多孔稳定流水文地质抽水试验在南水北调工程的应用

□李永清（安阳县水务局）

1 施工背景资料

南水北调中线一期工程总干渠潮河段南起新郑市梨园乡冯庄村，向东经航空港区，全长45.85 km。由于招标阶段所提供的地质水文资料达不到施工期所需的精度要求，为指导降水施工，确定经济合理的施工方案，决定进行多孔稳定流抽水试验。本次抽水试验所在的第四施工标段的渠段总长度为6 km。本施工标段地下水开采深度范围内地质结构有土岩双层结构、粘砂多层、粘砂双层和粘性土均一结构等4种，地层为第四系松散层。岩性为砂壤土、细砂和黄土状壤土。包括魏家村、耿坡、教场王和桓村～三官庙等4个地质段，为河谷平原和松散土覆盖山岗地，地势较为平坦。施工标段地下水主要储存于黄土状中粉质壤土、黄土状轻壤土、重砂壤土和细砂层中，是第四系松散层孔隙水。地下水来源主要为侧向径流补给和大气降水入渗补给，以人工开采及侧向径流排水为主。

2 抽水试验方案

2.1 孔位布置

为了能够掌握工作区地段相对真实客观的水文地质参数，本次工作计划在区内第四系潜水含水层中安排4组抽水试验，分别位于桩号 152+365（ZJ1）、153+890（ZJ2）、156+000（ZJ3）、158+000（ZJ4）处。

根据工作区内地层分布情况，初步计划每组抽水试验布置抽水主孔1眼，沿渠道方向和垂直于渠道方向各布置两条观测线，每条测线上3眼观测孔，共6眼观测孔，具体配置情况视现场条件而定。抽水主孔孔深25～28m，观测孔每眼孔深与主孔相同，每组总进尺约196m。文章着重介绍第2组抽水试验情况。

2.2 成井施工

2.2.1 施工工艺流程

测放井位→钻机就位→钻孔→清孔换浆→井管安装→填砾→洗井→置泵试抽水→正常抽水试验。

2.2.2 施工程序及技术质量要求

井位测放：按照井位设计平面图，根据现场要求控制座标测放井位；钻机就位应平稳牢固，勾头、磨盘、孔位三对中；钻孔采取反循环成孔。钻进过程中，垂直度控制在1%以内，钻进至设计深度后方可终孔；清孔：终孔后应及时进行清孔，确保井管到预定位置；下井管：下管过程中要求在适当部位安装扶正器，以保证滤水管、井壁管居中。井壁管、滤水管进入现场对照合格证进行检查验收，复测其实际长度，认真排管，将沉淀管牢固封底。清理井底沉淀物，复测井深，泥浆适当稀释。准备工作完成后，方可安装井管。井管安装时，孔内井管上口保持水平，吊装在井孔的中心，并在井管上分段设扶正木，防止井管碰撞井壁造成井管损伤事故，井管安装严格按排管顺序进行。成孔后填砾料：用塑料布封住管口。填砾时应用铁锹铲砾均匀抛撒在井管四周，保证填砾均匀，密实。滤料直径以含水层颗粒直径d5060的平均值经过计算后控制，根据计算结果初步确定填滤粒径和级配，备料时可根据观测孔钻进情况进行调整，填滤厚度在10～20 cm之间。下入观测孔井管后，用静水快速投滤法（或导管投滤法）将已按要求掺和准备好的滤料投入井管与孔壁之间的环隙中，直至超过过滤段3m以上，注意每次填料时套管起拔高度不能超过1m；洗井：填砾和粘土结束，应立即洗井，可采用大泵量的潜水泵进行洗井，洗井要求破坏孔壁泥皮，洗通四周的渗透层。置泵抽水：洗井抽出的水浑浊含砂，应沉淀排放，当井出清水后，进行抽水泵安装，以待抽水试验。

2.3 抽水试验设备

为满足抽水试验要求，采用安装有调节水量的控制阀的潜水泵进行抽水；水位观测使用万用表电测法。流量观测采用水表和堰箱，观测前首先要校核观测尺精度，并指定专业人员现场负责指挥，为消除时间上的误差，观测孔和抽水主井每次观测宜按同一时间进行量测。

3 抽水试验工作概况

3.1 设备整理

抽水试验前，首先应对抽水设备进行调试，最大水位降深应满足要求；对计量水表、计量容器规格进行测试和测量；准备好铅笔、记录表、水位仪、测量仪、钢卷尺等工具；对抽水孔水位宜在抽水孔外利用观测管进行观测；对井口标高进行测定；对量测结果进行复测和标定。

