鄭州地下水均衡試驗場的改建工程
——試驗介質(zhì)的選擇與試驗土柱建造

宋高舉，王 帥，李俊亭，黃繼超，張 公，王繼華，王 琳

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053；2.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.干旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；4.河南省地質(zhì)環(huán)境覽測院，河南 鄭州 450016)

試驗土柱是地下水均衡試驗場的核心裝置。原試驗場用于試驗的土樣均為單一巖性，代表性較差，阻礙了試驗成果的實際應(yīng)用[1～4]。為使試驗成果能較好地用于實踐，試驗土樣的巖性、結(jié)構(gòu)應(yīng)接近實際地層。為此，由專家系統(tǒng)依照不同地貌單元地層巖性與迭置關(guān)系進(jìn)行概化，經(jīng)試裝填、模擬沉降試驗、試驗土樣裝填、沉降穩(wěn)定性觀測等步驟，完成試驗土柱的建造[5～8]。

1 包氣帶巖性分區(qū)

河南省總體地勢西高東低，以黃河為界，黃河以北地勢由西南向東北緩傾，黃河以南地勢由西北向東南緩傾。黃河以北地區(qū)的海拔高度從西部山前的150 m左右向東下降至40～50 m，在濮陽市臺前縣成為黃河以北地區(qū)的地勢最低點，地面平均坡降0.14‰～0.25‰；黃河以南的海拔高度從山地邊緣的120 m左右逐漸下降至東部的50 m以下，淮濱沿淮河一些地方降至30 m以下，成為本省地勢最低處，其地面平均坡降約為0.2‰～0.5‰。

圖1 黃河沖積平原地貌分區(qū)圖

河南省地貌單元包氣帶巖性分布規(guī)律主要表現(xiàn)為：河南省中部和北部為黃河下游沖積平原，主要是由黃河沖積形成的廣闊平原，為華北大平原主體的東南緣部分，其由黃河多次決口泛濫改道而成(圖1)。黃河沖積平原按其形成歷史、形態(tài)特征及其地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步分為沖積扇平原和泛濫平原，在二者之上，受人類工程干預(yù)影響形成現(xiàn)黃河河道。其古河道高地、古河道洼地、泛流平地、沙丘沙地、決口扇等微地貌較為發(fā)育。其包氣帶巖性主要為灰黃色、黃褐色砂層和粉土互層，砂層以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，如開封市蘭考縣、安陽滑縣、濮陽清風(fēng)縣；淮河沖積平原，主要沉積物由上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)沖積沉積物，其包氣帶巖性主要表現(xiàn)為黃褐色粉土、粉質(zhì)黏土為主，局部分布有灰黑色淤泥質(zhì)粉土，如駐馬店汝南縣；南陽盆地主要沉積物由上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)沖積沉積物，其包氣帶巖性主要為黃灰、黃褐色粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂等，如南陽市臥龍區(qū)；豫西黃土丘陵區(qū)為黃土堆積區(qū)，受流水侵蝕，溝谷特別發(fā)育，溝谷深切，地形破碎，高低起伏，主要由中更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)黃土組成，其包氣帶巖性主要為棕紅色、黃色粉質(zhì)黏土和粉土，如洛陽市孟津縣。

綜合河南省地貌特點，對包氣帶巖性及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，概化為黃河北沖積平原、黃河南沖積平原、淮河沖積平原、南陽盆地、豫西黃土丘陵等五大地貌單元作為本次選擇土樣的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2 試驗柱剖面概化及典型地段勘查論證

2.1 概化剖面

鄭州地下水均衡試驗場研究目的是研究包氣帶水分運移規(guī)律，概化試驗土柱剖面代表的不是某一個點，而是一個區(qū)域，因此每個地貌單元的概化剖面一定要有區(qū)域代表性，據(jù)此制備的試驗柱，其所得數(shù)據(jù)才具有廣泛的代表性。

河南省地貌類型復(fù)雜，包氣帶巖性、成因、厚度差異性大。為使本次試驗土柱有區(qū)域代表性。在充分考慮各地貌單元成因類型、土體結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)特性、地層迭置關(guān)系等因素的前提下，綜合單項因素的影響程度。首先采用專家分項打分評判法，由每個專家提供參考建議并繪制出地層剖面圖。經(jīng)過綜合分析、高度概化，最終確定5個地貌單元概念模型剖面圖(圖2)。

