弥散试验测定地下水流速与渗透理论计算法的探讨

摘要：随着城市地下空间开发的发展，深基坑工程开挖遇强透水性地层时，地下水控制设计时除需掌握其渗透系数外，尚需获得较为可靠的地下水流速参数，为止水、降水设计提供依据。水文地质专业常用的可靠方法有放射性同位素法、弥散试验法，由于放射性同位素法因为放射性危害，组织试验有一定难度。本文结合长沙市某地铁站邻近商业地下空间工程实例，对长沙地区代表性的湘江Ⅲ级阶地内强透水性卵石层采用弥散试验并进行分析后认为，采用渗透理论计算法计算获得地下水流速的方法仍具备较强的参考价值，对其结果进行适当修正后可作为设计依据供类似工程参考。

关键词： 地下水流速;弥散试验;渗透理论计算法

随着城市地下空间开发的发展，深基坑工程开挖遇强透水性地层时，强透水性地层的渗透系数容易通过抽水试验获得，一般在勘察成果中也会提出建议值。但从较多的工程实例来看，地下水的流速对止水、降水设计的影响也较大，甚至直接影响到地下水的控制能否成功有决定性影响。水文地质专业常用的可靠方法有同位素法、弥散试验法及渗透理论计算法，由于同位素法因为放射性危害，组织试验有一定难度，为此，本文结合长沙市某地铁站邻近商业地下空间工程实例，对长沙地区代表性的湘江Ⅱ级阶地内强透水性卵石层采用弥散试验并与采用渗透理论计算法进行了对比与分析。

1 地下水流速测定常用方法

水文地质调查研究工作中，常用的地下水流速测定方法一般有渗透理论计算法、比色示踪剂弥散试验法、放射性同位素年龄法，另外，国外在研究核废弃物时尚有采用精度更高的电位差法和井中电视法等。

放射性同位素年龄法因为放射性的危害，组织试验难度较大，较易实施且试验结果可靠度较高的则一般宜采用比色示踪剂法。

2 渗透理论计算法及弥速试验的原理

2.1渗透理论计算法原理

该方法一般沿等边三角形布置三个钻孔，钻孔间距50-100m，观测各孔水位标高后，编制等水位线图，再从高程高往低绘制垂直线，垂直线即为地下水流向，垂直线两端点的水位差除以垂直线长度则为水力坡度。通过抽水试验确定了含水层渗透系数后，采用渗透达西定律计算得出地下水流速值。

2.2 比色示踪剂弥散试验法原理

比色示踪剂弥散试验常采用荧光素黄钠作为示踪剂，现场取得接收孔地下水初始水样，然后向试验孔中投入荧光素黄钠并记录投入时间，然后在各观测孔中每隔一定时间均采用水样并作出记录，在室内采用自配不同浓度溶液比色管确定荧光素黄钠的存在及其浓度。可根据试验观测资料绘制观测孔孔内指示剂随时间的变化曲线。根据出现峰值浓度时间计算确定地下水的流速。

3 工程实例及分析

已投入使用的长沙市地铁1号线候家塘站东侧拟建田汉大剧院地下空间商业项目，该场地属湘江Ⅲ级侵蚀冲积阶地，覆盖层主要由第四系中更新统白沙井组地层组成，均为网纹状粉质粘土、砂卵石层组成，具明显的二元结构。由于新建商业项目基坑底板位于地铁区间隧道以上，强透水性砂卵石层厚度较大，区间隧道底以下3m左右范围内尚为砂卵石层，为确保止水降水效果达到设计预期，需对砂卵石层的渗透性及其赋存的地下水流速流向进行测定。

为此，在场地范围内布置了3个水文钻孔，观测其稳定水位之后，进行了抽水试验，试验后恢复稳定水位后再进行了弥散试验。

3.1 渗透理论计算法试验结果

根据钻孔T1、G1及G2号钻孔地下水稳定水位观测结果，绘制出等水位线图。在绘制等水位线图后，垂直等水位线由高至低即为地下水流向，读解出水力坡度，结合主要含水層渗透系数，即可计算出地下水渗透速度：

V=KI

式中：V——地下水的渗透速度（m/d）;

K——渗透系数（m/d）;

I——水力坡度。

详见右图：

计算得出地下水的渗透速度为V=1.47m/d

根据地铁1号线候家塘站试验结果，砂卵石层孔隙比平均值为0.7左右，则地下水流速可按下式计算：u=V/n=1.47/（0.7/1.7）=3.6m/d，流向为南东至北西339度方向（湘江位于场地西侧，由南向北流）。

3.2 比色示踪剂弥散试验结果

弥散试验采用荧光素黄钠示踪剂比色法，现场取得接收孔地下水初始水样，然后向试验孔中投入荧光素黄钠并记录投入时间，然后在各观测孔中每隔一定时间均采用水样并作出记录，在室内采用自配不同浓度溶液比色管确定荧光素黄钠的存在及其浓度。可根据试验观测资料绘制观测孔孔内指示剂随时间的变化曲线。

各接收观测孔所取水样浓度与时间关系曲线图详见下图5.4-2：

根据试验曲线，选取指示剂浓度高峰值出现的时间来计算地下水流速，采用《工程地质手册》（第四版）9-3-2公式：

u'=l/t

式中：u'——地下水实际流速（平均）（m/d）;

l——投剂孔与观测孔距离（m）

t——观测孔内峰值出现所需的时间（d）。

按主投放孔T1号与观测孔G1直线距离计算，地下水流速为u'为8.32～9.19m/d;按渗透路径修正计算则为u'为7.90～8.73m/d。按主投放孔T1与观测孔G3直线距离计算，地下水流速为u'为4.45～4.59m/d;按渗透路径修正计算则为3.46～3.57m/d。

3.3 渗透理论计算法与弥散试验法成果对比

地下水流向、流速受以下三个因素影响：1）宏观上季节性的地下水补给、排泄关系的改变。2）含水层特征（如含水层厚度差异、渗透系数、孔隙比、矿物成分等）。3）局部水文地质环境变化情况。如：区域地下建（构）筑物止水截水措施，地下室的埋深及范围。上述因素造成地下水流向及流速的多变性。

本次观测工作中进行的抽水试验、弥散试验的成果及其局限性详见下表：

4 结语

4.1 采用比色示踪剂弥散试验法与渗透理论计算法测定长沙市湘江冲积Ⅲ级阶地强透水性砂卵石层中的潜水流速时，分析后认为：①、二者试验结果没有数量级差异。②、渗透理论计算法得出的地下水流速值偏小。

4.2 当项目条件不具备进行比色示踪剂弥散试验法试验时，可采用渗透理论计算法得出的地下水流速值，经过一定程度的修正后可作为止水、降水工程设计时的参考依据，建议采用放大系数2至3。

4.3 由于不同项目不同局部位置的水文地质环境有所不同（如地下建（构）筑物止水截水措施、已有地下结构），同一项目不同位置的地下水流速、流向会有所不同，具体有何特征尚有待进行进一步的研究。

参考文献：

[1]《工程地质手册》（第四版），中国建筑工业出版社，2007

[2] 田洪义、宾富、李德平等 《湖南福达道生投资开发有限公司田汉大剧院地

[3]下空间商业项目地下水水文观测报告》 深圳市勘察研究院有限公司，2015年5月

作者简介：宾富，男，（1982-9-）湖南长沙，本科，高级工程师，主要从事岩土勘察、设计及水文地质相关工作。