基于抽水试验的场地水文地质条件勘察技术研究

苏绍锋

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507）

在场地水文地质条件勘察过程中，抽水试验是获取场地水文地质参数最直接有效的方法，但现阶段水文地质参数方法计算过多，勘察人员在选择计算方法过程中主观因素较大，导致抽水试验所的参数的合理性存在一定问题，容易对工程后续建设过程产生影响[1]。针对这一问题，众多专家学者结合不同工程背景开展丰富的研究工作，例如陈庆华等[2]对靠江项目中抽水试验进行分析、罗永海[3]对临河泵站抽水试验展开丰富的研究工作。时至今日，抽水试验作为最广泛的水文地质勘察试验，仍存在一定的问题，该文在此基础上对实际工程进行分析，以期明确抽水试验作用机理，提高场地水文地质条件勘察水平。

1 抽水试验机理

1.1 Dupuit 公式

1856年Henry Darcy 在长期试验中发现多孔介质渗流规律，并总结出达西定律，随后1986年J·Dupuit 在达西定律的基础上研究并提出了稳定井流公式，为后续水文地质抽水试验奠定了理论基础[4-5]。如图1所示，假设地层下某含水层均质、各向同性且产状水平，其中心位置有一个抽水井，抽水井抽水流量为Q，圆心位置给定水头H0，假定水流为水平径向流，以井为共轴的圆柱面为等水头面[6]，此时所建立的数学模型如公式（1）所示。

图1 抽水试验示意图

此时，结合稳定流特征，假设任意过水断面流量仅为等值，如公式（2）所示。

对式（2）进行分离变量，然后按照边界条件进行积分，如公式（3）所示。

计算如公式（4）所示。

式中：rw为降水半径；M为承压含水层厚度，m；K为渗透系数，m/d；Q为出水量，m3/d。

记抽水井在抽水过程中导致地下水位下降的深度为降深，计算如公式（5）所示。

式中：sw为降水深度，m。

1.2 抽水试验计算方法

针对抽水试验，当采用单孔稳定流的方式进行抽水时，可根据抽水孔水位下降情况计算其渗透系数，此时，如果井内地下水位下降与时间呈线性相关，那么承压水完整孔渗透系数计算如公式（6）所示。

式中：s为水位下降深度，m；Ry为引用补给半径，m。

潜水含水层计算如公式（7）所示。

式中：H为潜水含水层厚度，m；h为抽水试验过程中潜水含水层厚度，m；r为过滤器半径，m。

如果井内地下水位下降与时间呈现非线性关系，此时可采用插值法得出地下水位下降与时间的代数多项式，插值所得时间项计算如公式（8）所示。

式中：a1，a2，…an为待定系数。

采用插值法所得Q-s曲线关系呈现直线时，可根据公式（1）、公式（2）进行计算。

针对基岩裂隙水，可采用公式（9）结合抽水试验结果进行计算。

2 场地水文地质勘察

2.1 场地水文地质条件

该项目为某单位的拟建办公大楼新址，占地面积6217m2（可建设用地面积4145m2），建筑面积达29925m2。拟建大楼地上22 层，地下4 层，地面高约100m。基坑开挖深度约15.4m，基坑开挖范围为307m×120m。

场区的地下水类型主要有上层滞水、第四系砂层孔隙潜水及基岩孔隙裂隙承压水及岩溶水，孔隙水赋存于第四系沉积土层孔隙中，主要含水层为砂层，粉质黏土为相对隔水层。含水层横向上连续性较好，厚度约为0.5m～2.2m，富水性较强，渗透系数为47.19 m/d～60.76 m/d，属强透水层，地下水具承压水性质；基岩孔隙裂隙承压水及岩溶水：场区基岩为炭质灰岩，局部孔隙裂隙发育，局部岩溶极发育，含地下水，具承压性。

2.2 抽水试验结果

根据本场区特点，选择代表性钻孔ZK6进行第四系松散含水层和基岩含水层分层抽水试验，以获取松散层和基岩的水文地质参数。抽水井采用底部全封闭的花管加接套管形式，在建井过程中，第四系松散层中钻探直径为φ146mm，基岩段钻探直径φ127mm，随后全孔下φ127mm 的PVC 管道，底部封闭。PVC 管道中进水段使用φ127mm的花管（过滤器），花管段外包400 目网布，花管段管壁与孔壁间隙中填投石米、石砾进行过滤，其余孔段用黏土进行填塞隔水。孔口采取措施防止地表水倒灌抽水孔，影响抽水试验结果。

