厦门海底抽水试验水文地质参数分析

王瑞芳，匡建平，张中信，马野

（1武汉科技大学 城建学院土木系，湖北武汉 430065；2中南勘察设计院勘察中心，湖北武汉 430070）

0 引言

随着社会经济和交通通行的发展，地铁、海底隧道、长江隧道等相继开工，需要确定含水层的水文地质参数如渗透系数、导水系数、影响半径等参数，为设计、施工提供参数。目前，确定水文参数的方法很多，马晨光[1]提出用观测孔水位恢复公式和等代大井联立求解基坑潜水含水层渗透系数和影响半径，且与实际情况接近；李术才等[2]以青岛胶州湾海底隧道工程为背景，通过数值计算、模型试验与现场监测数据分析等手段相结合的方法，对海底隧道建设期涌水量的预测进行了研究，得出合理的渗透系数；徐杨青等[3]对长江I级阶地含水层的水文参数进行了分析，得出了相应的基本规律和特性；赵琳琳等[4]结合长春地铁一号，采用多种方法来确定含水层的水文参数；王辛[5]等以三门湖抽水试验为依据，对稳定井流理论的裘布依模型和非稳定流理论的泰斯模型进行了分析对比。

以上研究方法主要是针对静水位的抽水试验进行的，徐超[6]虽然对厦门东通道陆域、海域的水文参数进行了计算，但并未考虑海水潮汐的作用影响。本文通过厦门第二东通道的海域砂层抽水试验，考虑海水潮汐作用来确定海底砂层的水文参数。

1 工程简介

厦门第二东通道工程，是拟建的厦门第二西通道工程的东延伸段。项目起点位于厦门本岛北部埭辽水库东侧，在翔安侧刘五店村登陆，下穿拟建的滨海东大道，并设置互通式立体交叉与其衔接，项目终点位于在建的翔安大道互通西侧。为使该项目顺利进行，需查明拟建项目场地的水文地质条件，提供含水层的水文地质参数（渗透系数、影响半径等），为设计施工部门提供可靠的依据，图1为海域部分水文试验点示意图。

图1 厦门海域部分水文试验点

2 试验场地地质情况及抽水试验布置

2.1 工程地质条件

由勘察报告数据[7]，对于地层概化如下：①新近填土：岩性主要为填土及填筑土；②层隔水黏性土层：主要为淤泥、淤泥质土、粉质黏土和黏性土；③含水砂层：岩性主要为细、中、粗、砾砂；④基岩：岩性为花岗岩，该层分为④-1全风化花岗岩、④-2强风化花岗岩和④-3中风化花岗岩。

2.2 水文地质条件

厦门潮汐属正规则半日潮，抽水试验期间拟建场地潮汐最高水位为6.14m，最低水位为0.13m，潮差为2.11～6.01m。各类地下水主要接受相邻含水层的侧向补给及海水的下渗补给，并向海域低洼方向渗流排泄。抽水试验前对地下水进行静止水位观测，观测结果对比潮汐表表明：地下水静止水位与海水水位呈周期性变化。

2.3 抽水试验

该次抽水试验采用一艘500t的船泊浮式钻探平台，XY-200钻机，潜水泵型号为100SD0-90/1.1（图2）。试验以抽取含水砂层、强风化花岗岩的两组试验，本文以抽取含水砂层的试验来分析其渗透系数。在砂层抽水试验中，设抽水主井（ZJ1）1个，同层观测井（GC1、GC2）2个，观测井至抽水主井的距离分别为3m、10m，如图2所示。其中：抽水井外管采用219mm套管至砂层内约5.5m，在孔内钻180mm孔径至粉质黏土约1.0～1.5m，在孔内下146mm花管至粉质黏土内约1.0m；观测井外管采用146mm套管至砂层内约5.5m，在孔内钻130mm孔径至粉质黏土约0.5m，在孔内下146mm花管至粉质黏土顶面，试验布置如图3所示。

图2 海上抽水试验

图3 砂层水文试验井安装示意图

抽水试验流量以水表测量为主，基岩水位值由自动数显液位计测量为主，以获取准确真实的试验资料。

3 抽水试验曲线

砂层抽水试验一共分为三个落程，根据自动数显液位计测量的四个通道（可分别测定抽水井、观测井1及2、海水水位）、时间表等工具记录的数据，绘制曲线如图4—图7。

图4 砂层第一组降深、第二组降深s-t过程曲线

图5 砂层第三组降深s-t过程曲线

图6 流量-降深曲线

图7 砂层静水位与潮汐水位降深-时间曲线

从以上曲线可以看出：

（1）试验期间，当砂层含水层抽水时，水位在起始阶段快速下降，其后逐渐趋于平缓，离抽水区域近的观测井承压水位降深大，位置相对较远的观测井承压水位降深小；（2）砂层三个降深随着时间的变化，潜水动水位及静水位和潮汐水文基本同步波动，砂层潜水直接受海水潮汐水位控制，补给源和海水有很密切关系；（3）根据三个落程的流量-降深曲线，近似成线性关系；（4）在抽水试验过程及恢复过程中，观测孔及主抽水井中水位在某时间段内水位略高于海水水位，这是由于系统误差造成的。

