長(zhǎng)江南京段上游典型含水層水文地質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)研究

楊俊松，汪名鵬

(1.江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223005)

0 引言

水文地質(zhì)試驗(yàn)是求取水文地質(zhì)參數(shù)、評(píng)價(jià)含水層富水性和查明地下水運(yùn)動(dòng)條件采取的重要的野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，是巖土工程勘察中不可缺少的一種手段[1]。野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要包括抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、連通試驗(yàn)、彌散試驗(yàn)等，需要根據(jù)場(chǎng)地地下水含水層賦水條件選取正確的試驗(yàn)方法，其中抽水試驗(yàn)是使用最多的一種方法。

本文以長(zhǎng)江南京段上游典型含水層抽水試驗(yàn)為例，在考慮井損條件下，對(duì)降深值進(jìn)行修正，并對(duì)含水層有效厚度進(jìn)行修正。通過(guò)穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流等多種方法求取含水層水文地質(zhì)參數(shù)，有效果的避免了單一方法計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的局限性。

1 試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于長(zhǎng)江南京上游北岸，地形地貌屬于長(zhǎng)江沖積漫灘平原，對(duì)工程建設(shè)有影響的地下水類型主要為第四系全新統(tǒng)沖積潛水含水巖組和微承壓含水巖組。第四系松散巖類孔隙潛水主要賦存于長(zhǎng)江漫灘區(qū)上部，含水介質(zhì)為黏性土、淤泥質(zhì)土及粉土，滲透性差，含水量貧乏。

第四系松散巖類孔隙(微)承壓水主要分布于基巖上部松散層中，在漫灘區(qū)上覆淤泥質(zhì)土及黏性土，在長(zhǎng)江河道區(qū)直接與江水相通。含水介質(zhì)為粉細(xì)砂、礫砂及卵礫石層。

試驗(yàn)區(qū)含水層巖性分布見(jiàn)圖1典型地質(zhì)剖面。

圖1 試驗(yàn)區(qū)典型地質(zhì)剖面圖

2 抽水試驗(yàn)概況

2.1 含水層特征

從圖1可以看出場(chǎng)地含水層為多層疊置結(jié)構(gòu)，主含水層段為粉砂、細(xì)砂、礫砂等；27.30 m以上為粉質(zhì)黏土夾粉砂及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，構(gòu)成微承壓層的相對(duì)隔水頂板。試驗(yàn)區(qū)含水層上部巖性黏性顆粒含量高，沉積韻律性明顯，下部含水層滲透性相對(duì)較強(qiáng)，基巖埋深較大。

從滲透特點(diǎn)看含水層具有水平及垂直補(bǔ)給的滲透模式，微向長(zhǎng)江方向傾伏，地下水由長(zhǎng)江岸帶流向江內(nèi)，長(zhǎng)江泓道已部分切割含水層。場(chǎng)地周邊附近溝渠、漁塘星散分布,部分深度已達(dá)上部弱含水層，對(duì)地下水有補(bǔ)給作用。

2.2 試驗(yàn)孔的布設(shè)

2.2.1 三點(diǎn)確定流向

為了解地下水流向，以抽水主孔(CSK1)為基準(zhǔn)，分別布設(shè)G1、G2觀測(cè)孔，并結(jié)合利用工程勘察孔ZK1，構(gòu)成三角分布，據(jù)各自水位標(biāo)高編制地下水等水位線圖，進(jìn)而確定地下水流向(圖2)。

2.2.2 地下水天然滲流速度

為獲得地下水天然滲流速度，順流向布設(shè)觀測(cè)孔G1，測(cè)試場(chǎng)地的地下水滲流速度。試驗(yàn)方法采用Nacl溶液與AgNO3溶融后的顯色、沉定反應(yīng)，以確定滲流時(shí)間，求其速度。以鉛桿定深投放試劑，以專用定深取樣器接收試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)13 d的試驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)地下水滲流速度在水力坡降為i=0.5%條件下，速度v=0.31 m/d。

圖2 場(chǎng)地地下水流向平面示意圖

2.2.3 抽水、觀測(cè)試驗(yàn)

抽水主孔為CSK1，成井深度70.10 m，井徑300 mm；觀測(cè)孔為G1、G2，成井深度均為48 m，井徑110 mm。采用非完整井試驗(yàn)，共進(jìn)行三個(gè)落程試驗(yàn)，其中S2落程穩(wěn)定時(shí)間12 h，相對(duì)穩(wěn)定性好，故本文以該落程作為參數(shù)計(jì)算的基本依據(jù)。試驗(yàn)具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 抽水試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

3 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

3.1 管井抽水的水頭損失(井損)

野外抽水試驗(yàn)中測(cè)得的水位降深是理論降深與井損的總和，因此，計(jì)算出來(lái)的水文地質(zhì)參數(shù)與實(shí)際存在誤差[2]，為了使計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)更貼近實(shí)際，需要考慮抽水試驗(yàn)的水躍值(井損)。由于井壁與濾水管的阻力以及地下水水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為垂直運(yùn)動(dòng)的能量損失，井壁內(nèi)外已存在水頭差，為消除其影響，故計(jì)算可能的井損值，以求得有效降深。

