李金福

（福建省第八地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364012）

福建省龍巖市屬于山間巖溶盆地構(gòu)造，地層結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為上部第四系地層，下部為碳酸鹽巖地層，且?guī)r溶發(fā)育程度較高，區(qū)內(nèi)降雨豐沛，地下水資源豐富。隨著研究區(qū)資源的開發(fā)與利用，采坑深度也相應(yīng)加大，在進(jìn)行資源開挖過程中，主要面臨采坑涌水、涌砂等問題。目前國內(nèi)已有大量研究成果，王代連等對與這類覆蓋型巖溶區(qū)可能產(chǎn)生的問題已經(jīng)進(jìn)行了比較全面的概括，描述了在開采過程中可能會產(chǎn)生的地面塌陷和采坑涌水問題[1]。陳臣等對采坑涌水量的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了理論防治措施[2]。在采坑涌水的防治措施中楊坤等提出了多種處理措施，并論述了外圍布井法的可行性[3]。

本文以龍巖市某采坑為例，在場地水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，開展抽水試驗(yàn)揭示地下水位降深隨時間的變化特征、識別水文地質(zhì)參數(shù)，預(yù)測采坑涌水量，進(jìn)而提出采坑水害防治對策建議。

1 場地水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于龍巖盆地的東部邊緣，龍巖市新羅區(qū)金雞路以北，漳龍高速公路以東，龍馬路以南，地形較平坦，屬山麓斜坡堆積地貌。

根據(jù)鉆探所揭示的地層巖性的垂向分布特征，場地上部為雜填土（Qml），其成分包含黏土以及建筑廢棄垃圾，未經(jīng)過夯實(shí)作用。其下部為粉質(zhì)黏土層，黏土顆粒很小，地層結(jié)構(gòu)松散程度一般。下伏地層第四系沖洪積（砂卵石層Qal+pl），其中卵石含量較高，地層滲透性和富水性均較強(qiáng)，是研究區(qū)域內(nèi)最主要的含水地層，地下水位標(biāo)高為330.16m～331.85m，地下水位低于上覆粘土層的底板標(biāo)高，整體處于無壓狀態(tài)。砂卵石層下部為粉質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)致密，是較好的隔水層。第四系地層下伏二疊系棲霞組灰?guī)r，風(fēng)化程度中等，巖溶發(fā)育程度較高，部分鉆孔揭露到溶洞，為滲透性和富水性強(qiáng)的巖溶含水層。采坑底部設(shè)計(jì)標(biāo)高約為327.50m～327.70m，根據(jù)場地地層結(jié)構(gòu)可知，采坑的底板位于第四系砂卵石層之下的粘土層中，未進(jìn)入二疊系棲霞組灰?guī)r地層，由于第四系砂卵石層與二疊系灰?guī)r之間存在7.9m厚的粉質(zhì)粘土層，根據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果該層滲透性較弱，將上部孔隙含水層和下部巖溶含水層分隔為兩個相對獨(dú)立的含水系統(tǒng)，因此，上部第四系卵礫石中的孔隙水是基坑開挖過程的主要涌水來源和防治對象。

2 抽水試驗(yàn)

為了查明第四系孔隙含水層的滲透性和富水性，為采坑涌水量計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本次在場地內(nèi)專門開展抽水試驗(yàn)，以識別場地的水文地質(zhì)條件，確定水文地質(zhì)參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)概況

抽水試驗(yàn)鉆孔深度為10.0m，鉆探口徑φ426mm，下入φ426mm套管，在φ426套管內(nèi)下入φ146mm濾管外包1mm砂網(wǎng)，管外填礫濾水，后起拔φ426套管，對含水層進(jìn)行多次試抽和洗井，確保含水層與鉆孔水力相通后，停抽約1天，并待鉆孔水位穩(wěn)定后進(jìn)入正式抽水試驗(yàn)。

