基于抽水试验的灰岩承压含水层水文地质参数分析

吕红娟

(河北省地矿局 第七地质大队，河北 三河 065201)

0 引 言

获取真实反映地层的水文地质参数是岩土工程勘察中的重要工作内容，直接关系到地下工程防排水设计施工的可靠性和工程建设的安全性[1-3]。近年来，由于地下水诱发的基坑工程事故和隧道涌水突泥事故等屡见不鲜，其中最为重要的原因是抽水试验计算获取的水文地质参数往往依赖于经验公式和水文工作者的经验进行修正，与实际地层情况产生较大差异[4-6]。特别是对于灰岩地区，依赖抽水试验求解岩土层的水文地质参数，往往需要大量的观测孔和多次抽降次数才能获取较为精确可靠的数据，需要耗费较高的人力和时间成本，采用数值模拟反演计算地层的水文地质参数是解决问题的有效途径[7]。

本文依托南京地铁4号线桦墅站-仙林东站区间设中间风井的抽水试验，在分析场区的工程地质与水文地质特征的基础上，采用抽水试验与水文观测孔相结合的方法，对中间风井基坑的主要水源层周冲村组灰岩承压含水层进行水文试验。依据现场测试成果，基于VISUAL MODFLOW软件，创建地下水系统的水文地质数值模型，以获取场区周冲村组灰岩承压含水层渗透系数、导水系数等水文地质参数。为灰岩地区承压含水层水的水文地质参数精确预测提供一定的依据，本研究具有一定的理论和实践意义。

1 工程概况

南京地铁4号线一期工程线路西起龙江站，由南京主城一路向东，北绕紫金山，进入紫东地区，东至仙林湖站，全长34.008 km，设车站17座，车辆段1处(青龙车辆段)，主变电所2座。桦墅站-仙林东站区间设中间风井兼作盾构工作井1座，里程范围为右DK42+050.533～右DK42+066.133，宽15.6 m，长23.8 m，工作井基坑底部深17.5 m，基坑开挖方式采用钻孔灌注桩+水平内撑结合旋喷止水。见图1。

图1 工程场区位置示意图

2 场区工程地质条件及水文地质特征

2.1 工程地质条件

试验场地表层为可塑～硬塑状Q4黏性土，厚度一般为8～23 m，下伏基岩为周冲村组灰岩和象山群砂岩，厚度较大；受地质构造和风化作用的影响，场地内基岩裂隙和溶蚀较为发育，岩石岩性、强度变化大。

区间风井位置处的主要地层为：①素填土(Q4)：黄灰～灰色，松散，以可～软塑状粉质黏土为主，夹少量碎石、植物根茎、砖屑等，厚度约1.00～1.20 m；②粉质黏土(Q43-2)：灰黄～黄灰，以可塑为主，局部软塑，偶含腐植物碎屑，有光泽，干强度中等，韧性中等，无摇震反应，厚度约1.50～2.00 m；③粉质黏土(Q42-1)：灰黄～黄褐，可～硬塑，含铁锰质结核和少量铁质斑浸染，见青灰色高岭土细脉和小团块，局部偶夹钙质结核，底部夹岩石碎块，厚度约5.80～6.50 m；石灰岩(T2z)，灰色～灰紫色，层状构造，岩芯呈短柱状～柱状，局部碎块状。局部为角砾状灰岩。溶孔和溶蚀洞极发育，顶部呈蜂窝状，洞内多被黏性土和风化岩块冲填，往下充填物渐少，岩块强度高，其中13.20～14.90 m、16.80～19.20 m、22.25～28.50 m、35.45～39.50 m、41.10～45.20 m段裂隙发育，岩芯破碎，其余段较完整，47.00～47.75 m为溶洞。

