蘇紹鋒

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507）

在場地水文地質(zhì)條件勘察過程中，抽水試驗是獲取場地水文地質(zhì)參數(shù)最直接有效的方法，但現(xiàn)階段水文地質(zhì)參數(shù)方法計算過多，勘察人員在選擇計算方法過程中主觀因素較大，導(dǎo)致抽水試驗所的參數(shù)的合理性存在一定問題，容易對工程后續(xù)建設(shè)過程產(chǎn)生影響[1]。針對這一問題，眾多專家學者結(jié)合不同工程背景開展豐富的研究工作，例如陳慶華等[2]對靠江項目中抽水試驗進行分析、羅永海[3]對臨河泵站抽水試驗展開豐富的研究工作。時至今日，抽水試驗作為最廣泛的水文地質(zhì)勘察試驗，仍存在一定的問題，該文在此基礎(chǔ)上對實際工程進行分析，以期明確抽水試驗作用機理，提高場地水文地質(zhì)條件勘察水平。

1 抽水試驗機理

1.1 Dupuit 公式

1856年Henry Darcy 在長期試驗中發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)滲流規(guī)律，并總結(jié)出達西定律，隨后1986年J·Dupuit 在達西定律的基礎(chǔ)上研究并提出了穩(wěn)定井流公式，為后續(xù)水文地質(zhì)抽水試驗奠定了理論基礎(chǔ)[4-5]。如圖1所示，假設(shè)地層下某含水層均質(zhì)、各向同性且產(chǎn)狀水平，其中心位置有一個抽水井，抽水井抽水流量為Q，圓心位置給定水頭H0，假定水流為水平徑向流，以井為共軸的圓柱面為等水頭面[6]，此時所建立的數(shù)學模型如公式（1）所示。

圖1 抽水試驗示意圖

此時，結(jié)合穩(wěn)定流特征，假設(shè)任意過水斷面流量僅為等值，如公式（2）所示。

對式（2）進行分離變量，然后按照邊界條件進行積分，如公式（3）所示。

計算如公式（4）所示。

式中：rw為降水半徑；M為承壓含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；Q為出水量，m3/d。

記抽水井在抽水過程中導(dǎo)致地下水位下降的深度為降深，計算如公式（5）所示。

式中：sw為降水深度，m。

1.2 抽水試驗計算方法

針對抽水試驗，當采用單孔穩(wěn)定流的方式進行抽水時，可根據(jù)抽水孔水位下降情況計算其滲透系數(shù)，此時，如果井內(nèi)地下水位下降與時間呈線性相關(guān)，那么承壓水完整孔滲透系數(shù)計算如公式（6）所示。

式中：s為水位下降深度，m；Ry為引用補給半徑，m。

潛水含水層計算如公式（7）所示。

式中：H為潛水含水層厚度，m；h為抽水試驗過程中潛水含水層厚度，m；r為過濾器半徑，m。

如果井內(nèi)地下水位下降與時間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，此時可采用插值法得出地下水位下降與時間的代數(shù)多項式，插值所得時間項計算如公式（8）所示。

式中：a1，a2，…an為待定系數(shù)。

采用插值法所得Q-s曲線關(guān)系呈現(xiàn)直線時，可根據(jù)公式（1）、公式（2）進行計算。

針對基巖裂隙水，可采用公式（9）結(jié)合抽水試驗結(jié)果進行計算。

2 場地水文地質(zhì)勘察

2.1 場地水文地質(zhì)條件

該項目為某單位的擬建辦公大樓新址，占地面積6217m2（可建設(shè)用地面積4145m2），建筑面積達29925m2。擬建大樓地上22 層，地下4 層，地面高約100m?；娱_挖深度約15.4m，基坑開挖范圍為307m×120m。

場區(qū)的地下水類型主要有上層滯水、第四系砂層孔隙潛水及基巖孔隙裂隙承壓水及巖溶水，孔隙水賦存于第四系沉積土層孔隙中，主要含水層為砂層，粉質(zhì)黏土為相對隔水層。含水層橫向上連續(xù)性較好，厚度約為0.5m～2.2m，富水性較強，滲透系數(shù)為47.19 m/d～60.76 m/d，屬強透水層，地下水具承壓水性質(zhì)；基巖孔隙裂隙承壓水及巖溶水：場區(qū)基巖為炭質(zhì)灰?guī)r，局部孔隙裂隙發(fā)育，局部巖溶極發(fā)育，含地下水，具承壓性。

2.2 抽水試驗結(jié)果

根據(jù)本場區(qū)特點，選擇代表性鉆孔ZK6進行第四系松散含水層和基巖含水層分層抽水試驗，以獲取松散層和基巖的水文地質(zhì)參數(shù)。抽水井采用底部全封閉的花管加接套管形式，在建井過程中，第四系松散層中鉆探直徑為φ146mm，基巖段鉆探直徑φ127mm，隨后全孔下φ127mm 的PVC 管道，底部封閉。PVC 管道中進水段使用φ127mm的花管（過濾器），花管段外包400 目網(wǎng)布，花管段管壁與孔壁間隙中填投石米、石礫進行過濾，其余孔段用黏土進行填塞隔水?？卓诓扇〈胧┓乐沟乇硭构喑樗?，影響抽水試驗結(jié)果。

