非均质地层抽水试验中渗透系数计算方法研究

王 迪

(福州市勘测院 福建福州 350003)

非均质地层抽水试验中渗透系数计算方法研究

王 迪

(福州市勘测院 福建福州 350003)

渗透系数是评价地层渗透性和地下水水量的重要参数。以福州轨道交通2号线某车站的抽水试验为例，分析在非均质地层中的抽水试验中，按稳定流带不同观测孔的各公式和水位恢复法公式分别计算水文地质参数。结果表明，采用稳定流公式计算的渗透系数结果相对准确，采用水位恢复法的计算结果偏大。按稳定流计算渗透系数的结果对降深敏感程度的规律是：单孔<主孔+1个观测孔<主孔+2个观测孔，主孔<观测孔。对含水层为非均质地层的沿海地区，按稳定流、单孔或带1个观测孔等相对“粗犷”的公式求得的水文地质参数更可靠，而按带2个观测孔的公式求得的水文地质参数容易出现异常。

非均质地层；抽水试验；渗透系数；准确性；敏感性

0 引言

渗透系数K值是评价地层渗透性和地下水水量的重要参数，对基坑降水方案的设计至关重要。抽水试验是获取K值的主要方法，要获得较准确的K值，需根据水文地质条件、含水层特性、抽水试验方法选择合适的计算公式。常用的求参方法包括稳定流求参、非稳定流求参和水位恢复法求参。

对实际工程，不同公式的适用性并不相同，对比稳定流和非稳定流，非稳定流的计算结果较可靠，稳定流经验公式求得的渗透系数可能偏大[2-3]或偏小[4]。对非稳定流，采用Aquifer Test专业软件结合全程曲线拟合法计算的参数比传统的人工配线法更方便快捷、准确，计算的结果基本符合实际的水文地质条件[5-7]。对稳定流的单孔或多孔求参，带观测孔比单孔抽水试验的计算结果误差更小[8-9]，单孔的计算结果可能偏小[10-11]或偏大[12]。

本文拟以福州地铁2号线某车站的带两个观测孔的抽水试验为案例，按照稳定流方法和水位恢复法分别计算渗透系数K，针对场地的非均质地层分布特征，对K值的差异性和选用进行分析，为车站基坑降水设计提供依据参数。

1 地质概况

拟建车站设计里程为CK25+124.456～CK25+637.156，全长512.7m，标准段宽为21.3m，车站基坑开挖深约21m，围护结构均采用厚度800mm连续墙。车站处地质剖面示意图如图1所示。

图1 地铁车站处地质剖面示意图

拟建车站场地包含两个承压含水层：第一层为上部的<2-5> (含泥)中粗砂，第二层为下部的<3-2>(泥质)粉细砂、<3-3>(含泥)中粗砂和<3-8>卵石(砂质填充)联合含水层。两个含水层组之间为厚12m～20m的相对弱透水层。

勘察时测得第一层含水层<2-5>(含泥)中粗砂的水位埋深为10.77m，罗零标高为-3.38m。第一层含水层组承压水位埋深约6.00m，标高为2.00m。对基坑开挖影响较大的为<2-5>层，该层含中粗粒石英颗粒及云母等，级配不良，局部夹薄层淤泥。

2 抽水试验设计及计算方法

2.1 抽水试验设计

该车站对含水层<2-5>(含泥)中粗砂布置S01进行稳定流抽水试验，带2个观测孔，孔号为S01-G1和S01-G2，距离主孔的距离分别为8m和15m。抽水孔井结构如图2所示，观测孔的滤管和隔水位置与抽水孔一样，上部隔水套管直径为250mm，孔径为220mm，滤管直径为125mm，过滤管的骨架管孔隙率和砾料均满足规范要求。

图2 S01抽水孔井结构图

本试验采用多孔抽水试验，每次降深稳定时均对应一个稳定的流量，对稳定时的数据采用稳定流带不同观测孔的公式进行计算，对水位恢复阶段的数据采用水位恢复公式计算渗透系数K。

本试验采用小降深抽水，以避免或减少抽水时产生的三维流的影响[13]，最大降深定为含水层的1/3处，每次降深的差值大于1m。当降深超过含水层顶板时，计算渗透系数采用承压水—潜水的公式。其余两个小降深控制水位在含水层顶板以上，采用承压水公式。

2.2 稳定流法

(1)承压水完整井抽水试验渗透系数计算公式：

(1)

(2)

(3)