在三維流狀態(tài)下，Q～Sw的關(guān)系可用公式(1)[3]表達(dá)：

Sw=aQ±bQ2

(1)

令ξ=S/Q，繪制ξ～Q關(guān)系曲線如圖3。

圖3 抽水試驗(yàn)孔CSK1井損圖解

由于ξ～Q曲線為一斜線，則b=tgθ，以b值乘以Q2即為該井試驗(yàn)的水頭損失，將試驗(yàn)資料S1、S2之Q值代入，S3因降深值很小，井損忽略不計(jì)。

3.2 Q=f(s)曲線類型

將抽水試驗(yàn)的三次降程資料(Q～S、q～S)繪制圖4，由圖4可知，曲線類型為拋物線型，具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

(1)試驗(yàn)水位、水量穩(wěn)定及水位恢復(fù)迅速，表明地下水補(bǔ)給源較近且充沛，地下水的滲透性好。

(2)隨降深增加，涌水量遞增，但是單位涌水量遞減，尤其小降程q偏差較大，反映出淺部補(bǔ)給水源豐富，不排斥有地表水的常量補(bǔ)給。

(3)曲線與Q橫坐標(biāo)出現(xiàn)截距，反映了淺層水常量補(bǔ)給或潮汐水頭頂托作用，存在剩余降深或靜水頭超前作用。

表2 抽水試驗(yàn)有效降深計(jì)算表

3.3 含水層有效帶厚度

CSK1孔含水層因厚度較大，未能揭穿，僅部分裝有過(guò)濾管(自頂部向下裝置)，因此必須計(jì)算出含水層有效影響帶厚度。扎馬林[4]認(rèn)為有效帶厚度取決于水位降低(S)與過(guò)濾管長(zhǎng)度(l)，計(jì)算式為：

S=r1(s+l)

(2)

Ha=r2(s+l)

(3)

式中：r1、r2為增長(zhǎng)系數(shù)；Ha為計(jì)算有效厚度(m)。

根據(jù)公式(2)算出r1后按表3求出對(duì)應(yīng)的r2，然后將r2值代入公式(3)即得Ha。

圖4 抽水試驗(yàn)曲線類型(拋物線型)

表3 r1與r2關(guān)系參數(shù)

已知抽水修正后的S1＇=22.87 m，過(guò)濾管有效長(zhǎng)度21 m(減去接頭部分)，代入公式(2)、式(3)得r1=0.521，r2=1.71，Ha=75 m。

含水層為承壓水，剔除水頭高度后，含水層厚度實(shí)為50.41 m，S2降程為參數(shù)計(jì)算資料，求得r2=1.6，將其S2值代入式(3)，則含水層有效影響厚度為31.91 m。

3.4 引用影響半徑(Ry)

由于抽水時(shí)間長(zhǎng)短不同，影響半徑擴(kuò)展亦隨之變化，當(dāng)接近穩(wěn)定水量及水位，結(jié)果接近實(shí)際的Ry，采用抽水孔及觀測(cè)孔G2資料，以公式(4)計(jì)算Ry，即：

(4)

式中：Sw為抽水井內(nèi)水位降深(m)；S1、S2分別為觀測(cè)井內(nèi)水位降深(m)；rw為井的半徑(m)；r2為觀測(cè)井G2至抽水井的距離(m)；

分別利用S1降程、S2降程數(shù)據(jù)，求得Ry=48.70 m和Ry=47.28 m。Ry值較小表明含水層補(bǔ)給途徑較近，補(bǔ)給能力較強(qiáng)。

3.5 穩(wěn)定流計(jì)算滲透系數(shù)(K)

針對(duì)含水層上、下滲透不均性特點(diǎn)，選用具有水平(天然流量)及垂直(越流)補(bǔ)給條件下的計(jì)算公式(5)。

(5)

式中：Q為抽水井涌水量(m3/d)；M為含水層厚度(m)；Sw為抽水井內(nèi)水位降深(m)；E為補(bǔ)給系數(shù)(1/m)；r為抽水井半徑(m)；K0(Er)為二類零階修正貝塞爾函數(shù)。

公式(5)的適用條件為：上部有弱含水層越流補(bǔ)給，觀測(cè)孔距主孔距離r>0.178Ry，承壓水非完整井[5]。以觀測(cè)孔G2數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表4，其中補(bǔ)給系數(shù)EG2=1/0.89Ry。

表4 穩(wěn)定流滲透系數(shù)計(jì)算表

3.6 非穩(wěn)定流計(jì)算滲透系數(shù)

理論與實(shí)踐證明非穩(wěn)定流抽水所求參數(shù)較穩(wěn)定流精度，更為可靠[6]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井孔試驗(yàn)條件，特選抽水S2降程作用下的G1觀測(cè)孔降深資料。

