复杂水文地质条件下抽水试验方法及渗透系数确定

2022-03-24李瑞

四川建材 2022年3期

李瑞

(山西华晋岩土工程勘察有限公司，山西太原 030021)

0 前言

本文研究项目所在地为山西省省会太原市，作为山西省政治、经济、文化和国际交流中心，太原市的发展可谓是日新月异，一座座标志性建筑物如雨后春笋快速建立，而这些超高层建筑背后的各项技术成为工程安全与质量的考验。太原市市中心某超高层建筑物(高度约300 m)，基坑深度约24 m。该工程重要性等级为一级，地基基础设计等级为甲级，基坑安全等级为一级，基坑深度范围内存在多层含水层，水文地质条件复杂。勘察工作是设计施工的首要步骤，为保证勘察工程质量，为基坑支护设计与降水工程设计提供准确可靠的参数，同时兼顾施工进度与成本，本工程水文地质评价抽水试验采用稳定流法。

1 工程概况

某工程建筑位于山西省太原市迎泽区，为人口密集的市中心区域，占地面积约为20 000 m3，由主楼、商业裙房及地下车库组成，主楼地上约70层；设有裙房地上9层；整个场地建筑地下4层，是集甲级办公楼、酒店、住宅、商业及纯地下车库等多种配套服务功能于一体的综合性建筑，建成后必将成为山西省标志性建筑物之一。该工程基坑深度约24 m，因此，本勘察工程提供的渗透系数、地下水埋藏深度、含水层竖向分布规律对基坑支护设计及降水工程施工有较大影响，必须引起重视。

2 场地水文地质条件

拟建场地地貌单元属汾河东岸Ⅱ级阶地，勘察深度范围内，场地地基土自上而下依次为：第四系全新统人工堆积层(Q42ml)，第四系全新统中早期冲洪积层(Q41al+pl)，第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)，第四系中更新统冲洪积层(Q2al+pl)，地层右上而下主要为：人工填土层，粉土层，粉细砂层，粉质黏土层，中细砂层，圆砾，粗砂层。

本次勘探深度范围内共揭露8层地下水，地下水情况见表1。

表1 地下水情况一览表

第1层地下水补给主要以大气降水垂直渗入及侧向径流补给方式为主，以侧向径流为主要排泄方式。

第2层及以下的地下水补给主要以侧向径流补给方式为主，以侧向径流为主要排泄方式。

3 抽水试验

本工程最浅水位埋深3.0～7.0 m，基坑深度约24 m，降水工程及基坑支护工程是地下工程施工的重点和难点，本工程采用“一抽两观”，多孔抽水试验，现场测得基坑深度范围内土层渗透系数。

3.1 抽水孔和观测孔的设计

根据建设单位委托，本次共布置抽水试验2组，每组抽水孔设置一条观测线，每条观测线上布置2个观测孔。

1)成孔。抽水孔和观测孔均采用工程钻机成孔，反循环施工工艺清水钻进。抽水孔成孔直径为150 mm，观测孔成孔直径为110 mm。

2)井管的制作。抽水孔的井管采用Φ=127 mm的钢管，观测孔的井管采用Φ=50 mm PVC管。滤水管：根据每个含水层的厚度制作相应长度的滤水管，滤水管透水孔按照梅花形排列，孔隙率20%左右，管外包滤网。

3)下管。清理孔底沉淀物，复测井深，准备工作完成后，安装井管，钢管采用丝扣连接，PVC管采用管箍和PVC胶水连接。安装时孔内井管上口保持水平，吊装在井孔的中心，并在井管上分段设扶正木，防止井管碰撞井壁造成井管损伤事故。现场情况见图1。

4)填砾、止水。滤料粒径为2～4 mm，计算每米用滤料，滤料备有余量。填滤料时，沿井管周边均匀连续投入，填料速度为3～5 m3/h左右。抽水孔止水材料采用海带，并提前绑扎于钢管上。

