三点法测定地下水流向的技术方法

吴炳富

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 引言

水工建筑物多数为挡水建筑物，其基础通常设置在地下水位以下的地层中，如水库大坝基础、水闸基础、泵站基础等。在基础建设前，首先要进行基坑开挖施工。在地下水位以下开挖基坑，尤其是在地下水丰富的地层开挖基坑，开挖前往往要先进行围堰导流、在地下水补给上游进行截渗施工、再进行施工降水等前期工作。进行截渗、降水等施工首先要了解施工区域地下水水文地质参数，如地下水含水层厚度、赋水量、渗透参数、水力参数以及地下水补给方向等。无论是地下水截渗施工还是施工降水，掌握施工区域地下水补给方向对截渗和降水施工十分必要。通常地下水分为表层滞水、潜水和承压水等。在具有丰富的潜水或层压水的建设区域里，基坑开挖通过围堰截流方式进行施工是达不到目的的，围堰截流只能截住地表水，却截不断深层地下水。本文通过安徽省新建怀洪新河工程和涡河近期治理工程等水利工程建设前期的水文地质勘察的实践，总结“三点法”测定地下水流向的技术，用此技术为多个水利工程建设项目的节制闸（如山西桩节制闸等）、泵站（如淮南应台孜泵站等）和枢纽（如亳州大寺枢纽等）水工建筑物的截渗施工和降水施工，提供较可靠的地下水水文地质参数。

2 “三点法”测定地下水流向的技术

用“三点法”测定地下水流向的理论是比较成熟的，但是在实施过程中要到达理想的结果并非易事。关键取决于对每个实施过程环节技术指标的运用以及关键部位技术参数和方法的选用。

2.1 观测井井点设计和观测井结构设计

在进行井点和井结构设计时，应先对施工现场的地形地貌进行详勘，并在充分掌握施工现场水文地质资料和建设工程的有关技术参数的基础上进行设计。

观测井井点布局设计：利用施工场地的大比例地形图（如1∶2000或1∶1000等），在计算机上进行井点设计布局。以拟开挖基坑为中心，在地形图上作一个等边三角形，等边三角形边长根据开挖基坑面积和场地平整条件来定，一般取50～150m。等边三角形三个顶点为观测井井点。观测井结构设计：井点口径（直径），松散地层大于或等于200mm；岩层大于或等于150mm。钻井深度，松散地层孔深一般为基坑开挖深度1.5～2倍；岩层深度进入完整基岩1～2m。井内安装不透水的盲管和透水的滤水管（两种管同径），管外径均取108～127mm。滤水管采用包网或缠丝过滤器，其孔隙率大于或等于30%，滤水管最下端设置2～3m的盲管作沉淀空间。井壁与井管外侧空间填入滤水材料：当砂土类含水层不均匀系数Cu＜10时，滤水材料的D50=（6～8）d50；当碎石土类含水层d20＜2mm时，滤水材料的D50=（6～8）d20；当碎石土类含水层d20≥2mm时，滤水材料的粒径应为10～20mm，并且上述滤水材料不均匀系数均为Cu≤2。

