崔中濤,徐海洋,鄭克勛

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072;2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng)　550000)

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水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)的技術(shù)進(jìn)展

崔中濤1,徐海洋1,鄭克勛2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072;2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng)550000)

水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)是一種在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的含水層原位滲透試驗(yàn)方法。隨著近些年新工藝、新技術(shù)在抽水試驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用，為了完善現(xiàn)有抽水試驗(yàn)內(nèi)容，本文建議增加測(cè)試工具、巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)以及潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)法等方面內(nèi)容。增加的內(nèi)容在實(shí)際工程中進(jìn)行了大量應(yīng)用，并取得了較好的效果。

抽水試驗(yàn);測(cè)試工具;水位恢復(fù);巖溶地區(qū)抽水

0　前　　言

水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)是一種在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的含水層原位滲透試驗(yàn)方法。主要是測(cè)定含水層的滲透性參數(shù)，為計(jì)算壩(閘)基、渠道、水庫(kù)滲漏量，大壩及圍堰的防滲設(shè)計(jì)和水工建筑物基坑涌水量提供依據(jù)。評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與滲透性參數(shù)的可靠性密切相關(guān)。

1　抽水試驗(yàn)現(xiàn)狀

《水電水利工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》[1]2005年發(fā)布，為評(píng)價(jià)工程土體滲透性提供了強(qiáng)有力支撐。在調(diào)查主要含水層的滲透性能及其變化規(guī)律時(shí)，可采用單孔抽水試驗(yàn)。在選定的水電樞紐工程場(chǎng)地上，查明主要建筑物地段含水層的滲透性和各向異性以及巖土體滲透性分級(jí)時(shí)，根據(jù)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度，宜選用單孔或多孔抽水試驗(yàn)；核定壩基和強(qiáng)烈滲漏地段巖土體準(zhǔn)確的滲透性參數(shù)時(shí)，宜布置一定數(shù)量的多孔抽水試驗(yàn)。多孔抽水試驗(yàn)以抽水孔為原點(diǎn)，宜布置1～2條觀測(cè)線，每條觀測(cè)線上的觀測(cè)孔不宜少于3個(gè)。

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)，目前國(guó)內(nèi)水利水電工程場(chǎng)地上常用的為單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)?zāi)壳暗牧鞒毯?jiǎn)要概括主要為：①設(shè)備安裝;②洗孔;③試驗(yàn)抽水和觀測(cè)靜止水位。計(jì)算滲透性參數(shù)需要用到抽水孔的涌水量和抽水孔的動(dòng)水位等觀測(cè)數(shù)據(jù)，目前水位的觀測(cè)使用電測(cè)水位計(jì)，觀測(cè)讀數(shù)精確到1 cm，涌水量的觀測(cè)常用水表或三角堰。

2　抽水試驗(yàn)的技術(shù)進(jìn)展

在這十余年間許多新工藝、新技術(shù)在抽水試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用，并積累了大量的抽水試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。此外，隨著西部水電開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，現(xiàn)行鉆孔抽水試驗(yàn)已不能滿足超深厚覆蓋層的要求。筆者建議在抽水試驗(yàn)中增加以下內(nèi)容：

2.1測(cè)試工具的改進(jìn)

傳統(tǒng)抽水試驗(yàn)測(cè)水位使用電測(cè)水位計(jì),本文建議有條件時(shí)采用自動(dòng)儀器測(cè)量水位。采用自動(dòng)儀器測(cè)量水位可以克服人為等外界因素的干擾，使得采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。

2.2巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)

2.2.1抽水試驗(yàn)孔選擇和布置

(1)巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)時(shí)段選擇應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康拇_定。對(duì)解決供水問(wèn)題，應(yīng)在枯水期進(jìn)行，對(duì)研究基坑或洞室涌水等問(wèn)題時(shí)，應(yīng)在豐水期進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

(2)巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)孔應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度，布置在地下水富集的強(qiáng)巖溶發(fā)育部位。對(duì)相對(duì)均勻的巖溶含水層，可布置一條測(cè)線，沿地下水徑流方向布置抽水孔和觀測(cè)孔；對(duì)巖性變化較大、巖溶發(fā)育的含水層，應(yīng)布置兩條觀測(cè)線，其中一條應(yīng)沿構(gòu)造、巖溶發(fā)育方向或強(qiáng)透水方向布置，另一條與之垂直；當(dāng)巖體各向異性突出、巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、水文地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，宜在各主要滲透方向均布置觀測(cè)線。抽水試驗(yàn)觀測(cè)孔可利用溶洞、落水洞、暗河和泉水等天然巖溶形態(tài)和地下水出露點(diǎn)。