(2)承压水-潜水完整井稳定流抽水试验渗透系数计算公式：

(4)

(3)影响半径计算公式：

(5)

式中：

Q—钻孔涌水量(m3/d)；

K—渗透系数(m/d)；

rw—抽水孔井管半径(m)；

r1—观测孔1距主井距离(m)；

r2—观测孔2距主井距离(m)；

Sw—抽水井水位降深(m)；

Sg1—观测孔1水位降深(m)；

Sg2—观测孔2水位降深(m)；

H—承压含水层静止水位至含水层底板的距离(m)；

h—承压水-潜水含水层抽水稳定时水位至含水层底板的距离(m)；

M—承压水含水层厚度(m)；R—影响半径(m)。

2.3 水位恢复法(S-lgt/t′)

利用水位恢复资料绘出S-lgt/t′(t′=t-tp，停抽前抽水的总时间)曲线，求得直线段斜率i，可得：

(6)

式中：T—导水系数(m2/d)；其余参数同上。

3 试验结果的差异性和敏感性分析

3.1 抽水试验结果

S01抽水孔3次降深的数据如表1所示。依据试验结果绘制抽水井涌水量Q-降深Sw、单位降深涌水量q-降深Sw的关系曲线，如图3～图4所示。

表1 S01抽水孔抽水试验数据

图3 Q=f(Sw)曲线图

图4 q=f(Sw)曲线图

选用相关公式计算渗透系数，计算结果如表2所示。

表2 <2-5>(含泥)中粗砂层渗透系数K成果统计表

从试验结果可以看出：

(1)根据Q-S和q-S的曲线形态，判断含水层的类型为承压转无压的井流，在第三降深时水位降至承压含水层顶板以下，承压转为无压井流。曲线与实际抽水试验过程基本吻合。

(2)根据观测孔的水位降深时间曲线，在抽水过程中，水位下降明显，水位、水量容易稳定，停抽后水位恢复很快，恢复曲线拐点明显，反映含水层分布较广、透水性好、水量补给较为丰富。

3.2 计算结果的差异性分析

根据临近的福州苏宁广场二期工程[13]的抽水试验数据，该场地 (含泥)中粗砂层的渗透系数为20m/d，由于该工程的基坑已开挖，经验证该地层的渗透系数试验数据跟实际比较吻合；另据《水文地质手册》[14]，中砂层的渗透系数经验值为10m/d～25m/d。

对比该工程的抽水试验结果，采用稳定流单孔或带1个观测孔公式的计算结果与经验值较为接近；采用稳定流带2个观测孔公式的计算结果为负值；而采用水位恢复法公式的计算结果远大于经验值。分析原因有以下3点：

(1)恢复水位法偏大：井损是抽水试验中一个重要的影响因素，也是上述试验计算结果差异的主要原因之一。当钻孔抽水时，井损使井中水位低于井壁水位，用单孔公式得到的渗透系数偏小；而利用主孔和1个观测孔公式可以将两孔的井损值抵消一部分，结果相对准确；水位恢复时，又使井中恢复水位远大于井壁水位，用水位恢复速度计算公式得到的渗透系数偏大[15]。

(2)三次降深均显示，较远的观测孔S01-G2降深大于较近的S01-G1孔的降深，与常理不符，在排除了成井及洗井等可能存在的问题后，推测水位异常可能是S01-G1孔的地层中存在弱透水透镜体而致，使得抽水试验不满足理想的达西渗流模型，降落漏斗与理想曲线不符，如图5所示，故采用带两个观测孔的公式计算K值会出现异常负值的结果，如表2所示。

由于现行规范对存在弱透水透镜体分布的非均质地层无相应公式可用，而工程的降水设计工作又需要获取场地地层的渗透系数，因此只能参考均质水平模型的公式去计算参数，再结合工程经验提出相对合理的参数推荐值。试验结果应主要利用抽水孔和S01-G2的数据，采用单孔或带1个观测孔的公式。

图5 带2个观测孔的抽水试验地层示意图

3.3 稳定流计算公式的敏感性分析

对稳定流而言，采用不同公式求取K值时对降深S的敏感程度亦不同。在试验过程中由于地层不均匀、洗井不彻底、滤水管外填砾不合格、观测精度不高、井损等原因的存在，使得降深S存在客观的观测误差，因此对降深S的敏感程度是选择计算公式时需要考虑的因素之一。

