宋厚園 彭振斌

0 引言

地下水對地鐵建設(shè)的影響可能引發(fā)地鐵開挖過程中涌水出現(xiàn)的問題，還可能引發(fā)對周邊環(huán)境產(chǎn)生的一系列問題。在地鐵建設(shè)工程中，土的滲透系數(shù)是確定地鐵設(shè)計(jì)施工抽降水的一個(gè)重要參數(shù)，是確定降水方案的關(guān)鍵。在地鐵車站、區(qū)間段的每一地質(zhì)單元各選擇一定數(shù)量鉆孔，進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)。在各主要含水層分層進(jìn)行水文試驗(yàn)，提供巖土滲透系數(shù)，預(yù)測地鐵隧道和基坑涌水量。

目前，確定土的滲透系數(shù)的方法主要有室內(nèi)試驗(yàn)測定法和現(xiàn)場抽水試驗(yàn)法。室內(nèi)試驗(yàn)法是確定滲透系數(shù)的最基本方法，但是由于取樣擾動及尺度效應(yīng)，造成試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。野外測定法主要有抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)，野外測定相對室內(nèi)試驗(yàn)測定能取得準(zhǔn)確的滲透系數(shù)。

1 抽水試驗(yàn)原理

抽水試驗(yàn)是從鉆孔中抽水并根據(jù)其出水量(Q)與降深(s)的關(guān)系，確定含水層滲透性及了解相關(guān)水文地質(zhì)條件的一種原位試驗(yàn)方法。抽水試驗(yàn)包括穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)和非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。其中穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)是指抽水過程中，要求出水量和動水位同時(shí)相對穩(wěn)定，并延續(xù)一定時(shí)間的抽水試驗(yàn);非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)是指抽水過程中，保持出水量固定，觀測動水位變化，或保持降深固定，觀測出水量變化的抽水試驗(yàn)。承壓水及潛水穩(wěn)定流完整井單孔抽水試驗(yàn)見圖1，圖2。

在單孔穩(wěn)定流完整井抽水試驗(yàn)中，承壓水和潛水的滲透系數(shù)計(jì)算公式為:

其中，K為各向同性巖體滲透系數(shù)，m/s;s為鉆孔水位降深，m;Q為穩(wěn)定抽水流量，m3/s;M為承壓水或潛水含水層厚度，m;R為抽水影響半徑，一般采用經(jīng)驗(yàn)值，m;r為鉆孔半徑，m。

圖1 承壓水穩(wěn)定流完整井單孔抽水試驗(yàn)

圖2 潛水穩(wěn)定流完整井單孔抽水試驗(yàn)

除了裘布依公式之外，還有巴布什金公式、吉林斯基公式等，分別可以用來求解不同抽水條件下均質(zhì)巖體的滲透系數(shù)。

2 抽水試驗(yàn)要求

對砂礫石透水層進(jìn)行抽水水文地質(zhì)試驗(yàn)，評價(jià)其富水性、透水性以及對地鐵施工及運(yùn)營的影響。抽水試驗(yàn)采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。

2.1 一般技術(shù)要求

1)鉆探過程中必須按有關(guān)要求進(jìn)行簡易水文地質(zhì)觀測。2)為查明每個(gè)含水層(帶)的靜水位、承壓水頭高度、水質(zhì)、水量和進(jìn)行分層評價(jià)，在各含水層之間進(jìn)行嚴(yán)格的止水工作。3)根據(jù)含水層(帶)顆粒級配情況、風(fēng)化破碎程度、巖溶發(fā)育及充填狀況，決定是否安裝過濾器。安裝過濾器的長度、位置應(yīng)與含水層相對應(yīng)，嚴(yán)禁錯(cuò)位。4)過濾器安裝完畢、開始抽水前應(yīng)進(jìn)行洗孔。

2.2 抽水試驗(yàn)要求

抽水試驗(yàn)前后應(yīng)準(zhǔn)確測量有效孔深，試驗(yàn)孔采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，對多層含水層應(yīng)進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，要求一次性鉆至設(shè)計(jì)孔深后，從下至上進(jìn)行分層抽水。

1)如果含水層為基巖，視基巖的破碎程度，決定對含水層部分是否下濾管。2)洗孔，直到水清、砂凈、無沉淀時(shí)為止，量取穩(wěn)定水位。3)抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定延續(xù)抽水時(shí)間:粘性土為24 h，砂類土16 h，碎石土穩(wěn)定時(shí)間8 h。若為非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，其延續(xù)時(shí)間應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。4)流量穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，為在涌水量無連續(xù)增大或變小的區(qū)間內(nèi)，各次流量的最大差值與平均流量值之比不得大于3%。水位穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為在抽水試驗(yàn)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間內(nèi)，水位無持續(xù)上升或下降趨勢;動水位不得大于平均水位降深的1%。5)抽水試驗(yàn)結(jié)束后取水樣。停泵后測量恢復(fù)水位。