ZK6 第四系含水層為中細砂層，分布孔深為3.6～5.8m，厚度2.2m，抽水前靜止水位埋深為3.5m，進水段花管深3.00～7.00m。試驗歷時23h，水位降深S=1.5m，降深穩(wěn)定延續(xù)時間20 小時，涌水量Q=36.11m3/d，單位涌水量q=24.07m3/d·m。抽水試驗所得曲線如圖2、圖3所示，計算所得含水層滲透系數(shù)見表1。

圖2 砂層抽水S-t 曲線

圖3 砂層抽水S-lg（t）曲線

表1 砂層抽水試驗成果表

根據(jù)鉆探資料，本場區(qū)巖溶強發(fā)育，巖溶水富水性好，具承壓性，一般水頭高度為14m。本次勘察選取了鉆孔ZK6、XZK51 進行巖溶裂隙水抽水試驗。其中ZK6 進行兩次抽水試驗，XZK51 進行一次抽水試驗，并根據(jù)公式（10）計算滲透系數(shù)，計算所得基巖裂隙水滲透系數(shù)見表2。

表2 基巖抽水試驗成果表

根據(jù)抽水試驗成果可知中細砂層具強透水性；基巖裂隙和巖溶發(fā)育段具強透水性。由于巖土層在橫向和垂向上分布具有不均勻性，抽水試驗成果不能完全代表含水層的特性，特別是基巖部分，受基巖風化程度、巖溶裂隙、巖溶管道發(fā)育和充填的不均勻性影響更大，因此場區(qū)各巖土層的滲透性，須根據(jù)地層巖性特征、地層的富水性、鉆孔抽水試驗成果和室內(nèi)滲透試驗結(jié)果取值。

3 基坑安全預(yù)測

3.1 支護結(jié)構(gòu)選型

由于廣州設(shè)計之都聯(lián)合基坑的先行開挖，本場地基坑深度為3.5m，小于5m，不再屬于深基坑范疇。綜合考慮周邊條件與經(jīng)濟因素，基坑支護改為放坡開挖，坡度為1 ∶1.0。為最大限度地降低施工難度與建設(shè)成本，地下水控制擬采用動態(tài)設(shè)計與信息化施工的方式，開挖前暫不施工止水帷幕。工程樁、抗拔錨桿等建議在承壓水位以上施工完成。開挖過程中利用大基坑止水帷幕的作用，該項目采用集水明排的方式，同時應(yīng)加強觀測，當出現(xiàn)水量過大或承壓水突涌的情況時，進行局部回填反壓，局部范圍對溶洞注漿止水。

3.2 涌水量預(yù)測與突涌計算

本場區(qū)巖溶發(fā)育強烈，地下水豐富，地下水穩(wěn)定水位埋深一般為5.7～7.50m。根據(jù)勘察資料，中-微風化巖面埋深為12.5～31m，根據(jù)設(shè)計資料，基坑挖深約15.4m，基坑部分已開挖至溶蝕巖層中。

若采用降水法進行基坑降水計算，基坑涌水量計算如圖其基坑總涌水量可按大井簡化的均質(zhì)含水層承壓～潛水非完整井的基坑降水總涌水量公式進行估算，如公式（11）所示。

式中：Q為基坑降水的總涌水量（m3/d）；k為滲透系數(shù)（m/d）取60.76 m/d；M為承壓含水層厚度（m）；取60.9-12.5=48.4m；h為基坑底水位至含水層底的厚度（m），H0為承壓水位至含水層底的厚度（m），H0=60.9；R為降水影響半徑（m）；r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑（m）。

根據(jù)計算，基坑降水的總涌水量Q約為52754m3/d。

由于本場區(qū)基坑下有承壓水存在，開挖基坑減少了含水層上覆不透水層的厚度，當厚度減少到一定程度時，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌現(xiàn)象。

圖4 基坑涌水量計算示意圖

在場區(qū)內(nèi)，基巖巖面起伏大，基坑土層不均勻，本場地的巖面埋深為12.5m～31m。當基坑設(shè)計挖深15.4m 時，部分已挖至基巖中。當開挖覆蓋層時，如果不采取降水或者截水措施，那么可能存在基坑突涌的情況。

基坑突涌計算如公式（12）所示。

式中：Kty為突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)；Kty不應(yīng)小于1.1；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度（m）；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度；γ為土層取18.5kN/m3；Δh為基坑內(nèi)外的水頭差（m）；γw為水的重度。

根據(jù)鉆孔XZK51 成果，在深度13.8m 處揭露溶蝕灰?guī)r，溶蝕灰?guī)r為承壓水含水層，13.8m 處即為含水層頂部。根據(jù)計算，當基坑挖深約8.8m 時，可能發(fā)生基坑突涌現(xiàn)象。

4 結(jié)論

該文以實際工程為研究對象，深入分析抽水試驗在場地水文地質(zhì)調(diào)查工作中的應(yīng)用，并根據(jù)抽水試驗結(jié)果對基坑涌水量進行預(yù)測，所得結(jié)論如下：1）抽水試驗結(jié)果表明場地第四系含水層單位涌水量q=24.07m3/d·m，滲透系數(shù)為12.90m/d，巖溶水鉆孔單位涌水量q=554m3/d·m。基巖巖溶水滲透系數(shù)為47.19m/d～60.76m/d，屬于強透水層。2）涌水量預(yù)測結(jié)果表明基坑降水的總涌水量Q約為52754m3/d。根據(jù)計算，當基坑挖深約8.8m 時，可能出現(xiàn)基坑突涌的現(xiàn)象。