5)洗井。抽水孔管井下完后，采用泵抽洗井，直至水清砂净，达到含砂量要求。洗井后单孔涌水量增大不超过5%，动水位下降不超过水位下降值的1%。

6)抽水试验工艺流程。钻孔—井管制作—下管—填砾、止水—洗井—试抽—正式抽水试验。

抽水孔和观测孔的安装记录详见表2～3。

表2 抽水孔安装记录一览表

表3 观测孔安装记录一览表

3.2 试验方法

抽水试验采用稳定流法，抽水采用小口径潜水泵，水泵型号为90QJD4-40/10和90QJD4-52/12，水量用量筒和三角堰配合测量，水位测量采用万用表水位计，抽水孔和观测孔的水位在量测前分别对各个观测尺进行校核，现场由专人负责计时和发布观测指令，抽水孔和观测孔的各次观测同一时间进行，基本消除时间差造成的误差。在抽水孔出水管外界增加一测管，保证测管强度，管径、垂直度，以保证电测深能够顺利测定水位。

1)水位降深。每个抽水孔进行三次降深，三次降深按次序从小到大分别为S1≈1/3S3、S2≈2/3S3、S3(S1为第一次降深，S2为第二次降深)。三次降深的延续时间分别不小于24、12、12 h，稳定时间分别不小于12、8、8 h。

2)观测频率。

(1)静止水位观测：试验前对自然水位要进行观测。一般地区每小时测定一次，三次所测水位值相同，或4 h内水位差不超过2 cm者，即为静止水位。

(2)水位观测时间一般在抽水开始后第5、10、15、20、25、30、45、60 min进行观测，以后每隔30 min观测一次，稳定后可延至1 h观测一次。水位读数应准确到厘米(cm)，抽水孔和观测孔同时进行观测。

(3)恢复水位观测：一般在抽水试验结束后或中途因故停抽时，均应进行恢复水位观测，通常停泵后应立即观测恢复水位，观测时间间隔1、3、5、10、15、30、45、60 min进行观测，以后每隔30 min观测一次。若连续3 h水位不变，连续4 h内每小时水位变化不超过1 cm，或者水位升降与自然水位变化相一致时，即可停止观测。观测精度要求同静止水位的观测。

3)稳定延续时间和稳定标准

(1)稳定延续时间一般为8～24 h，稳定延续时间是指某一降深下，相应的流量和动水位趋于稳定后的延续时间。

(2)稳定标准：在稳定时间段内，涌水量波动值不超过正常流量的5%，主动水位波动值不超过水位降低值的1%。

4)抽水试验时对排水安排。为防止抽出的水渗入到抽水层，根据地形坡度，地下水流向和地表渗透性能等因素确定合理的排水方向和排水距离，并使排水通畅。

3.3 参数计算

第①、②层含水层抽水井为潜水完整井，抽水试验采用稳定流法，参数计算采用潜水完整井公式计算水文地质参数渗透系数，计算公式如下：

式中，K为渗透系数，m/s；Q为出水量，m3/d；S为观测孔水位下降值，m；H为自然情况下潜水含水层厚度，m；r为观测孔距抽水孔的距离，m。

第③层含水层抽水孔为承压水完整井，抽水试验采用稳定流法，参数计算采用承压水完整井公式计算水文地质参数渗透系数，计算公式如下：

式中，M为承压含水层厚度，m。

3.4 小结

根据抽水试验结果计算，第①、②和③层含水层的渗透系数如下：K1=2.2×10-4cm/s、K2=1.7×10-4cm/s、K3=3.2×10-3cm/s。

本次对基坑深度范围内③层粉土(第1含水层)和④层粉土(第2含水层)进行了室内渗透试验(垂直)，渗透系数分别为4.2×10-6、6.7×10-7cm/s。

通过室内渗透试验得出的渗透系数与现场抽水试验得出的渗透系数进行对比，现场抽水试验得出的渗透系数偏大，这是由于土层一般呈水平层理，均夹有粉细砂薄层，增加了透水能力，而室内渗透试验则受取土质量、试验边界条件的限制，故现场试验得出的渗透系数相对准确。本深基坑工程建议支护与隔水(降水)工程一体化设计、施工，可采用管井或喷射井点降水方式。在基坑外适当布置观测井及回灌井，以及时观测降水效果和周边水位变化幅度。基坑开挖及降水的同时应在基坑周边设置观察点，对基坑变形和周围建筑物进行监测。