基于现场抽水试验的水文地质模型合理概化

常银生，黄 俊，吕 乐，朱伟鑫

(1. 南京市房屋安全服务(鉴定)处，南京 210009；2.南京工业大学 岩土工程研究所，南京 210009；3.江苏南京地质工程勘察院，南京 210041)

地下水给地下工程建设带来诸多不利影响，合理评价场地地下水运动关乎地下工程建设的安全。地下水运动合理描述的关键是获取可靠的水文地质参数。现场抽水试验是获取场地水文地质参数的重要途径[1-2]，此外，水文地质参数反演的准确性还取决于地下水计算模型的合理概化[3]。

传统的水文地质参数确定依赖于抽水试验和地下水流动理论模型，Theis公式[4]、Hantush公式[5]、Boulton公式[6]分别用于描述理想承压含水层、越流承压含水层与潜水含水层中的地下水流动问题。由于场地水文地质条件的复杂性，以及工程建设中抽水井设置的差异性，给水文地质模型的概化带来了困难[7]。尽管数值模拟方法能实现复杂水文地质条件下地下水流动计算及水文地质参数的反演[8-9]，但由于前后处理工作量大等原因，在工程实践中应用并不普及，工程实践中含水层参数反演仍以传统的标准曲线法(配线法)为主[10]。因此，如何概化水文地质条件，合理构建水文地质模型，已成为水文地质参数反演需要解决的重要问题。

本文依托南京地铁行知路站单井抽水试验，通过对场地水文地质条件分析和概化，利用不同的地下水计算模型反演场地含水层系统水文地质参数，通过现场抽水试验实测降深值与模型理论值的对比分析，评价水文地质模型的合理性。

1 场地水文地质条件

1.1 场地含水层系统

南京地铁行知路站南距长江约3.0 km，场地地势较平坦，属长江漫滩地貌单元，第四系覆盖层均为含水层，其赋水性、透水性存在一定差异，根据钻孔揭示的地层结构特征和地下水赋存条件，场区地下水类型主要为潜水、承压水和基岩裂隙水。

(1)潜水主要赋存于近地表浅部①-1层杂填土中，由于杂填土成份复杂，结构松散，极不均匀，其透水性较好、赋水性较差。②-2b4层淤泥质粉质粘土透水性、赋水性较差，属弱透水层或相对隔水层，潜水水位埋深约1.3 m。

(2)承压水主要赋存于场地粉砂、细砂、粗砂等含水层中，分为上下两组含水层，第一组含水层由②-3d-c3层粉砂夹粉土和②-3d2层粉砂组成，该含水层赋水性和透水性较好，厚度大，分布较均匀，水量较丰富，埋深较浅。存在来自上部潜水通过②-2b4层淤泥质粉质粘土的少量补给，属微承压含水层。②-3b3-4层粉质粘土层是良好的隔水层，第二组含水层由粉质粘土层以下的②-3d2层粉砂、②-3d1层粉细砂、②-4d1层含砾中粗砂和②-4e1层圆砾组成，含水层主要为漫滩相全新世沉积土层，赋水性和透水性好，厚度大，分布较均匀，含水层底板为下伏基岩。第二组含水层为承压含水层，承压水水头埋深约2.8 m。

(3)基岩裂隙水(包括风化裂隙水和构造裂隙水)主要赋存于白垩系浦口组K2p基岩的强风化和中风化带中，中风化带岩芯较完整，裂隙不甚发育，且多闭合或充填，赋水性较差；强风化带岩芯较破碎，呈碎块状、砂土状，存在一定的赋水空间，但裂隙方向不一，且裂隙间多被岩石剧烈风化后的泥状残留物充填，并未形成统一的渗流路径，其赋水性较差，存在少量地下水分布。