2.2 观测井施工设计与地下水渗径疏通

在地下水资源丰富的区域进行钻探施工应充分考虑地下水给钻孔和建设场地地基带来危害（层压水产生管涌的渗透变形等）。选择成井工艺应充分考虑众多不利因素，以确保钻探施工和建设场地地基安全。成井工艺通常考虑：钻探机械和泥浆泵的选型；泥浆冲洗液的比重、粘度等性能指标的选择；滤水材料的粒径和颗粒级配的选择；滤水网布密度的选择；钻探过程的可钻性和泥浆泵压力参数的选择等。在众多成井工艺选项中，多数匹配技术指标均可以从相关的地质手册和规范、规程中获得。但钻探过程在承压水头高出地面的场地条件下选用泥浆冲洗液比重、粘度性能指标与钻探地层匹配关系尚未成熟，需要通过运用施工经验来解决问题。泥浆性能指标是敏感性很强的指标，在高承压水下进行钻探成井，泥浆比重作为泥浆性能重要指标之一，往往要精确到百分位，否则很难提高成井率和成井质量。通过试验比较：对稍密状态的中砂地层在一定的承压水头下进行成井钻探，在其他条件相同情况下，配制泥浆比重1.20和1.30分别用于成井钻探，成井结果截然不同。泥浆比重1.20用于降水井钻探时，钻孔裸眼静浆时间不超过30min，10min内孔壁泥皮局部就受到地下水水平渗透压力的剪切破坏而脱落，接下来不超过20min孔壁砂层就开始坍塌、掉块，并沉入井底使井深变浅，井壁由原来的圆柱体变形为不规则的曲面体，致使井内无法安装井管，从而导致井眼报废；若配制泥浆比重1.30用于降水井钻探，裸眼钻孔能维持3h不变形。接下来安装井管、回填滤水材料等工序都能在3h内完成，这样既保证了井壁圆正又保证了成井的质量。当然，配制泥浆比重过大，粘度也随之增大，井壁泥皮增厚，维持裸眼钻孔时间更长，但是裸眼井壁虽然稳定，安装井管、回填滤水材料等工序安全顺畅，孔内故障少，但泥浆稀释难度大，洗井的时间长，井壁外侧水跃值高，不利于地下水位的观测。在这种特殊水文地质条件下进行降水井钻探施工，后者的作用显得特别重要。通过对在不同的地层、不同的承压水头下进行成井钻探，所选用不同的泥浆比重和粘度指标并获得预期成果的水文地质资料进行了汇集和整理，并分组进行数理统计。对同一地层在不同的承压水头条件下钻探与所选用的泥浆比重和粘度指标建立相关关系，且在后续的类似项目中对此相关关系加以验证，并证明是行之有效的。

确定成井工艺技术指标后，按适用的钻探规程要求完成观测井成孔、安装井管（井管安置孔中央、滤水管安置在透水层中）、填入滤水材料后（松散地层井壁与井管外侧空间填入滤水材料宽度≥40mm），进行地下水渗径疏通。疏通地下水渗径采用井内降低水位的方法，使井内外地下水形成水压力差，导致井外地下水源源不断地向井内渗入，达到疏通因井成施工致使井壁周围地层被挤压或泥浆堵塞地下水渗径的目的。井内降低水位可以使用水泵提水或人工提水，提水过程中应根据井内水位恢复情况，进行地下水渗透灵敏度试验，直到确认地下水渗透性符合适用技术标准要求，方可停止地下水渗径疏通工作。

2.3 地下水位观测和数据分析

对观测井实施水位观测前先要进行群井同时抽水，以确定各井之间地下水水力联系密切情况，为后续水工建筑物基础施工提供必要的参数。一般群井抽水与水位观测以周期性衔接，群井抽水结束后等井内水位恢复稳定后记录各井稳定水位的高程。重复三次以确定各井某一时刻彼此水位稳定情况。由于地下水是从高水位向低水位进行渗透，渗透中水分子与地层颗粒之间产生摩擦要消耗水分子的内能，所以地处地下水上游的观测井的水位要比地处地下水下游的观测井水位高，由此可以初步确定地下水大致的流向。

2.4 等水位勘测

地下水大致流向确定后，以两个不同井的水位高程值为标准值，根据地下水大致流向设定两条不同水位的假设等水位线。沿着两条等水位线分别再布置两个观测孔并进行施工埋设（一般不会一次假设成功，往往要经过多次），通过观测孔内水位高程值以确定其水位高程值与标准值的偏差，根据偏差情况再重新纠偏位置，布置观测孔，再进行施工埋设，直到观测孔内水位高程值与标准值相等或相接近为止。

图1 地下水流向示意图

2.5 地下水流向确定

四个观测孔的位置被确定后，将其位置绘制在原先确定等边三角形的地形图上并绘制等水位线，理论上两条等水位线应是平行的。绘制出垂直于等水位线且由高程大值指向高程小值的方向线，该方向线为地下水渗流方向，见图1。

3 结语

地下水流向的测定也可用人工放射性同位素单井法来测定。其原理是用放射性示踪溶液标记井水水柱，让井中的水流入含水层，然后用一个定向探测器测定钻孔各方向含水层中示踪剂的分布，在一个井中确定地下水流向。此法适用于对地下水分析研究的课题，在工程建设方面一般不采用■