2.2 场区水文地质特征

场区水文地质条件较复杂，地下水类型齐全，孔隙裂隙水、岩溶裂隙水和孔隙潜水均有分布，各类地下水的水文地质特征如下：

孔隙潜水主要分布于地层浅部①素填土和②粉质黏土中，③粉质黏土为相对隔水层。补给来源主要为周边基岩裸露接受大气降水，以蒸发、侧向径流、下渗方式排泄。

基岩孔隙裂隙水主要分布于象山群砂岩基岩破碎带和风化裂隙发育带，具承压性。补给来源为周围山丘基岩裸露区的降雨入渗补给，由于受裂隙分布及相互连通条件的影响，径流滞缓，具有一定的不均匀性，一般以侧向径流为主要排泄方式。

岩溶裂隙水主要分布于周冲村组灰岩岩溶孔洞、溶隙、裂隙内，具承压性。地下水富水程度取决于岩溶及风化裂隙发育程度。试验场岩体裂隙、溶隙、溶孔极为发育，钻井施工中漏浆现象普遍，单井涌水量较大，富水性、透水性较好。据钻探采芯表明，浅部溶孔、溶隙多被软～流塑状黏土充填。岩溶裂隙水补给来源为周围山丘基岩裸露区的降雨入渗补给，沿破碎带、节理裂隙密集带汇集径流，主要以地下径流的形式排泄。岩溶裂隙水含水岩组为本次抽水试验的目的层。

试验场松散层主要为粉质黏土，孔隙潜水不发育。勘察期间，各钻孔灰岩岩溶裂隙水稳定水位埋深3.62～4.40 m，水位标高11.08～11.14 m，水位受大气降水影响变化较大。据勘察期间所测水位及临近区域水文地质资料，灰岩岩溶裂隙水水位年变幅3 m左右。

根据场地工程地质勘察资料分析，区间风井场地在平面上基岩分布有二套地层，象山群砂岩和周冲村组灰岩，基本以区间风井的南界为分界线，北侧为周冲村组灰岩，南侧为象山群砂岩，见图2。

图2 工程场区基岩水文地质图

3 现场抽水试验

为准确确定场地灰岩的富水性及渗透性，采用抽水试验与水文观测试验相结合的方法求取其水文地质参数，共布置1口抽水井，孔号为HX2，5口观测井，观测井分近南北和东西两个方向布设。近南北方向平行于隧道，布设3口观测井，距抽水井的距离分别为5、10和25 m，孔号分别为HX3、HX4、HX5；近东西方向垂直于隧道，布设2口观测井，距抽水井的距离分别为10和20 m，孔号分别为HX6、HX7。抽水试验井的平面位置示意见图3，抽水孔和观测孔参数见表1。3个降深的抽水试验及水位恢复试验共历时42 d。

图3 抽水孔和观测孔平面示意图

表1 观测孔和抽水孔的试验参数

采用非稳定流方法(同时兼顾稳定流方法)进行试验，抽水设备为深井潜水泵，水位测量使用电子水位计，抽水主孔水位测量精确到厘米，观测井中的水位测量精确到毫米。出水量采用水表或三角堰板测量，使用水表测量时读数精确到0.1 m3，使用三角堰测量时读数精确到毫米。

在试验性抽水结束后、正式抽水前，观测静止水位。观测时间间隔：每30 min或1 h观测1次，连续4个测点变幅不大于2 cm，且无持续上升或下降趋势，视为稳定。取最后4个测点的水位平均值作为静止水位值。

对抽水井水位的观测在正式抽水试验开始后第0.5、1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各测一次，以后每隔30min测一次(当水位近似稳定后，每1h观测1次)，直到水位降相对稳定；所有观测井水位同步观测。抽水试验过程中保持相对稳定的抽水量。

抽水试验结束，立即进行恢复水位观测。抽水井在抽水停止后第0.5、1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、120 min各测一次，以后每隔30min测一次，直到水位稳定；所有观测井水位同步观测，直至基本完全恢复。恢复水位稳定标准与静止水位观测要求相同，并与抽水前静水水位进行比较。