4 水文地质参数求取

判断抽水是稳定流和非稳定流的方法：正式抽水前，静水位观测应每30min观测一次，2h内变幅不大于2cm，且无连续上升或下降趋势，可视为稳定[8]。本文根据稳定流和非稳定流来计算砂层的水文地质参数。

4.1 稳定流理论的裘布依模型

4.1.1 按单孔抽水井试验确定

依据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》附录8，利用抽水井水位下降资料，计算单孔稳定流潜水非完整井渗透系数K及影响半径R，计算公式如下：

根据抽水试验数据，整理出计算结果如表1所示。

表1 砂层抽水试验数据

其中：r2为观测井到抽水井的距离（m），rw为抽水孔内径（m），Sw为抽水井落程 （m），S1、S2为第一、 第二观测井落程（m）。

计算得出：第一降深，渗透系数K=5.54m/d，影响半径R=35.13m；第二降深，渗透系数K=7.17m/d，影响半径R=93.68m；第三降深，渗透系数K=9.85m/d，影响半径R=67.70m。

综合以上，得砂层的渗透系数为7.52m/d，影响半径R=65.50m。

4.1.2 按单孔抽水井加一个观测井试验确定

（1）按单孔抽水井加第一观测井试验确定

计算得出：第一降深渗透系数K=5.06m/d，第二降深渗透系数K=3.42m/d，第三降深渗透系数K=6.94m/d，综合得砂层的渗透系数为5.14m/d。

（2）按单孔抽水井加第二观测井试验确定

计算得出：第一降深渗透系数K=5.00m/d，第二降深渗透系数K=2.86m/d，第三降深，渗透系数K=6.14m/d，综合得砂层的渗透系数为4.67m/d。

4.1.3 按单孔抽水井加二个观测井试验确定

计算得出：第一降深渗透系数K=4.72m/d，第二降深渗透系数K=3.70m/d，第三降深渗透系数K=5.85m/d，综合得砂层的渗透系数为4.76m/d。综合三种方法，得砂层的渗透系数为5.65m/d。

4.2 非稳定流理论的配线法

抽水井和观测井的水位变化随海水潮位变化而处于周期性变化，严格来说，海底砂层抽水属于非稳定流。采用配线法计算非稳定流抽水试验的水文地质参数，相比于陆上抽水试验，海上抽水试验水位变化受海水潮汐影响较大，因此考虑主井、观测井降深宜扣除潮汐水位的波动变化。观测井水位变化受海水位变化影响较大，不能直接反应含水层水位的变化，因此采用主井抽降s-t曲线。根据蒋辉[9]的方法和步骤，方法为标准曲线和实际数据点的拟合：根据试验数据绘制的曲线制作好插图，插入调节图片大小，插入到1/u-Wu)双对数坐标标准曲线中，选中插图，通过操作键盘的“上下左右”按键，平行移动2个坐标轴，实现实际数据点曲线与标准曲线吻合。绘制三次抽降的s-t曲线如图8所示。

图8三次降深非稳定流拟合lgt-lgs曲线

图8 中，横坐标为lgt，纵坐标为lgs，t为抽水开始起的时间，s为降深，由三次降深抽降拟合曲线上可看出，第三降深拟合效果较好，拟合计算数据如表2所示。

表2 三个降深的非稳定流的水文地质参数

表2中， t为抽水时间（min），s为主井的降深（m），u为承压含水层贮水系数，T为承压含水层导水系数，Q为稳定流的抽水量（m3），K为渗透系数，=T/M，M为含水层厚度（m），根据试验数据和图3，M=3m。根据《水利水电工程钻孔试验规程》[8]计算渗透系数的公式及第一降深数据为例来计算水文参数：

按相同的方法及表1、表2数据，可得三个降深的渗透系数和影响半径。综合，海上砂层抽水试验属于非稳定流，而非稳定流中第三降深的曲线拟合最好。

5 结语

本文依据厦门第二东通道海底砂层的承压完整井抽水试验数据，绘制出三个落程的降深-时间等关系曲线，并得出相应的规律。结合稳定流的三种计算方法和非稳定流计算方法，分析了厦门海底抽水试验，对承压完整井有两个观测孔的海上抽水数据处理过程进行了探索，得出的渗透系数是真实可靠的。

海底抽水试验严格来说，属于非稳定流抽水试验。采用1/u-W(u)双对数坐标标准曲线来确定含水层的水文地质参数比稳定流理论的裘布依模型理论确定值更加符合工程实际。

由于试验的单一性和场地的局限性，所得的结论具有一定的区域局限性，仍需要更多的现场试验进一步验证本文提出的结论。