正式開始試驗(yàn)時以272m3/d定流量單井抽水，抽水過程中按照試驗(yàn)規(guī)范定期測量鉆孔水位，獲得抽水孔的地下水位降深曲線如圖1所示。抽水過程早期，地下水位迅速下降，之后水位降速逐漸減緩，至抽水后100min左右，地下水位的變化幅度很小并趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)開始時測得地下水位埋深為7.30m，抽水后的穩(wěn)定水位埋深為8.50m，本次抽水試驗(yàn)的水位總降深為1.20m。

圖1 抽水試驗(yàn)降深曲線

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地層的水文地質(zhì)參數(shù)是較為常用的方法，本文擬采用Aquifer Test軟件對抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Aquifer Test軟件是由加拿大滑鐵盧水文地質(zhì)公司開發(fā)研制的專門為水文地質(zhì)學(xué)者和相關(guān)水利專家設(shè)計(jì)，用于分析含水層抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的軟件。該軟件主要工作原理依據(jù)不同模型的適用條件，選取相應(yīng)模型，通過配線法或直線圖解法對水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行求解，消除了人為操作可能產(chǎn)生的誤差，并且在反復(fù)驗(yàn)證的過程中提高了參數(shù)的準(zhǔn)確度。

根據(jù)場地含水層結(jié)構(gòu)以及第四系孔隙含水層的地下水位分析可知，盡管該含水層上部存在人工填土和粉質(zhì)粘土層，但由于場地整體處于山前斜坡地帶，地下水埋深較大且低于上部隔水層的底板標(biāo)高，含水層整體處于無壓狀態(tài)，故選擇潛水井流模型計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)時。依據(jù)場地的水文地質(zhì)條件和抽水試驗(yàn)情況，可將本次抽水試驗(yàn)概化為無限潛水含水層中完整井定流量抽水問題，據(jù)此在Aquifer Test中輸入抽水試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，把研究區(qū)含水介質(zhì)概化為均質(zhì)、各向同性且并不考慮水和介質(zhì)骨架的壓型，試驗(yàn)場地的水文地質(zhì)條件完全符合仿泰斯模型的假定條件，故選擇Theis and Jacob correction模型[4]通過配線法確定水文地質(zhì)參數(shù)（圖2）。本次開展的是單孔抽水試驗(yàn)，考慮到抽水初期鉆孔水位波動大且地下水流場不滿足解析模型的應(yīng)用條件，故選擇后期的降深數(shù)據(jù)進(jìn)行配線擬合，據(jù)此計(jì)算得到含水層的滲透系數(shù)為72.15m/d，含水層重力給水度為0.15。

圖2 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線

3 采坑涌水量預(yù)測

在資源開采過程中采用露天開采的方式進(jìn)行施工，施工過程中要進(jìn)行采坑降水，需要進(jìn)行采坑涌水量的計(jì)算，由于地下水的類型、埋藏條件、滲透系數(shù)、含水層厚度等水文條件各不相同，采取不同的模型計(jì)算出的涌水量具有較大的差異，因此，如何正確預(yù)測采坑涌水量成為采坑設(shè)計(jì)及施工的難點(diǎn)，目前國內(nèi)對于采坑用水量的計(jì)算一般有兩種方法：解析法和數(shù)值模擬法。

解析法一般采用大井法對采坑涌水量進(jìn)行預(yù)測，在預(yù)測的過程中需要對研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行概化，計(jì)算方法簡單，結(jié)果誤差較大。數(shù)值法主要是使用數(shù)值模擬軟件對研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行刻畫，建立區(qū)域的水文地質(zhì)模型，依據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)對采坑涌水量進(jìn)行計(jì)算，在模擬過程中操作比較復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果對比大井法較為精確，能夠更加真實(shí)的反應(yīng)采坑涌水量情況。

從前述分析可知，研究區(qū)采坑開挖會揭露第四系砂卵石孔隙含水層，開挖深度在地下水位以下3m左右，開挖過程中可能存在滲涌水問題影響采坑施工，為此本文將運(yùn)用GMS軟件建立采坑影響范圍內(nèi)的三維地下水?dāng)?shù)值模型對采坑涌水量進(jìn)行預(yù)測，為采坑降水設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