3.6.1 降深—時(shí)間(s-lgt)量板法

將觀測(cè)孔不同時(shí)間所觀測(cè)的水位降深值，點(diǎn)繪在透明雙對(duì)數(shù)紙上，然后將其重疊在理論標(biāo)準(zhǔn)曲線(量板)上，并使兩對(duì)數(shù)紙的縱橫坐標(biāo)互相平等，使用實(shí)測(cè)點(diǎn)完全重合在理論標(biāo)準(zhǔn)曲線上，讀出對(duì)應(yīng)的W(u)，S，1/u和t值，代入公式(6)，即可求得T值和a值[5]。

(6)

(7)

(8)

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；S為曲線配合點(diǎn)水位降深(m)；r為觀測(cè)孔至抽水孔距離(m)；t為曲線上配合點(diǎn)時(shí)間(min)；M為有效含水層厚度(取31.91 m)；W(u)為井函數(shù)；a為導(dǎo)壓系數(shù)(m2/d)。

已知Q=542.5 m3/d，觀測(cè)井G1的降深S為0.15 m，水位降曲線如圖5，將曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合后，求得A點(diǎn)W(u)=3，1/u=30，s=0.10 s，t=8.2分，將各值代入公式(7)、公式(8)，得到水文地質(zhì)參數(shù)T、K、a和S*，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

圖5 G1水位降落與時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線(s-lgt)

3.6.2 短時(shí)間-降深雙對(duì)數(shù)求參(沃爾頓法)

當(dāng)抽水層較厚，且上覆弱透水層的貯水性不可忽略情況下，短時(shí)間抽水，以公式(9)求其參數(shù)。

(9)

利用圖5曲線得配合點(diǎn)B，即H(μ,β)=1，β=0.01，s=0.028，t=7.8，1/μ=2.8，代入公式(9)，得到T、K值。

圖6 G1水位恢復(fù)與時(shí)間半對(duì)數(shù)曲線(s-lgt)

3.6.3 水位恢復(fù)(兩點(diǎn)法)

(10)

(11)

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；S為直線配合點(diǎn)水位降深(m)；r為觀測(cè)井至抽水井距離(m)；t為直線上配合點(diǎn)時(shí)間；a為導(dǎo)壓系數(shù)(m2/d)。

將G1水位恢復(fù)資料繪制成S-lgt曲線(圖6)，然后任取直線段上兩點(diǎn)(A、B)，得S1=0.07，t1=33，S2=0.03，t2=88，將各值代入公式(10)、公式(11)，求得T、K、a、S*。

利用不同方法計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)有一定的差異。理論與實(shí)踐證實(shí)，非穩(wěn)定流所求參數(shù)因避免了人為影響因素的干擾，故較為客觀可靠。采用非穩(wěn)定流不同方法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 抽水試驗(yàn)水文地質(zhì)主要參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本次試驗(yàn)受井管及濾料的影響，加之降程較大，井損明顯存在，所計(jì)算的井損值及修正后的降深(S＇)是比較客觀的，若不考慮井損修正值所求水文地質(zhì)參數(shù)會(huì)明顯偏小。

(2)含水層厚度尚未被揭穿，在限量降深條件下，部分含水層段未能參與滲補(bǔ)作用，為了合理求參，對(duì)其厚度作了修正，理論與實(shí)踐均證明了求取水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)含水層有效厚度的修正具有合理性和必要性。

(3)短時(shí)間的抽水，引用影響半徑僅是在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下的假定補(bǔ)給邊界，若長(zhǎng)時(shí)間抽降地下水，必然會(huì)擴(kuò)大其范圍，屆時(shí)亦可能由引用的無(wú)限邊界轉(zhuǎn)為定水頭補(bǔ)給邊界(長(zhǎng)江、池塘等)此在大型群孔抽水的條件下必須予以考慮。

(4)通過(guò)實(shí)際流速的測(cè)試，本區(qū)地下水的天然坡降為5%，主要是由場(chǎng)地所處水體邊界或河間地塊補(bǔ)、排條件決定的。根據(jù)地下水質(zhì)氯離子含量較微的情況，本次采用了NaCl溶液定深灌注，用AgNO3示蹤劑測(cè)試的方法獲得實(shí)測(cè)天然流速為0.31 m/s，計(jì)算求得的K值為62 m/d，較試驗(yàn)求得的人為加大坡降的K增大將近一倍。

(5)試驗(yàn)表明，下部含水層為承壓孔隙水，由于無(wú)良好隔水頂板，加之地表水(長(zhǎng)江、河流)深切處已成為地下水的集中補(bǔ)、排點(diǎn)，壓力釋放后含水層即變?yōu)槲⒊袎夯驘o(wú)壓水，水位、水量在一定程度上受控于江水補(bǔ)給的邊界條件。試驗(yàn)所求的滲透系數(shù)，以非穩(wěn)定流參數(shù)為佳，下部層(有少量上覆層的補(bǔ)給量)的K值在40 m/d左右，符合長(zhǎng)江洲灘及濱岸沖積層的滲補(bǔ)條件，為強(qiáng)透水性地層。