为便于分析各公式对降深S的敏感程度，本文对主孔、观测孔1和观测孔2的降深进行微调，以分析K值的变化幅度，相应结果如图6～图7所示。

图6 主孔降深变化和K的变化率关系图

图7 观测孔降深变化和K的变化率关系图

可以看出，稳定流带不同观测孔的计算公式得到的K值对降深S敏感程度的总体规律是：单孔<主孔+1个观测孔<主孔+2个观测孔；主孔<观测孔。对本工程而言，在主孔降深测量误差增加10cm时，对K值的变化率在15%以内。而观测孔降深测量误差增加10 cm时，K值的变化率相对较大，约15%～20%。而在利用两个观测孔的计算公式时，测量误差对计算结果的影响急速增加，甚至达400%以上。因此，使用带2个观测孔的公式，降深的微小变化会导致K值结果发生较大变化，钻孔尤其是观测孔的洗井和成孔质量对试验结果的影响很大。

结合本试验的场地分析，福州地区的上部砂层大部分以冲洪积、冲海积为主，其密实度和分布不均，局部存在淤泥中细砂交互层等弱透水夹层或透镜体，导致试验地层与公式假定的均质、水平、无限延伸的理想水文地质模型存在差异。若在观测孔处存在弱透水透镜体，甚至出现越远的观测孔降深越大的情况出现，使得计算结果出现负值，如表1所示。

因此，在实际工程应用中，针对含水层以不均质地层为主的沿海地区，由于人为读取误差及试验条件的限制，抽水试验计算宜按稳定流、单孔或带1个观测孔等相对“粗犷”公式的计算结果作为主要依据，而诸如稳定流带2个观测孔的相对“精细、精准”的计算模型和公式反而适用性较差，在工程中可作为数据验证的一部分，而应尽量避免使用其计算结果作为最终推荐值。

对本工程而言，利用单孔+1个观测孔的公式计算的K值对降深S的敏感程度最小，且数据最接近经验值和临近场地的试验值，因此推荐单孔+1个观测孔的公式计算的K值平均值作为建议值，即建议渗透系数K取26m/d。

4 结论

(1)根据抽水试验结果，采用稳定流单孔或带1个观测孔公式的计算结果与经验值较为接近；采用水位恢复法公式的计算结果远大于经验值。

(2)对不均质含水层，带观测孔的稳定流抽水试验K值对水位降深比较敏感，对各个环节要求十分严格，如果其中一个孔(抽水孔或观测孔)没有处理好时，其水位降深将不能反应真实情况，其计算结果将出现较大偏差。

(3)稳定流带不同观测孔的计算公式得到的K值对降深S敏感程度的总体规律是：单孔<主孔+1个观测孔<主孔+2个观测孔。主孔<观测孔。从数据的精确度上看，使用带2个观测孔的公式，降深的微小变化会导致K值结果发生较大变化。

(4)对浅部含水层以冲洪、冲海积成因的不均质地层为主的沿海地区，抽水试验计算宜按稳定流、单孔或带1个观测孔等相对“粗犷”公式的计算结果作为主要依据，再结合当地经验得到渗透系数的建议值才具有区域代表性。若盲目相信单一公式的计算成果，可能会造成过度设计。

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Study on the Calculation Method of Permeability Coefficient in Pumping Test of Inhomogeneous Formation

WANGDi

(Fuzhou Investigation and Surveying Institute, Fuzhou 350003)

Permeability coefficient is an important parameter to evaluate the formation permeability and water quantity. Many aquifers in the coastal region are not ideal as horizontal, homogeneous, infinitely extended aquifers. In this paper, the results of hydrogeological parameters of inhomogeneous formation were compared and analyzed, respectively calculated by the formula of steady flow with different observation holes and water level recovery, based on the pumping test of a station of Fuzhou Metro Line 2. The results showed that the permeability coefficient calculated by the steady flow formula is relatively accurate, and the result of water level recovery is too large. According to the results of steady flow calculation of permeability coefficient, the rule of the sensitivity of the depth is: single hole < main hole +1 observation hole < main hole +2 observation hole. In the coastal area with the shallow heterogeneous aquifer, the hydrogeological parameters get by relative rough formula such as single hole or 1 observation hole according to the stable flow is more reliable.

Inhomogeneous formation; Pumping test; Permeability coefficient; Accuracy; Sensitivity

王迪(1987.1- )，女，工程师。

E-mail:343224853@qq.com

2017-03-14

TU46

A

1004-6135(2017)07-0123-05