1、钱塘江冲积地层中抽水试验方法的选择【摘要】本文介绍如何正确选择钱塘江冲积层抽水试验的试验方法，为地铁车站施工降水和基坑维护方案提供准确的水文地质参数。 【关键词】冲积层抽水试验 水文地质参数 中图分类号： P345 文献标识码： A 文章编号： 1概述 钱塘江河口相冲积堆积的粉性土及砂性土地区，厚度一般在 20 余米，其下为海陆交互相沉积的淤泥质软土及粘性土，地面下深约 4045m 左右为古钱塘江河床堆积的圆砾层，基岩埋深一般在地面下 5563m 左右。由于钱塘江冲积层内富含地下水，给地铁车站 20 余米的深基坑施工带来一定困难。2005 年 3 月 9 月间，在杭州市秋涛路地铁实验站的施工过
2、程中曾因冲积层内地下水丰富，渗透性强，基坑内积水难以排除，维护困难，使施工进度受到影响。如何正确选择钱塘江冲积层抽水试验的试验方法、确定水文地质参数对今后车站施工降水和基坑维护方案尤关重要。 抽水试验的目的为查明地铁车站场地浅部基坑开挖深度内地层渗透性和深部承压含水层渗透性，为隧道掘进防渗和深基坑开挖降水设计提供设计依据。 2地质、水文地质简况 根据杭州水文地质资料，依据地下水根据其含水介质、赋存条件及水动力特征主要可分为潜水含水层和承压含水层两大类含水层。 潜水含水层：主要赋存于钱塘江两岸浅部粉、砂性土层内，其富水性和透水性具有各向异性，含水层厚度 15m 以上。孔隙性潜水受大气降水竖向入渗
3、补给及地表水体下渗补给为主，径流缓慢，以蒸发方式排泄为主，浅部地下水循环交替强烈，水位随季节气候动态变化明显，据区域资料，动态变幅一般在 1.01.50m 之间。 承压含水层透水性良好，钱江两岸均有分布，为钱塘江古河道，受上游侧向径流补给，水量充沛，具明显的埋藏深、污染少、水量大的特点。 钱塘江南岸承压含水层主要分布于深部的细砂、圆砾层中，水量较丰富，隔水层为上部的淤泥质土和粘土层。承压含水层顶板高程约在-40.0-37.0m，隔水层顶板高程为-15.25-16.00m；根据设置的长观孔观测资料，承压水位埋深在地表下 5.706.27m，相应高程为-1.06-1.63m。 钱塘江北岸承压含水层
4、主要分布于深部的圆砾层中，水量丰富，隔水层为上部的淤泥质土和粘土层。承压含水层顶板高程为-26.0-24.0m，隔水层顶板高程为-14.02-15.12m；根据设置的长观孔观测资料，承压水水位埋深 8.2410.10m，相应高程为-0.51-2.37m。 3试验方法和过程 3.1 抽水试验孔及观测孔的布置原则 经多次试验比较，各车站工点均采用潜水完整井稳定流抽水试验和承压水非完整井稳定流抽水试验。潜水完整井多孔稳定流抽水试验孔垂直于地下水流向布置，试验孔同侧布置 2 个观测孔，与抽水孔成一直线，第 1 只观测孔距离主孔一般 23m，第 2 只观测孔距离主孔 810m。 承压水非完整井多孔稳定流
5、抽水试验孔垂直于地下水流向布置，为符合与裘布衣、吉林斯基计算公式相匹配的计算边界条件，试验孔同侧布置 2 个观测孔，与抽水孔成一直线，第 1 只观测孔距离主孔为1.73m，第 2 只观测孔距离主孔 5.210m，两者之间孔距为 1/3 关系。 3.2 成孔方法 潜水抽水试验孔全孔采用 168mm 钻具造孔，下入 168mm 无缝钢管确保隔离地表填土层，以防止地表水的回灌，钻孔施工中尽量采用清水钻进，但考虑钱塘江冲洪积层造孔后容易产生坍塌，加入少量稀泥浆进行护壁，以 150mm 孔径钻穿潜水含水层，下入 146mm 无缝钢管，含水层内下入同径过滤管，底部设 5m 沉淀管。过滤管的孔隙率为 30%
6、，包网目数为 80100 目，外加包棕皮。潜水观测孔全孔采用 110mm 钻具造孔，钻穿潜水含水层，深度与抽水主孔相同。下入 75mm 无缝钢管，含水层内下入同径过滤管。过滤管的孔隙率为 25%，包网目数为 80100目。安装结束后，采用活塞强烈反复清洗，并配合水泵冲孔洗孔，直至水清砂净，待第二天观测静止稳定水位后，才正式抽水。 承压水抽水试验孔上部潜水层内采用 168mm 钻具造孔，下部钻穿潜水含水层进入承压水上部粘性土隔水层时，放置 146mm 无缝钢管后，直接采用锤击式打入粘性土隔水层中，以确保上部潜水含水层的完全隔离，达到止水效果；然后采用 110mm 孔径钻穿承压水含水层顶板，进入承