當(dāng)含水層或鄰近含水層復(fù)雜，地下水補(bǔ)給來源不明或其他問題需要進(jìn)行長期抽水試驗(yàn)時(shí)，其時(shí)間可適當(dāng)延長。在測定水位上升或下降趨勢時(shí)，應(yīng)考慮周圍有無其他影響因素，注意孔內(nèi)抽出的水倒流或回滲入孔內(nèi)。

2.3 其他技術(shù)要求

1)合理選擇抽水設(shè)備和測試儀器，正式抽水前應(yīng)作一次最大水位降低的試抽，其延續(xù)時(shí)間一般為4 h～8 h，試抽后要正確測定靜止水位及孔深，通過試抽確定最大可能水位下降值，初步測定涌水量和水位下降的關(guān)系。2)正式抽水一般進(jìn)行三次，三次水位降深值最好為抽水前水柱高度的1/6，2/3，1/2，若抽水設(shè)備性能達(dá)不到上述要求時(shí)，也可根據(jù)試抽時(shí)最大水位降深s來確定，即三次水位降深值分別為1/3s，2/3s，s。3)水位、出水量測量時(shí)水位波動允許范圍:水泵抽水時(shí):5 cm;空壓機(jī)抽水時(shí):10 cm～20 cm;出水量波動范圍均不宜超過3%。4)抽水試驗(yàn)孔每次水位下降開始后，其動水位和出水量的觀測時(shí)間，應(yīng)在第5 min，10 min，15 min，20 min，25 min，30 min各測一次，以后每隔30 min各測一次。5)每次抽水試驗(yàn)結(jié)束后，抽水試驗(yàn)孔應(yīng)按停泵后的第1 min，2 min，3 min，4 min，6 min，8 min，10 min，15 min，20 min，25 min，30 min 各測一次恢復(fù)水位，以后每隔30 min各測一次恢復(fù)水位，直到接近或達(dá)到靜止水位。6)抽水過程及時(shí)繪制水量、水位曲線等綜合性圖表。當(dāng)發(fā)現(xiàn)曲線反常時(shí)應(yīng)查明原因，及時(shí)糾正，必要時(shí)重新進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

3 工程實(shí)例

為了查明砂礫石層滲透性及富水性，長沙地鐵軌道交通1號線詳細(xì)勘察某地鐵站進(jìn)行單井抽水試驗(yàn)。該鉆孔孔深35.50 m，卵石層埋深為10.10 ～12.80，層厚2.70 m，靜止水位為 6.20 m。

1)繪制出水量、動水位與時(shí)間關(guān)系過程曲線(Q—t及s—t曲線見圖3)。開始抽水時(shí)的Q—t及s—t曲線表現(xiàn)為水位下降較快和出水量較大，且不穩(wěn)定。經(jīng)過一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定，且這兩條曲線基本是平行的。如果現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)Q，s值不是相應(yīng)的變化，要及時(shí)檢查分析和處理。

圖3 Q—t及s—t過程曲線圖

2)繪制出水量與水位降深關(guān)系曲線(Q=f(s)曲線見圖4)，用于了解和判別含水層的水力性質(zhì)和出水能力，推算井的可能最大涌水量與單位涌水量，并檢查抽水試驗(yàn)成果的正確性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，Q，s關(guān)系呈直線型。

圖4 Q—s關(guān)系曲線

進(jìn)行了三個(gè)落程抽水，分別為:降深s1=1.72 m時(shí)，涌水量Q1=178 m/d;降深s2=3.45 m時(shí)，涌水量Q2=339 m/d;降深s3=5.23 m時(shí)，涌水量Q3=515 m/d。利用式(1)，式(2)計(jì)算滲透系數(shù) k=57.19 m/d，影響半徑 R=301 m。

4 結(jié)語

1)在含水層較深或堅(jiān)硬巖區(qū)，鉆進(jìn)施工困難，成本費(fèi)用較高，采用單井抽水試驗(yàn)，以節(jié)省成本費(fèi)用。

2)抽水過程嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行，及時(shí)繪制水量、水位曲線等綜合性圖表。當(dāng)發(fā)現(xiàn)曲線反常時(shí)應(yīng)查明原因，及時(shí)糾正，必要時(shí)重新進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

3)單井抽水試驗(yàn)不能直接采用裘布依公式計(jì)算滲透系數(shù)k，而需結(jié)合其他公式(吉哈爾特或庫薩金公式)，概略計(jì)算。

[1]SL 320-2005，水利水電工程鉆孔試驗(yàn)規(guī)程[S］.

[2]TB 10049-2004，鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S］.

[3]GB 50307-1999，地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S］.