GMS軟件對于涌水量的預(yù)測主要是利用有限差分法進(jìn)行計(jì)算，將研究區(qū)域劃分成細(xì)小網(wǎng)格，通過對不同單元格的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行賦值，設(shè)置采坑條件，最后通過計(jì)算得到采坑涌水量。

3.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)采坑區(qū)水文地質(zhì)條件，第四系砂卵石孔隙含水層是采坑開挖涌水的主要層位，該含水層在區(qū)域分布廣泛且厚度比較穩(wěn)定。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，含水層的滲透性和富水性均較強(qiáng)，采坑開挖后會改變天然條件下地下水自山前接受補(bǔ)給往盆地中心運(yùn)移排泄的地下水流場特征，而形成以采坑為排泄中心的穩(wěn)定流場。采坑降水引起采坑外圍地下水位下降，根據(jù)穩(wěn)定流經(jīng)驗(yàn)公式估算距離采坑中心約33.25m處，地下水位基本不受影響。

根據(jù)上述流場特點(diǎn)，同時考慮到采坑勘察的范圍有限，而第四系孔隙含水層的規(guī)模又比較大，因此，本次數(shù)值模型的模擬范圍以采坑為中心，向四周擴(kuò)展100m的方形區(qū)域，四周邊界概化為定水頭邊界。根據(jù)采坑場地含水層結(jié)構(gòu)特征，含水層上覆第四系粉質(zhì)粘土層相對隔水層，含水層主要接受山前側(cè)向補(bǔ)給，因此忽略采坑開挖期間垂向上的入滲補(bǔ)給；孔隙含水層與下伏二疊系巖溶含水層之間存在穩(wěn)定的弱透水層，兩者之間的水力聯(lián)系很弱，因此模型底部以采坑底板為界，概化為隔水邊界。雖然含水層上覆第四系粉質(zhì)粘土層相對隔水層，但地下水位低于隔水頂板而呈現(xiàn)為無壓狀態(tài)，可視為潛水含水層。綜上所述，本次采坑開挖下的地下水流場可改概化為雙層結(jié)構(gòu)潛水孔隙含水層中的三維穩(wěn)定流問題[6]，其地下水流數(shù)學(xué)模型可表示為式（1）：

式中：H—含水層的水頭函數(shù)（m）；K—含水層滲透系數(shù)（m/d）；μd—含水層的重力給水度；ε—為源匯項(xiàng)；H1—含水層第一類邊界水頭函數(shù)（m）；B1—研究區(qū)第一類邊界；B2—研究區(qū)第二類邊界；

3.2 數(shù)值模型

模擬區(qū)域?yàn)橐哉叫危煽游挥谡叫蔚闹行奈恢?，整個模型體積為200＊200＊10m3。模型平面網(wǎng)格為2＊2㎡的單元格，由于采坑底板位于含水層下部的粉質(zhì)粘土層中，因此垂直方向上分為兩層，即砂卵石含水層（2.9m）和下部粉質(zhì)粘土弱透水層。上部砂卵石含水層的滲透系數(shù)根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果賦值72.15m/d，下部粉質(zhì)黏土層取值依據(jù)工程地質(zhì)勘查中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)約為0.00967m/d。

依據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析，在采坑開挖后研究區(qū)域的形成以采坑為新的排泄中心的穩(wěn)定流場，將采坑底板概化為定水頭排泄邊界，水頭標(biāo)高以采坑底板標(biāo)高賦值，為327.50m；模型四周邊界的地下水位不受采坑降水影響，因此概化為定水頭邊界，水位等于初始水位，在不考慮在降水過程中引起的地面沉降的影響情況下對采坑涌水量進(jìn)行預(yù)測。

3.3 模擬結(jié)果

根據(jù)建立的研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，運(yùn)行GMS軟件得到采坑開挖至底板時的穩(wěn)定地下水流場，如圖3所示，從圖中可以看出采坑開挖后形成以采坑為中心的降落漏斗，離采坑中心距離越遠(yuǎn)地下水位的降幅越小，150m以外地下水位基本不受影響，穩(wěn)定的采坑涌水量約2100m3/d，此時地下水位在含水層底板上方0.18m。