图1 场地地质剖面图

1.2 地下水补给、径流及排泄方式

潜水的补给来源主要为大气降水入渗补给及地下水径流的侧向补给，以蒸发排泄、地下水径流及人类取水为主要排泄方式。承压水水量较丰富，与江水联系密切，主要补给来源为地下水径流的侧向补给，排泄方式以侧向径流为主，雨季时接受江水的侧向补给与降水的入渗补给，旱季时则向江中渗流排泄。上部潜水层对第一组承压含水层存在少量越流补给。基岩裂隙水(包括风化裂隙和构造裂隙)由于受裂隙分布及相互连通条件的影响，径流不畅，具多变性，一般以侧向径流为主要排泄方式。

2 场地抽水试验

2.1 抽水井设置

抽水试验的主要目的是获得场地浅部含水层的水文地质参数，为基坑降水设计提供可靠的依据。从场地地质剖面(图1)可知，场地含水层产状近乎水平，厚度较均匀。抽水井布设于②-3d-c3层粉砂夹粉土、②-3d2层粉砂中。抽水井孔径300 mm，深度为29.00 m，井管口出露地表约30 cm。井管外径150 mm、内径134 mm，上部(0.00～6.00) m为实管，中部(6.00～27.00) m为滤水管，底部2.00 m为沉淀管，井底端用钢板封死。管外(6.00-27.00) m深度处填充直径(1-2) mm的石英砂作滤水层。管外(0.00-6.00) m、(27.00-29.00) m填入直径(1-2) cm的粘土球并夯实，以防地下水渗漏到试验含水层中。抽水井结构设计如图2所示。

图2 抽水井结构设计图

2.2 抽水试验结果

单井抽水试验由抽水阶段和水位恢复阶段组成，总计历时49 h，抽水量、降深与时间关系如图3所示。试验前期抽水量稍有波动，后期抽水量基本稳定，可简化为定流量抽水试验。抽水试验(0～1500) min为非稳定流连续降深阶段，其中500 min后降深渐趋稳定，单井涌水量为264.72 t/d(11.03 t/h)，水位降深为2.95 m；(1500～2940) min为停抽后的水位恢复阶段。抽水试验结果反映了抽水条件下含水层的地下水流动和水位变化规律，为确定含水层水文地质参数奠定了基础。

图3 抽水试验Q-t和s-t曲线

3 水文地质模型概化

由于试验场地为多层结构含水层系统，水文地质条件的复杂性，给水文地质模型的概化带来困难，直接影响水文地质参数合理反演。

本次抽水试验涉及浅部多层结构含水层系统，若以②-3b3-4层粉质粘土层为隔水层，其上分布的①-1层杂填土、②-2b4层淤泥质粉质粘土、②-3d-c3层粉砂夹粉土和②-3d2层粉砂可以认为是具有不同渗透性的含水层。此外，②-2b4层淤泥质粉质粘土层也可以认为是弱透水层或隔水层，由此可组合出不同水文地质模型。

3.1 承压含水层Theis模型

结合含水层分布和抽水井设置，将②-3d-c3粉砂夹粉土和②-3d2层粉砂假设为承压含水层，上覆②-2b4层淤泥质粉质粘土层与下卧的②-3b3-4层粉质粘土层视为隔水层，则水文地质模型可概化为承压含水层完整井流问题，可用Theis公式描述承压含水层中单井定流量抽水的水头分布，概化的水文地质模型如图4所示。

图4 无越流承压含水层模型

承压含水层抽水阶段水头降深方程[4]为：

(1)

水位恢复阶段的水头降深方程[11]为：

(2)

式中：r为与抽水井的距离，m；t为从抽水开始的时间，d；t'为从停止抽水开始的时间，d；s(r,t)和s'(r,t')分别为距抽水井距离r处t或t' 时刻的降深和剩余降深，m；Q为抽水量，m3/d；T为导水系数，m2/d；S为贮水系数，无量纲。