ZK6 第四系含水层为中细砂层，分布孔深为3.6～5.8m，厚度2.2m，抽水前静止水位埋深为3.5m，进水段花管深3.00～7.00m。试验历时23h，水位降深S=1.5m，降深稳定延续时间20 小时，涌水量Q=36.11m3/d，单位涌水量q=24.07m3/d·m。抽水试验所得曲线如图2、图3所示，计算所得含水层渗透系数见表1。

图2 砂层抽水S-t 曲线

图3 砂层抽水S-lg（t）曲线

表1 砂层抽水试验成果表

根据钻探资料，本场区岩溶强发育，岩溶水富水性好，具承压性，一般水头高度为14m。本次勘察选取了钻孔ZK6、XZK51 进行岩溶裂隙水抽水试验。其中ZK6 进行两次抽水试验，XZK51 进行一次抽水试验，并根据公式（10）计算渗透系数，计算所得基岩裂隙水渗透系数见表2。

表2 基岩抽水试验成果表

根据抽水试验成果可知中细砂层具强透水性；基岩裂隙和岩溶发育段具强透水性。由于岩土层在横向和垂向上分布具有不均匀性，抽水试验成果不能完全代表含水层的特性，特别是基岩部分，受基岩风化程度、岩溶裂隙、岩溶管道发育和充填的不均匀性影响更大，因此场区各岩土层的渗透性，须根据地层岩性特征、地层的富水性、钻孔抽水试验成果和室内渗透试验结果取值。

3 基坑安全预测

3.1 支护结构选型

由于广州设计之都联合基坑的先行开挖，本场地基坑深度为3.5m，小于5m，不再属于深基坑范畴。综合考虑周边条件与经济因素，基坑支护改为放坡开挖，坡度为1 ∶1.0。为最大限度地降低施工难度与建设成本，地下水控制拟采用动态设计与信息化施工的方式，开挖前暂不施工止水帷幕。工程桩、抗拔锚杆等建议在承压水位以上施工完成。开挖过程中利用大基坑止水帷幕的作用，该项目采用集水明排的方式，同时应加强观测，当出现水量过大或承压水突涌的情况时，进行局部回填反压，局部范围对溶洞注浆止水。

3.2 涌水量预测与突涌计算

本场区岩溶发育强烈，地下水丰富，地下水稳定水位埋深一般为5.7～7.50m。根据勘察资料，中-微风化岩面埋深为12.5～31m，根据设计资料，基坑挖深约15.4m，基坑部分已开挖至溶蚀岩层中。

若采用降水法进行基坑降水计算，基坑涌水量计算如图其基坑总涌水量可按大井简化的均质含水层承压～潜水非完整井的基坑降水总涌水量公式进行估算，如公式（11）所示。

式中：Q为基坑降水的总涌水量（m3/d）；k为渗透系数（m/d）取60.76 m/d；M为承压含水层厚度（m）；取60.9-12.5=48.4m；h为基坑底水位至含水层底的厚度（m），H0为承压水位至含水层底的厚度（m），H0=60.9；R为降水影响半径（m）；r0为沿基坑周边均匀布置的降水井群所围面积等效圆的半径（m）。

根据计算，基坑降水的总涌水量Q约为52754m3/d。

由于本场区基坑下有承压水存在，开挖基坑减少了含水层上覆不透水层的厚度，当厚度减少到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象。

图4 基坑涌水量计算示意图

在场区内，基岩岩面起伏大，基坑土层不均匀，本场地的岩面埋深为12.5m～31m。当基坑设计挖深15.4m 时，部分已挖至基岩中。当开挖覆盖层时，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况。

基坑突涌计算如公式（12）所示。

式中：Kty为突涌稳定性安全系数；Kty不应小于1.1；D为承压含水层顶面至坑底的土层厚度（m）；γ为承压含水层顶面至坑底土层的天然重度；γ为土层取18.5kN/m3；Δh为基坑内外的水头差（m）；γw为水的重度。

根据钻孔XZK51 成果，在深度13.8m 处揭露溶蚀灰岩，溶蚀灰岩为承压水含水层，13.8m 处即为含水层顶部。根据计算，当基坑挖深约8.8m 时，可能发生基坑突涌现象。

4 结论

该文以实际工程为研究对象，深入分析抽水试验在场地水文地质调查工作中的应用，并根据抽水试验结果对基坑涌水量进行预测，所得结论如下：1）抽水试验结果表明场地第四系含水层单位涌水量q=24.07m3/d·m，渗透系数为12.90m/d，岩溶水钻孔单位涌水量q=554m3/d·m。基岩岩溶水渗透系数为47.19m/d～60.76m/d，属于强透水层。2）涌水量预测结果表明基坑降水的总涌水量Q约为52754m3/d。根据计算，当基坑挖深约8.8m 时，可能出现基坑突涌的现象。