3.2 流量和水位观测

首先要对原始水位进行观测并记录，利用潜水泵抽水，电测水位计观测静、动水位，水表计量涌水量，秒表计时，确保抽水试验延续时间>8 h，相对稳定抽水时间8 h，水位恢复至稳定水位,水位观测值应精确到1 cm，水表读数应精确到0.10m3，秒表读数应精确到0.10 s。

3.3 抽水试验

为了检查抽水设备和了解单井出水量，井内布置了1台8.0m3/h的潜水泵，其扬程为30m。抽水8 h后ZJ2井水位趋于稳定，继续抽水6 h后停止抽水，10 h后ZJ2井水位恢复至原静止水位。至此共计24 h的试验性抽水结束；各井井水位采用电测水位计进行量测，量测前分别校核各个观测尺，现场由专业指挥人员专门负责指挥，为避免时间引起的误差，宜采用在同一时间进行各次各井的观测。

试抽结束后，开始正式进行多孔稳定流抽水试验。试验时每组试验采用3组降深，现场记录流量及水位变化，并及时绘制s-t、Q-s曲线、s-lgr曲线，以便发现问题并及时处理。

4 抽水试验参数计算

4.1 参数计算公式的选择

本次试验为多孔稳定流抽水试验（一个抽水孔，多个观测孔）。在进行水文参数计算时，以观测孔的水位为主，故抽水孔内的水跃现象不会对渗透系数K和影响半径R的计算结果造成影响，基本保证计算结果的准确性。由试验井结构类型及地层情况可知，ZJ1抽水试验属潜水完整井抽水试验类型，并且试验结果中三s-lgr曲线可以连成直线，按照《水利水电工程钻孔抽水试验规程》（SL320－2005）中6.2.2条的规定，在多孔抽水试验计算过程中采用了规范中提供的附录B表B-2和附录F中的公式来计算渗透系数K和影响半径R。

式中：k—渗透系数，m/d；Q—抽水量，m3/d；H—含水层平均厚度，m；r1、r2—第一个观测井、第二个观测井与抽水井的距离，m；S1、S2—第一个观测井、第二个观测井水位降深，m；R—影响半径，m。

4.2 抽水试验成果整理与计算

根据153+890段内布置的抽水试验井ZJ2所在段内及周边含水层岩性为砂壤土和砂质粘土岩，0～13.35m为砂壤土，13.36m为砂质粘土岩，渗透性差，可视为相对的隔水底板，因此该段抽水试验类型属于潜水完整井抽水试验，抽水试验主井井口高程127.87m，地下初始水位埋深12.49m（从井口计），地下水位以下设置滤水管，并在井底留有2m的沉淀管。

根据井孔的水文地质条件，在153+890段进行3个落程的多孔稳定流抽水试验，3个落程抽水量分别为2.40 m3/h，4.65m3/h，7.10m3/h，各落程累计时长3000min，水位相对稳定时间超过8 h，满足试验要求。

5 试验结论及施工方案

通过本次抽水试验，基本查明了试验段内水文地质结构及水文地质参数情况，得出的结论如下：153+890段潜水非完整井ZJ2抽水试验中，利用观测孔的数据计算出的渗透系数K值为0.73～1.86m/d（8.56×10-4～1.54×10-3cm/s），平均值为 1.04 m/d；影响半径R值为15.25～45.88m，平均值为30.56m，渗透性较弱中等；在渗透系数与影响半径数值的选取上，推荐选用平均值来代表整个试验段的综合渗透系数与影响半径；抽水试验过程中观测到的最大主井降深为7.90m，此时主井的抽水量为8.50m3/h，在降水方案设计时应考虑此次试验中流量与降深的关系，根据试验情况及时将方案调整为：水泵需选型号为175QJ10-40/3流量10m3/h扬程35～44m潜水泵，水泵功率2.20W，水泵工作效率因数0.90，则水泵有效出水9m3/h。降水井布置渠道两侧，单排井间距30～31m，基坑长度按照渠道500m一个施工单元考虑，两侧共需布置降水井33眼。

6 实际效果

根据该抽水试验成果，施工时及时调整了降水井及现场动力配置，若按照招标提供的水文地质参数进行施工方案的确定，工程建设期的降水费用将达到1550万元，按照本抽水试验结论参数进行方案调整，实际工程建设期降水费用为980万元，节省施工成本570万元，同时保证了渠道施工质量总工期和施工质量。