3.2 越流承压含水层Hantush模型

针对图2给出的承压含水层模型，由于②-2b4层淤泥质粉质粘土的渗透性较差，但并非完全不透水，若将其考虑为弱透水层，上覆①-1层杂填土中的潜水可以通过②-2b4层淤泥质粉质粘土对承压含水层进行垂向越流补给，则水文地质模型可概化为越流承压含水层完整井流问题，概化的水文地质模型如图5所示。

图5 越流承压含水层模型

越流承压含水层抽水阶段水头降深方程[5]为：

(3)

式中：r为与抽水井的距离，m；t为从抽水开始的时间，d；s(r,t)为与抽水井距离为r在t时刻的降深，m；Q为抽水量，m3/d；T为导水系数，m2/d；S为贮水系数，无量纲；B为越流因数，m；D'为弱透水层厚度，m；K'为弱透水层渗透系数，m/d。

3.3 潜水含水层Boulton模型

鉴于①-1层杂填土和②-2b4层淤泥质粉质粘土厚度较薄，且具有一定的渗透性，而下卧②-3d-c3粉砂夹粉土、②-3d2层粉砂属微承压含水层，易形成地下水的互相连通，则可将②-3b3-4层粉质粘土以上含水层统一概化为潜水含水层完整井流问题，如图6所示。

图6 潜水含水层模型

考虑潜水含水层的重力释水和迟后疏干，潜水含水层水头降深方程[6]为：

式中：r为与抽水井的距离，m；t为从抽水开始的时间，d；s为降深，m；Q为抽水量，m3/d；T为导水系数，m2/d；S为贮水系数，无量纲；μ为给水度，无量纲；1/a为延迟指数，d；J0(x)为第一类零阶Bessel函数。

上述分析表明，从不同角度，抽水场地复杂的水文地质条件可以概化为不同的水文地质模型，而不同的模型在描述含水层中的地下水流动上存在一定的差异。因此，只有选择概化合理的水文地质模型，结合现场抽水试验，才能有效反演场地含水层的水文地质参数，合理描述含水层的地下水流动特征。

4 水文地质模型合理性评价

为了分析场地水文地质模型的合理性，以现场抽水试验为基础，结合承压含水层、越流承压含水层和潜水含水层三种水文地质计算模型，利用标准曲线拟合法(配线法)进行水文地质参数反演计算。

4.1 水文地质参数反演

标准曲线拟合法(配线法)在工程实践中得到广泛应用，利用现场抽水试验得到的水位降深与抽水时间的关系，结合Theis模型[4]、Hantush模型[5]、Boulton模型[6]的理论曲线，确定含水层系统非稳定流条件下的水文地质参数。此外，为了充分利用现场抽水试验的水位恢复数据，利用Theis水位恢复公式[11]反演含水层导水系数。三种计算模型下含水层的水文地质参数反演结果见表1。

表1 水文地质参数反演结果

单井抽水试验不仅对抽水含水层的地下水流动产生影响，而且影响场地含水层系统地下水流动。表1显示，不同计算模型反演得到的抽水含水层水文地质参数存在差异。特别是承压含水层Theis模型，由抽水前期(0～500)min和抽水阶段(0～1500)min试验数据反演得出的抽水含水层导水系数T和贮水系数S差异明显。对于抽水试验引起的地下水非稳定流动问题，抽水时间短，抽水对整个场地含水层系统的影响小，此时，抽水试验结果与概化的承压含水层Theis模型有较好的适应性。但随着抽水时间的增加，受场地含水层系统地下水流动的影响，场地地下水流动特征逐渐偏离了承压含水层Theis模型的假设条件，由此影响了反演得到的水文地质参数的可靠性。对比越流承压含水层Hantush模型和潜水含水层Boulton模型，承压含水层Theis模型更适用于基于短期抽水试验的含水层水文地质参数反演，以减小含水层系统对抽水含水层地下水流动的影响。