7、压含水层 l0.3M 深度（l 为过滤管长度、M 为承压含水层厚度） ，下入 108mm 无缝钢管，承压含水层内则变径为 89mm 过滤管，两者之间直接采用索节变径，并在变径处缠绕海带进行止水，过滤管的孔隙率为 25%，包网目数为 100 目，外加包棕皮。承压水观测孔全孔采用110mm 钻具造孔，下部钻穿潜水含水层进入承压水上部粘性土隔水层时，放置 108mm 无缝钢管后，直接采用锤击式打入粘性土隔水层中，以确保上部潜水含水层完全隔离，然后采用 110mm 孔径钻穿承压水含水层顶板，进入承压含水层 t0.3M 深度（t 为观测孔过滤管长度、M 为承压含水层厚度） ，下入 75mm 无缝钢管，含
8、水层内为 75mm 过滤管，并在含水层顶板处缠绕海带进行止水，过滤管的孔隙率为 25%，包网目数为100 目，外加包棕皮。安装结束后，采用活塞强烈反复清洗，并配合钻机水泵正循环和空压机间歇冲孔洗孔，直至水清砂净，待第二天观测静止稳定水位确认止水成功后才正式抽水。 抽水试验安装结构见示意图。 注：过滤器边上要安装测压管，测量水跃值 3.3 试验方法 根据钱塘江冲洪积地层水文地质条件特点，潜水层抽水试验采用小降深稳定流抽水试验方法，降深顺序从小到大分 3 次降深，各次降深值间隔控制在 1.52.0m。在完成三次小降深试验后，进行最大降深值的抽水试验，稳定时间不少于 8 小时。承压水层抽水试验，根据
9、水位降深情况，抽水分 13 个落程，稳定时间不少于 8 小时。 3.4 抽水设备 潜水抽水选用 108 型潜水泵，观测水位采用万用表电测水位仪，涌水量采用三角堰计量，水泵抽水时，吸水龙头在各次降深中放在最大降深动水位以下 1.0m 处。 承压水抽水设备采用 CVFY-12/7 型空压机抽水，风管浸没比控制在0.50.6，测压管放置深度低于风管出风口 5m 以上，风管出风口在动水位以下不少于 10m。流量观测采用三角堰，水位观测采用万用表电测水位仪。 3.5 试验操作 试验前对自然稳定水位进行观测，一般稳定 12 小时后观测，以 1 小时观测一次，连续观测四次所测水位相同，可认为静止水位，试验抽
10、水前，同步观测抽水孔和观测孔的静止水位。正式抽水试验按有关规程要求进行，水位测量间隔时间 1、1、1、3、3、3、5、5、10、15、20 min、以后每隔 30min 记录一次，直至抽水试验结束。 试验抽水中，同步观测抽水孔及观测孔的动水位；水温、气温观测的时间，每隔 24h 同步测量一次。 抽水试验稳定标准根据出水量和水位降深与时间关系曲线在一定范围内微小波动，确定连续观测四次的水位变化不小于 1cm，且没有持续上升或下降趋势的原则，抽水试验的稳定延续时间不少于 8h，承压水层空压机抽水孔水位波动不小于 10cm。 抽水试验结束后立即进行孔内恢复水位的观测。停抽后恢复水位测量间隔时间：同抽
11、水测量间隔时间，直至水位恢复到或接近静止水位为止。 试验过程中，现场绘制 Q-S 曲线。 4试验成果整理 4.1 渗透系数估算 由于受条件的限制，潜水抽水试验一般进行的是混合抽水试验，即将上部潜水含水层粉土、砂性土假设为均质土层，以各土层混在一起抽水，并将抽水井模拟为淹没滤水管井壁进水的完整井，由于抽水孔处于的水文地质环境不同，边界条件也有所不同，采用的计算公式也不尽相同。 表 4.1-15 是地铁某站点抽水试验按不同边界条件计算的渗透系数k 和影响半径 R 的成果。 靠近河流、观测线平行岸边、带两个观测孔为边界条件的渗透系数计算公式（裘布衣弗尔格伊米尔公式）：， 影响半径 R 的计算公式为：
12、R=575SW。 靠近河流抽水试验成果汇总表 表 4.1-1 以远离地表水的、带两个观测孔为边界条件计算公式（裘布衣）：渗透系数计算公式为： ， 影响半径 R 的计算公式为： 远离地表水抽水试验成果汇总表 表 4.1-2 备注：试验现场附近有基坑在降水。 表 4.1-3 备注：无基坑降水情况。 从表 4.1-2、4.1-3 两个表中成果分析可以得知，外界干扰对抽水试验成果影响很大。 承压含水层抽水试验是将抽水井模拟为滤水管位于含水层顶部井壁进水的非完整井，根据承压水抽水试验孔涌水量大小确定试验阶段，当涌水量大降深小时，按一个试验段进行抽水试验，当涌水量小时采用三次降深和一次最大降深试验。 资料