(3)巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)應(yīng)詳細(xì)調(diào)查井(孔)周邊巖溶裂隙或巖溶管道的發(fā)育情況，并將抽出的地下水排向地下水徑流方向的下游，防止其通過(guò)巖溶通道又反流回抽水井或觀測(cè)井內(nèi)，從而得出錯(cuò)誤的試驗(yàn)成果。

(4)巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)預(yù)測(cè)大流量抽水可能造成的地面塌陷等不良環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。如可能或者已經(jīng)對(duì)周邊環(huán)境造成不良影響，宜將抽水試驗(yàn)改為壓水試驗(yàn)或注水試驗(yàn)。

2.2.2抽水試驗(yàn)孔類(lèi)型和結(jié)構(gòu)

巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康拇_定。將強(qiáng)透水層全部揭穿的抽水試驗(yàn)孔，定義為完整井，計(jì)算時(shí)，以孔內(nèi)強(qiáng)透水段作為含水層厚度。

2.2.3抽水試驗(yàn)降深和延續(xù)時(shí)間

(1)巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地巖溶水文地質(zhì)條件及相應(yīng)的巖溶地下水類(lèi)型，進(jìn)行試抽水。

(2)當(dāng)采用設(shè)計(jì)最小流量試抽水，孔內(nèi)降深持續(xù)增加，且無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定條件時(shí)，應(yīng)停止抽水，觀測(cè)孔內(nèi)恢復(fù)水位，并結(jié)合恢復(fù)水位試驗(yàn)成果分析試驗(yàn)孔的代表性。

(3)當(dāng)采用設(shè)計(jì)最大流量試抽水，持續(xù)8 h以上，最小降深值小于0.5 m，可停止抽水。結(jié)合場(chǎng)地水文地質(zhì)條件采用其他方法研究巖溶水補(bǔ)給、徑流和排泄特征。

2.2.4過(guò)濾器

(1)巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)過(guò)濾器應(yīng)安裝在強(qiáng)透水層部位，其他孔段需進(jìn)行封閉處理，抽水井過(guò)濾器以下需留足足夠長(zhǎng)度的沉淀管。

(2)裂隙型、溶隙型含水層和無(wú)充填的溶洞，可采用骨架過(guò)濾器；充填黏土的溶洞，可采用包網(wǎng)或纏絲過(guò)濾器；充填沙等松散物質(zhì)的溶洞，需采用填礫過(guò)濾器。

2.2.5水泵

巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地巖溶水文地質(zhì)條件配備不同尺寸、抽水量和揚(yáng)程的抽水設(shè)備。選擇抽水設(shè)備需滿足動(dòng)力、地下水埋深、降深、水量、過(guò)濾器直徑等要求。

2.2.6鉆探

對(duì)裂隙型或溶隙型巖溶地層內(nèi)的鉆孔可采用清水鉆進(jìn)，巖溶強(qiáng)發(fā)育段，應(yīng)采用跟管鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)觀測(cè)內(nèi)外管水位。為判斷巖溶地層內(nèi)地下水位的可靠性，宜開(kāi)展水位恢復(fù)試驗(yàn)。

2.2.7試驗(yàn)資料整編

強(qiáng)巖溶發(fā)育地區(qū)的多孔抽水試驗(yàn)應(yīng)繪制降深等值線圖，判斷巖溶發(fā)育方向和地下水主徑流方向。計(jì)算得到的影響半徑、滲透系數(shù)等參數(shù)需與地質(zhì)條件一致。

2.3計(jì)算公式

潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)法滲透性參數(shù)計(jì)算公式(見(jiàn)表1)。

表1　潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)法滲透性參數(shù)計(jì)算公式

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)實(shí)例

試驗(yàn)段主要地層巖性為三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2sz2)，深灰、灰黃色泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥晶白云巖間夾頁(yè)巖，屬弱～中等巖溶化地層，巖溶較發(fā)育，總共9個(gè)鉆孔，相鄰的兩孔之間的間距為21～41 m不等，設(shè)計(jì)出水段孔徑為219 mm、沉砂段孔徑為168 mm，孔深120～150 m，9號(hào)孔因?yàn)樵?9.4～50.1 m遇溶洞，結(jié)束鉆孔(見(jiàn)圖1)。

