郑州地下水均衡试验场的改建工程——试验介质的选择与试验土柱建造

宋高举，王 帅，李俊亭，黄继超，张 公，王继华，王 琳

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053；2.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.干旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；4.河南省地质环境览测院，河南 郑州 450016)

试验土柱是地下水均衡试验场的核心装置。原试验场用于试验的土样均为单一岩性，代表性较差，阻碍了试验成果的实际应用[1～4]。为使试验成果能较好地用于实践，试验土样的岩性、结构应接近实际地层。为此，由专家系统依照不同地貌单元地层岩性与迭置关系进行概化，经试装填、模拟沉降试验、试验土样装填、沉降稳定性观测等步骤，完成试验土柱的建造[5～8]。

1 包气带岩性分区

河南省总体地势西高东低，以黄河为界，黄河以北地势由西南向东北缓倾，黄河以南地势由西北向东南缓倾。黄河以北地区的海拔高度从西部山前的150 m左右向东下降至40～50 m，在濮阳市台前县成为黄河以北地区的地势最低点，地面平均坡降0.14‰～0.25‰；黄河以南的海拔高度从山地边缘的120 m左右逐渐下降至东部的50 m以下，淮滨沿淮河一些地方降至30 m以下，成为本省地势最低处，其地面平均坡降约为0.2‰～0.5‰。

图1 黄河冲积平原地貌分区图

河南省地貌单元包气带岩性分布规律主要表现为：河南省中部和北部为黄河下游冲积平原，主要是由黄河冲积形成的广阔平原，为华北大平原主体的东南缘部分，其由黄河多次决口泛滥改道而成(图1)。黄河冲积平原按其形成历史、形态特征及其地质结构，进一步分为冲积扇平原和泛滥平原，在二者之上，受人类工程干预影响形成现黄河河道。其古河道高地、古河道洼地、泛流平地、沙丘沙地、决口扇等微地貌较为发育。其包气带岩性主要为灰黄色、黄褐色砂层和粉土互层，砂层以细砂、粉细砂为主，如开封市兰考县、安阳滑县、濮阳清风县；淮河冲积平原，主要沉积物由上更新统和全新统冲积沉积物，其包气带岩性主要表现为黄褐色粉土、粉质黏土为主，局部分布有灰黑色淤泥质粉土，如驻马店汝南县；南阳盆地主要沉积物由上更新统和全新统冲积沉积物，其包气带岩性主要为黄灰、黄褐色粉质黏土、粉土、粉细砂等，如南阳市卧龙区；豫西黄土丘陵区为黄土堆积区，受流水侵蚀，沟谷特别发育，沟谷深切，地形破碎，高低起伏，主要由中更新统和上更新统黄土组成，其包气带岩性主要为棕红色、黄色粉质黏土和粉土，如洛阳市孟津县。

综合河南省地貌特点，对包气带岩性及结构进行分区，概化为黄河北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原、南阳盆地、豫西黄土丘陵等五大地貌单元作为本次选择土样的地质基础。

2 试验柱剖面概化及典型地段勘查论证

2.1 概化剖面

郑州地下水均衡试验场研究目的是研究包气带水分运移规律，概化试验土柱剖面代表的不是某一个点，而是一个区域，因此每个地貌单元的概化剖面一定要有区域代表性，据此制备的试验柱，其所得数据才具有广泛的代表性。

河南省地貌类型复杂，包气带岩性、成因、厚度差异性大。为使本次试验土柱有区域代表性。在充分考虑各地貌单元成因类型、土体结构、物理力学特性、地层迭置关系等因素的前提下，综合单项因素的影响程度。首先采用专家分项打分评判法，由每个专家提供参考建议并绘制出地层剖面图。经过综合分析、高度概化，最终确定5个地貌单元概念模型剖面图(图2)。

图2 7 m试验柱概化岩性剖面图

2.2 典型地段勘查论证

针对概化的土体结构剖面，选择概化区域内的典型地段进行勘查，检验概化包气带岩性及岩层迭置关系的代表性。

以黄河南冲积平原为例，选取黄河南背河洼地(开封市新区)、黄河南泛流平原(兰考县)、黄河南微倾斜平原(杞县)三个区域，采用人力浅钻(洛阳铲)配合确定三个区域的地层剖面(图3)。

将黄河南冲积平原三个典型地段的地层剖面图与概化剖面图进行对比分析，概化剖面图中的细砂、粉质黏土、粉土、粉细砂在实际地层中均有发现，且地层迭置关系基本正确，只是地层厚度略有差异。经过对黄河南冲积平原概化剖面的勘查论证，可以看出本次概化的概念模型剖面与实际地层基本一致，概化剖面可靠。

对其他地貌单元也同样进行了典型地段勘查，结果表明，五大地貌单元概化的7 m深度包气带岩性剖面有较好的代表性。

2.3 土样采集

结合典型地段勘查，同时开展土样采集与实验分析工作，共采集岩样60组，颗粒分析样品24组，测试土样含水率、干容重、颗粒级配，以确定各地貌单元试验土样有无在同一地点采集的可能。