4 抽水试验结果

抽水试验采用非稳定流方法，抽水流量在3个降深抽水试验阶段均呈稳定状态，见图4，反映了场地地下水补给源稳定充足，抽水孔水位降深随抽水时间的延续呈下降趋势，一定时间后趋于稳定，抽水孔水位历时曲线见图5-图9。综合抽水试验成果表明，场区周冲村组灰岩承压含水层的富水性和渗透性较好，抽水结果为获取含水层的渗透系数、导水系数、储水系数、压力传导系数和降水影响半径等水文地质参数提供了充足的基础资料。

图4 抽水孔HX2的3次降深流量变化曲线

图5 抽水孔HX2第一次水位降深历时曲线

图6 抽水孔HX2第二次水位降深历时曲线

图7 抽水孔HX2第二降深水位恢复历时曲线

图8 抽水孔HX2第三次水位降深历时曲线

图9 抽水孔HX2第三降深水位恢复历时曲线

5 水文地质参数计算

水文地质参数采用数值模型计算，在综合分析工程区内工程地质、水文地质和地下水渗流场特征后，建立符合场区地下水渗流数值模型。并采用目前国际上流行的VISUAL MODFLOW软件，直接在计算机上创建地下水系统的水文地质数值模型，并进行模型的校正与识别，进而得出研究区的水文地质参数。

5.1 水文地质概念模型

试验地段岩层主要分布周冲村组灰岩，主抽水井地层0～1.20 m为①素填土(Q4)，1.20～2.60 m为②粉质黏土，2.60～8.80 m为③粉质黏土，8.80 m以下为周冲村组灰岩。根据岩土工程勘察资料，区间风井处基岩地质条件复杂，其北侧为周冲村组灰岩，顶板埋深17.50～29.90 m；其南侧象山群砂岩覆盖在周冲村组灰岩之上，砂岩顶板埋深18.00～26.50 m，厚度3.90～14.00 m。由图2可知，象山群砂岩地层(J1-2nx)与周冲村组灰岩地层(T2Z)在风井东南角处呈东南-西北向不整合接触，象山群砂岩为弱透水含水层，灰岩为强透水含水层，因此区间风井的水源主要为西北向周冲村组灰岩岩溶裂隙水。仙林东站和桦墅站的前期勘察抽水试验成果表明，象山群砂岩裂隙含水层渗透系数约为0.5 m/d，周冲村组灰岩地层渗透系数为26～70 m/d，为强透水层。与灰岩的渗透性相比，砂岩的渗透性相差很大，前者为后者的50～100倍，可视砂岩为相对隔水层。因此，本次抽水试验重点计算周冲村组灰岩的水文地质参数。为了克服由于边界的不确定性给计算结果带来随意性，本着定水头边界应远离源、汇项的原则，通过试算，以基坑中心为起点，各向外扩展约1 600 m，即实际计算平面尺寸为3 200×3 200 m2，灰岩区域按定水头边界处理，砂岩区域边界按隔水边界处理，在地下水的减压、疏干过程中，地下水流态为二维非稳定流。基坑内地下水的降压、疏干井是唯一的源、汇项。

5.2 水文地质数学模型

根据上述概念模型，可建立下列与之相应的数学模型：

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z∈Ω)

(2)

H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t) (x,y,z)∈Γ1

(3)

式中：Ss为贮水率，1/m；k为渗透系数，m/d；H为点(x,y,z)在t时刻的水头值，m；W为源汇项，1/d；t为时间，d；Ω为计算区；H0(x,y,z,t0)为点(x,y,z)处的初始水位，m；H1(x,y,z,t)为第一类边界上的水头值；Γ1为第一类边界。