所選單孔抽水試驗(yàn)孔為6號(hào)孔，1、2、3、4、5號(hào)孔為觀測(cè)孔；群孔抽水試驗(yàn)鉆孔為1、6號(hào)孔同時(shí)抽水，2、3、4、5號(hào)孔為觀測(cè)孔，1、6號(hào)孔同時(shí)抽水時(shí)，兩孔水位相差不宜大于20 cm。

滲透系數(shù)計(jì)算公式選用DL/T5213-2005規(guī)程裘布衣潛水完整孔公式：

計(jì)算公式為：

(1)

式中Q——為抽水量;

H——為含水層厚度;

S——為鉆孔降深;

R——為影響半徑;

r——為鉆孔半徑。

單位出水量的計(jì)算公式為：

(2)

圖1　各鉆孔的相對(duì)位置

當(dāng)降落漏斗半徑擴(kuò)散至白鷺湖時(shí)，按SL320-2005規(guī)程巴布什金單孔公式計(jì)算：

(3)

式中L——為鉆孔中水位到孔底距離；

b——為鉆孔至白鷺湖距離。

經(jīng)計(jì)算，各孔的滲透系數(shù)K，(1)、(2)式計(jì)算成果匯總于表2，(3)式計(jì)算成果匯總于表3，參數(shù)建議值見(jiàn)表4。

2008年1月份測(cè)得地下水埋深一般為7.7～8.9 m，對(duì)應(yīng)高程1 236.76 m左右，2011年11月份測(cè)得各孔地下水埋深一般為7.3～8.0 m，相應(yīng)的高程約1 238.77～1 236.58 m，由東向西有逐漸降低的趨勢(shì)，地下水排向白鷺湖。根據(jù)2012年11號(hào)孔的地下水位觀測(cè)情況，餐飲中心外側(cè)地下水位較高，埋深僅2 m左右，相應(yīng)的高程約1 243 m。

根據(jù)前期多次抽水試驗(yàn)計(jì)算得到滲透系數(shù)，東西向?yàn)?.15～0.45 m/d，南北向?yàn)?.38～1.0 m/d，

表2　單孔抽水試驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)成果匯總

表3　群孔抽水試驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)成果匯總

表4　抽水試驗(yàn)確定的單孔水文地質(zhì)參數(shù)建議值匯總

即(2～12)×10-4cm/s，屬中等透水巖層。其中以1號(hào)孔的滲透系數(shù)最大，約為1.0 m/d。

3.2水位恢復(fù)試驗(yàn)實(shí)例

某潛水含水層中有一口完整井,潛水含水層厚21 m，以定流量Q=960 m3/d進(jìn)行抽水試驗(yàn),在tp=180 min時(shí)刻停泵,井中水位降深變化過(guò)程見(jiàn)表5,停抽時(shí)刻觀測(cè)孔中的降深sp為0.87 m。由抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出含水層滲透系數(shù)為16.8 m/d。

表5　水位恢復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)

s-lgt/t′曲線如圖2所示：

圖2　S-lgt曲線

根據(jù)下列公式計(jì)算出滲透系數(shù)K=17.4 m/d。

(4)

(5)

(6)

由水位恢復(fù)試驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果和常規(guī)抽水試驗(yàn)基本一致。

4　結(jié)　　語(yǔ)

隨著近些年新工藝、新技術(shù)在抽水試驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用，為了完善現(xiàn)有抽水試驗(yàn)的內(nèi)容，本文增加測(cè)試工具、巖溶地區(qū)抽水試驗(yàn)以及潛水含水層完整孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)法等方面內(nèi)容。結(jié)合工程實(shí)例，在巖溶地區(qū)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)、潛水含水層水位恢復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確、可信，滿足了工程設(shè)計(jì)的需要。

[1]中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 水電水利工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程(DL/T5213-2005)[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2005(6):10-20.

2016-03-07

崔中濤(1979-)，男，湖北仙桃人，高級(jí)工程師，從事水電水利工程勘察設(shè)計(jì)工作。

P641

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1003-9805(2016)03-0085-03