考虑到地貌成因，首先对黄河北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原目标层样品进行横向对比。对比结果见表1。

图3 开封新区、兰考及杞县地层剖面图

表1 测试样品含水率对比

对比表明，黄河南、黄河北两地貌单元各岩性特征差别不大，但与淮河冲积平原有较大差异。据此黄河南、黄河北试验土样可在同一地点采集，淮河冲积平原试验土样应单独采集。对黄河南、北和淮河地貌单元颗粒级配进行对比，结果见表2。

通过三地貌单元各地层颗粒分析结果横向对比，黄河南与黄河北两地貌单元的各项数据差别不大，但与淮河冲积平原有较大差别。因此黄河南、黄河北试验土样可在同一地点进行采集，淮河冲积平原的样品采集需单独采集。由于地层成因的特殊性，南阳盆地、豫西黄土丘陵样品均应单独采集。

3 试验柱建造

3.1 试验柱

郑州地下水均衡试验场改建共建造25个试验柱，试验柱的高度分别包含1 m、2 m、3 m、5 m、7 m等五个不同高度，每个高度又包含黄河北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原、豫西黄土丘陵、南阳盆地等五个区域。试验柱的尺寸参见文[7]。

表2 测试样品颗粒分析对比

3.2 试验柱土样装填试验

试验土样按概化的剖面进行配置。向试验柱中填充试验土样，分层填入。每填一层，按照充水—静置12 h—排水—静置12 h的要求，取样测定干容重，重复五次(5d)。如果所测干容重相对误差不超过5%(实验室条件下测试目前所能达到的较好精度)，则该层填充工作结束，方可进入下一层填充工作。

考虑到25个试验柱合计填入的试验土样总长度达90 m，其岩性为细砂到黏土，尤其是黏性土样，充水之后释水需要较长的时间，填充工作量相当大。为克服这个困难，需做一些试验，取得必要的填充经验。

土样装填试验方案首先采用1 m试验柱，在铺好试验筒中零水位下的粗粒介质后，开始填充试验土样。每次仅填入10 cm，采用脚踩并用皮锤击打一遍，再继续填入10 cm，如此填到1 m高度，充水至饱和，静置12 h，开始排水。出乎意料的排水到第10天，依然无法取样(表面依然近似饱和)，可见细粒介质释水之难。由此可见，要完成25个试验柱90 m的填充任务，所需的时间之久是难以接受的。

对试验滤料充水、静置、排水，其目的就是使颗粒结构由松散排列演化到紧密排列，以达到要求的密实度。据此设计一装填试筒土样的模拟试验方案。

3.3 土样填充模拟试验

考虑到25个试验柱中不同试验土样的装填厚度大致为1 m，因此按照相应比例设计了小型模拟试验筒。按照同样的击实程度，在模拟试验筒中装填入试验土样(图4)。填充工作结束之后，充水至饱和，再静置12 h，释水12 h，送进烘箱烘干24 h(烘箱温度110 ℃)，待冷却称重以求干容重。按图4(b)所示，前、后、左、右及中间测量5个点的沉降量值，并取其平均值作为此试验土样的沉降量值。模拟试验(图5)共进行了3次，其记录见表3。

图4 模拟填充和测量沉降量取点示意图

图5 模拟试验照片

3.4 试验土样的装填

根据模拟试验数据，对各个试验柱制定了装填计划(图6)，并按计划完成试验土样装填。经充水、静置、排水之后对其高度进行了测量(表4)。经计算相对误差的平均值为1.2%，最大者为3%，占比为1%。试验土样填充误差最大不超过3%，满足试验柱精度要求。

3.5 稳定性观测

试验柱构成之后，不能立即安装相应传感器，因为当试验柱内的试验土样处于继续沉降时，将直接影响传感器探头与试验土样的密切接触，严重情况下甚至导致探头断裂。因此，试验柱制备完后，要进行试验土柱沉降观测。设计了如图7(a)所示的三角尺垫，测量时将其牢牢嵌入至土柱的表面。

为了克服前、后视距差过大引起的测量误差，沉降观测网络按图7布置站点，前、后视距之差应尽量保证在3 m以内。

沉降量观测历经三个月，当沉降量最大日平均沉降小于0.4 mm时，开始安装相应传感器此试验柱建造全部完成。沉降量观测如图8所示。

图6 南阳盆地7 m试验柱装填计划

图7 用于沉降观测的三角尺垫(a)和沉降观测场仪站布置图(b)

图8 2017年各试验柱沉降观测曲线(单位：mm)

4 结论

(1)郑州地下水均衡试验场的试验土柱，结合河南省不同地貌单元的地层结构与岩性，经专家分项打分评判法概化推荐，对每一地貌单元形成一组7米深度有一定代表性的5个试验土柱概化剖面，为试验介质参数测定、数学模型的建立及实际应用奠定了一定的地质基础，比原试验场有较大改进。

(2)沉降观测表明，通过填充模拟沉降试验所得数据，规划试验柱预填充厚度，是 “多快好省”、行之有效的方法。在类似的项目中可以借鉴使用。

表3 沉降量模拟试验记录表

表4 试验料装填误差统计