圖2 7 m試驗柱概化巖性剖面圖

2.2 典型地段勘查論證

針對概化的土體結(jié)構(gòu)剖面，選擇概化區(qū)域內(nèi)的典型地段進(jìn)行勘查，檢驗概化包氣帶巖性及巖層迭置關(guān)系的代表性。

以黃河南沖積平原為例，選取黃河南背河洼地(開封市新區(qū))、黃河南泛流平原(蘭考縣)、黃河南微傾斜平原(杞縣)三個區(qū)域，采用人力淺鉆(洛陽鏟)配合確定三個區(qū)域的地層剖面(圖3)。

將黃河南沖積平原三個典型地段的地層剖面圖與概化剖面圖進(jìn)行對比分析，概化剖面圖中的細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂在實際地層中均有發(fā)現(xiàn)，且地層迭置關(guān)系基本正確，只是地層厚度略有差異。經(jīng)過對黃河南沖積平原概化剖面的勘查論證，可以看出本次概化的概念模型剖面與實際地層基本一致，概化剖面可靠。

對其他地貌單元也同樣進(jìn)行了典型地段勘查，結(jié)果表明，五大地貌單元概化的7 m深度包氣帶巖性剖面有較好的代表性。

2.3 土樣采集

結(jié)合典型地段勘查，同時開展土樣采集與實驗分析工作，共采集巖樣60組，顆粒分析樣品24組，測試土樣含水率、干容重、顆粒級配，以確定各地貌單元試驗土樣有無在同一地點采集的可能。

考慮到地貌成因，首先對黃河北沖積平原、黃河南沖積平原、淮河沖積平原目標(biāo)層樣品進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。對比結(jié)果見表1。

圖3 開封新區(qū)、蘭考及杞縣地層剖面圖

表1 測試樣品含水率對比

對比表明，黃河南、黃河北兩地貌單元各巖性特征差別不大，但與淮河沖積平原有較大差異。據(jù)此黃河南、黃河北試驗土樣可在同一地點采集，淮河沖積平原試驗土樣應(yīng)單獨采集。對黃河南、北和淮河地貌單元顆粒級配進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

通過三地貌單元各地層顆粒分析結(jié)果橫向?qū)Ρ龋S河南與黃河北兩地貌單元的各項數(shù)據(jù)差別不大，但與淮河沖積平原有較大差別。因此黃河南、黃河北試驗土樣可在同一地點進(jìn)行采集，淮河沖積平原的樣品采集需單獨采集。由于地層成因的特殊性，南陽盆地、豫西黃土丘陵樣品均應(yīng)單獨采集。

3 試驗柱建造

3.1 試驗柱

鄭州地下水均衡試驗場改建共建造25個試驗柱，試驗柱的高度分別包含1 m、2 m、3 m、5 m、7 m等五個不同高度，每個高度又包含黃河北沖積平原、黃河南沖積平原、淮河沖積平原、豫西黃土丘陵、南陽盆地等五個區(qū)域。試驗柱的尺寸參見文[7]。

表2 測試樣品顆粒分析對比

3.2 試驗柱土樣裝填試驗

試驗土樣按概化的剖面進(jìn)行配置。向試驗柱中填充試驗土樣，分層填入。每填一層，按照充水—靜置12 h—排水—靜置12 h的要求，取樣測定干容重，重復(fù)五次(5d)。如果所測干容重相對誤差不超過5%(實驗室條件下測試目前所能達(dá)到的較好精度)，則該層填充工作結(jié)束，方可進(jìn)入下一層填充工作。

考慮到25個試驗柱合計填入的試驗土樣總長度達(dá)90 m，其巖性為細(xì)砂到黏土，尤其是黏性土樣，充水之后釋水需要較長的時間，填充工作量相當(dāng)大。為克服這個困難，需做一些試驗，取得必要的填充經(jīng)驗。