越流承压含水层Hantush模型考虑了相邻含水层对承压含水层的越流补给，较好地反映了相邻含水层间的相互影响，反演得到的水文地质参数应更具可靠性。潜水含水层Boulton模型考虑了重力释水和迟后疏干作用，反演得到的水文地质参数与越流承压含水层Hantush模型的结果有良好的一致性。由此表明，越流承压含水层Hantush模型和潜水含水层Boulton模型较好地反映了场地含水层系统的地下水流动特性。

对比分析发现，概化水文地质模型时，包含场地所有含水层(抽水影响范围内)的概化模型更为合理，因为能较好反映了场地含水层系统的地下水流动和含水层间的相互影响。越流承压含水层Hantush模型和潜水含水层Boulton模型尽管计算模型不同，但都是由①-1层杂填土、②-2b4层淤泥质粉质粘土、②-3d-c3层粉砂夹粉土和②-3d2层粉砂组成，而承压含水层Theis模型仅有②-3d-c3层粉砂夹粉土和②-3d2层粉砂组成，没有考虑与上覆①-1层杂填土和②-2b4层淤泥质粉质粘土的相互影响，致使在长时间抽水条件下，实际的地下水流动与承压含水层Theis模型地下水流动的差异越发明显，此局限性也得到了短期(0～500)min抽水试验结果的印证。

4.2 水文地质模型的选择

根据不同水文地质模型反演的水文地质参数得到的计算水位降深随抽水时间变化的曲线，如图7所示。现场抽水试验实测数据与模型计算值的对比表明，对于越流承压含水层Hantush模型，无论是在抽水试验前期还是后期，水位降深的计算值与实测数据均吻合良好，由于上覆潜水可以通过弱透水层对抽水含水层产生越流补给，在抽水试验后期，当抽水量与越流补给量达到平衡时，水位降深趋于稳定，较好地反映了场地含水层系统的地下水运动规律，有利于指导工程建设中的场地地下水控制。

图7 抽水试验s-t实测曲线与理论计算曲线

对于承压含水层Theis模型，抽水初期水位降深计算值偏小，而500 min后水位降深计算值逐渐偏大，与抽水试验的结果差异明显，由此说明，承压含水层Theis模型对本场地含水层系统的地下水运动规律的反映不尽合理。

在抽水试验的前期和中期，潜水含水层Boulton模型计算结果与越流承压含水层Hantush模型计算结果有良好的一致性，由于潜水含水层Boulton模型考虑了含水层的重力释水和疏干排水，在一定程度上反映了场地含水层系统中含水层间的相互影响，其降深曲线类似于越流承压含水层降深曲线。在抽水试验后期，含水层的疏干影响逐渐减小，潜水含水层Boulton模型降深曲线向Theis曲线靠近。因此，潜水含水层Boulton模型不适于模拟本场地长期抽水的水位降深。

上述分析表明，越流承压含水层Hantush模型是行知路站抽水试验场地合理的水文地质模型，在反映场地含水层系统的地下水流动特性上更为合理，其降深拟合效果明显优于承压含水层Theis模型和潜水含水层Boulton模型。基于越流承压含水层Hantush模型反演水文地质参数，得承压含水层(②-3d-c3层粉砂夹粉土和②-3d2层粉砂)的渗透系数K为4.65m/d、贮水系数S为9.85×10-4，弱透水层(②-2b4层淤泥质粉质粘土)的渗透系数K'为9.50×10-2m/d。

5 结论

(1) 依据抽水试验场地水文地质条件，结合抽水井的布置，概化了三个水文地质模型，利用单井抽水试验实测数据分别反演了含水层水文地质参数，通过降深实测值和模型计算值的对比分析了水文地质模型概化的合理性。

(2) 水文地质模型直接影响含水层参数的反演结果和场地地下水流动的描述，因此水文地质模型的概化要充分反映场地的水文地质条件，考虑抽水试验影响范围内含水层系统的地下水流动特点。