场地地形平坦、开阔。主要含水层为黄土、粉质粘土层，试验场地附近没有施工降水及地表水的影响。根据钻探结果，抽水井在试验深度范围内主要地层有4层，观测井地层与抽水井地层一样，地层结构见图1。

图1 抽水井地层结构

2 抽水试验方案设计

根据场地含水层埋藏条件及地层岩性特征，本次采用潜水完整井稳定流数学计算模型。本次试验共布设钻孔(井)7个，其中抽水井1个，观测孔6个，观测孔沿水流方向及垂直水流方向各布置3个，孔间距为10m，根据“孔深越过拟建线路底板深度不小于5m，尽量是完整井、最大落程满足基底下1.0～1.5m降深要求”的原则，抽水孔和观测孔深度均定为40m。抽水孔孔径为800 mm，成孔后下入外径600 mm的混凝土滤水管，井壁与管壁的环形间隙投入优质砾石，投砾石时实际砾面测量和计量同时进行，投砾石至孔口以下3m，其上至井口段的环状间隙填充黏土以封堵止水。观测孔孔径为600 mm，成孔后下入外径500 mm的混凝土滤水管，井壁与管壁的环形间隙投入优质砾石，投砾石时实际砾面测量和计量同时进行，投砾石至孔口以下3m，其上至井口段的环状间隙填充黏土以封堵止水。

抽水试验设计为3个落程，大落程为抽水试验的最大降深(约24m)中落程和小落程分别为最大降深的2/3和1/3[6]

试验前首先测定抽水井和观测井的静止水位，稳定时间不小于8 h，从小落程到大落程逐次进行抽水试验，做下一落程试验前须等静水位恢复到试验前静止水位。试验时对抽水井、观测孔水位同步进行观测，试验开始和结束均按照在第 1～6、8、10、15、20、25、30 min 观测水位和流量的要求进行。抽水试验稳定时间的长短，直接关系到抽水试验质量和资料的可用性。根据现场实际情况，大、中、小落程抽水试验稳定时间分别定为 24、16、8 h。

本次试验完成了三次降深，每次抽水降深对应的数值见表1。

表1 抽水井与观测井稳定降深

3 多种方法计算渗透系数

3.1 单井法计算渗透系数

各种规范、手册所推荐的单孔(抽水井)计算渗透系数公式虽表达形式不同，但最终计算结果相差较小。采用单孔法计算渗透系数，补给半径的预测对计算精度的影响最为关键。本文渗透系数求取采用《抽水试验规程》(YS5215－2000)5.3.8推荐的公式:

式中:k为渗透系数;Q为抽水井涌水量;H为含水层厚度;S为抽水井水位下降值;R为影响半径;r为抽水井半径。

根据场地周边抽水试验资料及表2.1，分别取第一、二、三次降深引用补给半径为60m、70m、80m，则分别计算的等效渗透系数分别为:1.98、1.19、1.17。

3.2 利用观测井计算渗透系数

利用观测孔计算渗透系数主要分为利用一个观测孔和利用两个观测孔。普遍认为该方法计算简单，精度较高，比较可靠的一种方法。

利用两个观测孔计算渗透系数公式:

式中:S1、S2为水位下降值;r1、r2为距抽水孔距离。

若利用一个抽水孔和一个观测孔计算时，只需将取为过滤器半径。计算时分垂直水流方向和平行水流方向，分别选取垂直水流方向观测孔两两组合和平行水流方向观测孔两两组合进行计算，将计算结果列于表2。

表2 利用观测孔计算值

3.3 考虑井损计算渗透系数

在抽水试验过程中，经常会发现主井的降深超过20m，而在距主井附近的观测井的降深有时不超过1m，小降深抽水试验井损还不明显，而对于大降深的抽水试验，井损是相当明显的，而工程上经常会遇见降深较大的情况，所以，笔者在抽水试验时，在距离抽水井10 cm边上布置了井损孔，同时测量了井损孔的降深，本文在计算过程中考虑了井损，对抽水井降深进行修正后。再采用(1)计算公式计算渗透系数(详细论述见“多种计算方法确定黄土渗透系数的误差分析”)。分别取第一、二、三次降深引用补给半径为60m、70m、80m，则计算的等效渗透系数分别为:4.10(m/d)、2.84(m/d)、2.27(m/d)。

3.4 水位恢复法计算渗透系数

当利用水位恢复速度计算渗透系数时，可在停止抽水后，降落漏斗逐渐恢复，从表示开始抽水到选定某一时刻为止的延续时间，t表示停止抽水后到选定时间的时间间隔，则渗透系数宜按式(3)计算，求出一系列与水位恢复时间有关的数值后，则可作k=f(t)曲线，根据此曲线，可确定近于常数的渗透系数值，如图2。

图2

采用(3)公式，分别计算出第一、二、三次降深对应的等效平均渗透系数分别为2.54(m/d)、3.17(m/d)、3.82(m/d)。

4 结论及建议

通过单孔抽水计算方法、利用观测孔计算方法、消除井损计算法和水位恢复法对西安某地下车站段稳定流抽水试验结果进行分析计算，通过上述几种方法的计算比较，可以得出如下结论:

(1)采用多种计算方法，基本可以确定该段黄土等效渗透系数范围在3.0～5.0(m/d)。

(2)单孔抽水试验计算出的渗透系数偏小，与实际情况偏差较大。

(3)利用观测孔计算方法得到的渗透系数与实际情况较为符合，水位恢复法可以作为参考。

(4)黄土层中较大落程抽水井损是比较明显的，在水文地质参数求取时应该考虑井损对参数的影响。

(5)在求取岩土渗透系数时，应对各个抽水试验的过程进行分析计算，综合确定水文地质参数，以免单个计算公式造成较大的误差。因此，在进行渗透系数等水文地质参数计算中，采取多种方法综合分析，可有效提高测试结果的准确度。

[1]地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范(GB50307－1999).

[2]铁路工程水文地质勘察规程(TB10049－2004，J339－2004).

[3]供水水文地质试验规范(GB50027－2001).

[4]抽水试验规程(YS5215－2000).

[5]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].铁道勘察 2010，6:34 －36.

[6]DLJ203—81，水利水电工程钻孔抽水试验规程[S].