土樣裝填試驗方案首先采用1 m試驗柱，在鋪好試驗筒中零水位下的粗粒介質(zhì)后，開始填充試驗土樣。每次僅填入10 cm，采用腳踩并用皮錘擊打一遍，再繼續(xù)填入10 cm，如此填到1 m高度，充水至飽和，靜置12 h，開始排水。出乎意料的排水到第10天，依然無法取樣(表面依然近似飽和)，可見細(xì)粒介質(zhì)釋水之難。由此可見，要完成25個試驗柱90 m的填充任務(wù)，所需的時間之久是難以接受的。

對試驗濾料充水、靜置、排水，其目的就是使顆粒結(jié)構(gòu)由松散排列演化到緊密排列，以達(dá)到要求的密實度。據(jù)此設(shè)計一裝填試筒土樣的模擬試驗方案。

3.3 土樣填充模擬試驗

考慮到25個試驗柱中不同試驗土樣的裝填厚度大致為1 m，因此按照相應(yīng)比例設(shè)計了小型模擬試驗筒。按照同樣的擊實程度，在模擬試驗筒中裝填入試驗土樣(圖4)。填充工作結(jié)束之后，充水至飽和，再靜置12 h，釋水12 h，送進(jìn)烘箱烘干24 h(烘箱溫度110 ℃)，待冷卻稱重以求干容重。按圖4(b)所示，前、后、左、右及中間測量5個點的沉降量值，并取其平均值作為此試驗土樣的沉降量值。模擬試驗(圖5)共進(jìn)行了3次，其記錄見表3。

圖4 模擬填充和測量沉降量取點示意圖

圖5 模擬試驗照片

3.4 試驗土樣的裝填

根據(jù)模擬試驗數(shù)據(jù)，對各個試驗柱制定了裝填計劃(圖6)，并按計劃完成試驗土樣裝填。經(jīng)充水、靜置、排水之后對其高度進(jìn)行了測量(表4)。經(jīng)計算相對誤差的平均值為1.2%，最大者為3%，占比為1%。試驗土樣填充誤差最大不超過3%，滿足試驗柱精度要求。

3.5 穩(wěn)定性觀測

試驗柱構(gòu)成之后，不能立即安裝相應(yīng)傳感器，因為當(dāng)試驗柱內(nèi)的試驗土樣處于繼續(xù)沉降時，將直接影響傳感器探頭與試驗土樣的密切接觸，嚴(yán)重情況下甚至導(dǎo)致探頭斷裂。因此，試驗柱制備完后，要進(jìn)行試驗土柱沉降觀測。設(shè)計了如圖7(a)所示的三角尺墊，測量時將其牢牢嵌入至土柱的表面。

為了克服前、后視距差過大引起的測量誤差，沉降觀測網(wǎng)絡(luò)按圖7布置站點，前、后視距之差應(yīng)盡量保證在3 m以內(nèi)。

沉降量觀測歷經(jīng)三個月，當(dāng)沉降量最大日平均沉降小于0.4 mm時，開始安裝相應(yīng)傳感器此試驗柱建造全部完成。沉降量觀測如圖8所示。

圖6 南陽盆地7 m試驗柱裝填計劃

圖7 用于沉降觀測的三角尺墊(a)和沉降觀測場儀站布置圖(b)

圖8 2017年各試驗柱沉降觀測曲線(單位：mm)

4 結(jié)論

(1)鄭州地下水均衡試驗場的試驗土柱，結(jié)合河南省不同地貌單元的地層結(jié)構(gòu)與巖性，經(jīng)專家分項打分評判法概化推薦，對每一地貌單元形成一組7米深度有一定代表性的5個試驗土柱概化剖面，為試驗介質(zhì)參數(shù)測定、數(shù)學(xué)模型的建立及實際應(yīng)用奠定了一定的地質(zhì)基礎(chǔ)，比原試驗場有較大改進(jìn)。

(2)沉降觀測表明，通過填充模擬沉降試驗所得數(shù)據(jù)，規(guī)劃試驗柱預(yù)填充厚度，是 “多快好省”、行之有效的方法。在類似的項目中可以借鑒使用。

表3 沉降量模擬試驗記錄表

表4 試驗料裝填誤差統(tǒng)計