13、整理按行标水电水利工程钻孔抽水试验规程 （DL/T5213-2005）裘布衣、吉林斯基计算公式，其边界条件为：按远离地表水、过滤器在含水层顶板；L0.3M；r20.3M,r1=0.3r2,t=L 边界考虑，渗透系数计算公式： 影响半径 R 的计算公式为：R=575SW。 远离地表水承压水抽水试验成果汇总表 表 4.1-4 南岸承压水现场抽水试验成果汇总表 表 4.1-5 4.2 试验成果分析 潜水含水层地下水在空间的运动呈各向异性，在试验中受进水断面、土体不均一性等因素影响，特别是粉、砂性土层具有水平层理构造，地下水对抽水井补给的渗透运动应以水平向为主，垂直向次之，在接近滤水管附近更接近三维流
14、，但试验计算中均采用假设条件进行，概化抽水土体均质体，补给水流为稳定流，其值为综合值。经计算渗透系数在10-3cm/s 左右，属弱透水性，总体透水性良好。 承压水含水层地下水多受土颗粒级配、密实程度、胶结程度及孔隙的贯通程度而异，钻探揭露该含水层砾石颗粒自上而下逐渐变粗，北岸承压含水层厚度大，透水性好，水量极其丰富，水质清澈；南岸承压含水层层细砂、圆砾层，含水层厚度约 15m，颗粒粒径 24cm 为主，粘粒含量 14.5%，水量较丰富，但水质相对浑浊，含砂量较高。透水性北岸承压含水层大于南岸承压含水层。 本次抽水试验成果潜水含水层测定的渗透系数 k=10-3cm/s，北岸承压水含水层渗透系数为
15、 k=10-1 cm/s，经施工阶段江北风井施工降水的承压水含水层渗透系数对比比较接近，南岸承压水含水层渗透系数为 k=10-2cm/s。 5.抽水试验中的异常现象及处理 水文地质条件和边界条件决定于试验成果的合理性，在潜水抽水试验过程中，由于降雨，对试验观测孔的测试影响很大，会造成观测数据不准确，影响抽水试验计算成果。因此，在抽水试验过程中，采用延长抽水试验及稳定的时间，以求得水文地质参数的合理。现场绘制 Q-S 曲线，分析原因，因在气候条件正常情况下重新试验，并进行分析对比，找出原因。 抽水孔的清洗，由于场地潜水含水层为粉、砂性土，孔壁易坍塌，因此，造孔过程中，采用少量稀泥浆进行钻进，抽水
16、前如果未能将孔壁完全清洗干净，则抽水孔的流量会受到影响。在试验过程中 Q-S 曲线反常，必须对抽水孔重新清洗或重新造孔，再进行抽水试验。 6.几点体会 1、对于钱塘江冲积层抽水试验造孔孔径宜大于 168mm 以上，小了抽水设备就难以安装，难以控制降深。地铁过江隧道江北风井施工降水造孔采用了 孔径 300mm，下 270mm 过滤管，共设置 5 个降水井，地下水位降至 26.8m，降深为 14.8m，单井流量约 10000m3/d；抽水试验所用过滤器外包过滤网的目数经过多次比较，宜选用 80100 目，至于包裹棕皮的过滤效果，经试验比较认为只要正确选择过滤网与地层的颗粒级配相匹配目数，能阻隔细小
17、颗粒不进入过滤管就可以不包棕皮。 2、造孔尽量采用清水钻进，严禁使用浓泥浆，否则过滤网容易堵塞而影响抽水试验效果。 3、试验场地应尽量选择符合水文地质试验计算公式的边界条件，按这些边界条件进行布置试验孔和观测孔，因不同的边界条件与计算公式水文地质参数会有不同的结果。 4、对于钱塘江冲洪积层中潜水含水层的抽水试验应采用小流量、小降深，否则容易产生紊流，影响试验数据和计算公式的选用。 5、本次承压含水层试验过程中采用 10 立方和 3 立方压风机进行对比，并不是风量越大，出水量越大，在采用压风机抽水时，风管的浸没比非常重要，现场最好反复试验，确定一个合理的浸没比。 6、绘制 Q-S 曲线试验成果中发现各降深与流量关系曲线线形不圆滑，分析其原因可能是流量计量精度有关。目前在试验中通常采用的是三角堰计量而产生的读数误差；当采用流量表计量时，由于潜水含水层中流量不大，流量表会出现停止现象而无法记数，因此，原始数据的正确采集今后还有待于解决和探讨。 以上是杭州钱塘江冲积层中抽水试验中的几点体会，由于地质条件及水文地质条件的复杂性，本次只对地铁现场水文地质试验作一次工程写实，做到抛砖引玉之用。 参考文献