圖3 采坑地下水水位模擬結(jié)果圖

模擬結(jié)果表明，在不采取任何降水措施的情況下采坑涌水量較大，會對采坑開挖施工造成不良影響，施工過程需考慮采坑外圍采取井點(diǎn)降水措施[7]。為此，本次在上述模型的基礎(chǔ)上，在模型中增加布置抽水井，以采坑地下水位降至含水層底板以下為約束條件，通過開展不同布井方案下地下水流場模擬，為降水方案優(yōu)化提供依據(jù)[8]。

圖4 外圍布井抽水后采坑地下水水位模擬結(jié)果圖

本次共模擬了3種布井方案，第一種方案在采坑外圍設(shè)置8個鉆孔每日抽水量為220m3/d；第二種方案在采坑外圍設(shè)置12個鉆孔每日抽水量為160m3/d；第三種方案在采坑外圍設(shè)置16個鉆孔每日抽水量為160m3/d。各方案模擬結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明依據(jù)平均布井法在采坑外圍布井抽水能夠有效降低采坑范圍內(nèi)地下水的水位。在按照方案一進(jìn)行抽水過程中抽水井附近的水位降深較大，但由于井距較大，相鄰兩井之間以及采坑大部分區(qū)域的地下水水位并未達(dá)到含水層底板高程，采坑周邊地下水水位約為331.11m，仍具有采坑涌水問題，施工時有大部分地下水會進(jìn)入采坑。在方案二的模擬結(jié)果中采坑降水引起的降落漏斗明顯擴(kuò)大，采坑內(nèi)地下水水位明顯降低，但采坑中心部分區(qū)域地下水位329.78m，仍未達(dá)到含水層底板高程，采坑角落地下水位涌水風(fēng)險(xiǎn)較采坑四周更大，且難以治理，故方案二也未能達(dá)到采坑降水標(biāo)準(zhǔn)。方案三模擬過程中，采坑外圍地下水位降低較大，且影響半徑較大，采坑周邊地下水水位約為329.40m。此時鉆孔每日總排水量模擬結(jié)果為1923m3/d，剩余少量涌水不能對采坑施工造成影響。在此方案中基本能夠消除采坑在施工過程中的涌水風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合研究區(qū)采坑場地條件和工程實(shí)際，在按照上述條件進(jìn)行外圍布井抽水時，依照方案三進(jìn)行外圍布井抽水時能夠滿足采坑降水設(shè)計(jì)的要求。在抽水過程中由于外圍地下水水位降低，導(dǎo)致地層有效應(yīng)力增加，可能引起采坑外圍地面沉降或地面塌陷，需要在抽水過程中進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，預(yù)防在施工過程中發(fā)生其他工程地質(zhì)災(zāi)害。

4 結(jié)論

本論文依據(jù)龍巖市蓮花湖項(xiàng)目為依托，通過對勘察資料的整合和抽水試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算對項(xiàng)目施工過程中采坑開挖可能引起的采坑涌水問題進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)Theis and Jacob correction模型通過配線法計(jì)算得到的滲透系數(shù)為72.15m/d，含水層重力給水度為0.15。

（2）結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況和水文地質(zhì)參數(shù)建立數(shù)值模擬模型，計(jì)算得出研究區(qū)采坑在全面開挖的情況下日均涌水量約為2100m3/d，影響半徑約為150m。鑒于砂卵石含水層在地下空間的展布范圍較大，采坑持續(xù)涌水可能性較大。

（3）為預(yù)防采坑涌水影響施工，通過進(jìn)一步模擬外圍布井抽水的情況表明在采坑外圍設(shè)置16個鉆孔，每日抽水量為160m3/d的情況下，每日總排水量約為1923m3/d。能夠基本消除采坑涌水風(fēng)險(xiǎn)。

（4）在使用外圍布井法降低采坑地下水水位的過程中，應(yīng)考慮由于地下水水位降低而引起的城市地質(zhì)災(zāi)害問題，例如地面沉降等。在已完成開挖的部分可使用雙液灌漿的方式加固采坑外壁，防治地質(zhì)災(zāi)害問題的發(fā)生。