5.3 模型识别与验正

将计算区在平面上剖分为100×100的矩形等距网格单元，单元数共10 000个，见图10。平面上共分两个含水层区域，即灰岩(T2z)含水层区和砂岩(J1-2xn)相对隔水层区，见图11。抽水井的流量由实测获得，见图4可知，含水层的初始水位由实测给出，含水层初始水头值由实测值经插值给出，边界上的水力传导系数及潜水弱含水层和象山群砂岩弱含水层的参数值结合仙林东站和桦墅站现场抽水试验和室内实验给出。根据本次工作第一、第二次降深及第二次降深恢复时段的抽水试验成果，选取抽水过程作为模型的识别时段，水位恢复过程作为模型的验证时段[8]。

图10 研究区数值模型平面网格剖分图

图11 研究区数值模型参数分区图

对5口观测井进行水位拟合，经水位拟合和反演计算，求得含水层的水文地质参数，各观测孔水位拟合曲线见图12～图16。从拟合结果来看，计算值和观测值的总体变化趋势一致，其参数可用于模型预报。

图12 观测孔HX3水位拟合曲线

图13 观测孔HX4水位拟合曲线

图14 观测孔HX5水位拟合曲线

图15 观测孔HX6水位拟合曲线

图16 观测孔HX7水位拟合曲线

5.4 水文地质参数计算

主抽水孔HX2第一次降深抽水试验平均流量为68.8 m3/h，最大水位降深19.56 m，HX3、HX4、HX5、HX6、HX7这5个观测孔水位最大降深分别18.14、11.53、7.13、11.40和6.19 m；主抽水孔HX2第二次降深抽水试验平均流量为33.7 m3/h，水位降深11.20 m，HX3、HX4、HX5、HX6、HX7这5个观测孔水位最大降深分别10.48、7.80、5.77、8.35和5.25 m；随后进行恢复水位观测。根据以上的数值模型，通过反演计算，求得周冲村组灰岩承压含水层的水文地质参数，见表2。

表2 灰岩承压含水层的水文地质参数

综上所得，周冲村组灰岩承压含水层的渗透系数k为11.1～14.9 m/d，导水系数T为360.75～484.25 m2/d，压力传导系数a为1.04×107～4.08×107，储水系数μ为2.00×10-5～9.00×10-5，当抽水井降深为19.56 m时，影响半径为703 m。可见，虽然各观测孔离抽水主孔距离不同，但计算的参数差异较小，基本能代表该含水层的特性。因此，建议各项水文地质参数选用平均值，即周冲村组灰岩承压含水层渗透系数k为12.9 m/d、导水系数T为418.6 m2/d、压力传导系数a为2.84×107、储水系数μ为4.20×10-5。结果表明，桦仙区间风井地段抽水孔单井涌水量高，地层渗透系数大。建议在保证基坑支护安全的情况下，采用降水井方案进行地下水的降排。

6 结 论

1) 经钻探揭示，桦仙区间风井地段地质条件复杂，其北侧为周冲村组灰岩；南侧象山群砂岩覆盖在周冲村组灰岩之上，两者属不整合接触。周冲村组灰岩承压含水层是本次抽水试验目的层位。根据钻探资料和灰岩含水层的抽水试验资料分析，灰岩含水层裂隙和溶蚀现象极为发育，浅部分布的溶孔、溶隙多被黏土充填，总体富水性和透水性好。

2) 根据本次工作第一、第二次降深及第二次降深恢复时段的抽水试验成果，选取抽水过程作为模型的识别时段，水位恢复过程作为模型的验证时段，对5口观测井进行水位拟合，经水位拟合及反演计算，求得含水层的水文地质参数。从拟合结果来看，计算值和观测值的总体变化趋势一致，其参数可用于模型预报。

3) 根据抽水试验成果，单井涌水量为68.8 m3/h，主抽水孔最大水位降深为19.56 m。经计算，基岩裂隙含水层平均导水系数418.6 m2/d，平均储水系数4.20×10-5，平均渗透系数12.9 m/d；影响半径在水位降深为19.56 m时约为703 m。建议在保证基坑支护的情况下，采用降水井方案进行地下水的降排。