0 引言

　　作为中原城市群副中心和“一带一路”的重要节点城市，洛阳市正在开展大规模的基础设施建设，大量深基坑降水导致城区潜水含水层水位和水量均显著变化。特别是地铁1号线开建以来，位于洛河高河漫滩地貌单元的基坑降水问题成为车站设计和施工的重难点问题。为降低降水对地下水和周边环境的影响，需在掌握含水层水文地质参数的前提下进行围护结构和降水井的设计^[1,2]。

　　以地铁1号线试验段史家湾车站为例，其所处地貌单元为洛河高河漫滩，基坑开挖范围内潜水含水层主要为(3)卵石层(Q₃^al+pl)。根据同地貌单元的勘察资料可知，该卵石含水层级配不良，含水量丰沛，渗透系数取值范围约为80～160m/d。已有研究表明，含水层渗透系数对单井出水量和降水疏干效果预测影响较大，若其取值范围过大则不能有效指导降水设计^[3,4]。同时由解析法和规范中含水层水文地质参数的估算方法可知，其均对含水层进行了简化，假定含水层为无限、均质、等厚的各向同性体^[5,6,7,8]。然而，卵石含水层在洪水分选沉积和上覆土层压力的共同作用下形成，具有明显的各向异性特征，难以用规范推荐的理论公式精确估算其水文地质参数。随着数值模拟技术的发展，数值拟合分析已成为求解含水层水文地质参数的重要方法，其在综合考虑多种地层和环境因素影响的前提下，可解决复杂的水文地质参数求解问题^[9,10,11]。

　　基于史家湾站单井抽水试验数据，为精确求得洛河高河漫滩卵石层的渗透系数，在解析法初步估算含水层渗透系数的基础上，考虑卵石潜水含水层各向异性特性，利用Neuman模型对抽水试验数据进行数值拟合分析，求得(3)卵石层的水平和垂直渗透系数。

　　1 抽水试验方案

　　1.1 水文地质概况

　　史家湾站位于安居路与中州东路交叉口，周边环境简单，东北为史家湾村，西北为开元小区，东南为客运东站，西南为恒大绿洲。地貌单元为洛河高河漫滩，地势平坦，平均标高125.300～125.400m。地下水位标高116.700～116.900m，年变幅约2.0～3.0m。地质剖面如图1所示，地层自上而下依次为。

　　图1 地质剖面  

　　1)全新统冲洪积层(1)黄土状粉土(Q₄^2al+pl)松散～稍密、稍湿、表层为素填土，层厚1.0～5.3m，底标高120.030～123.990m;(1)₁细砂(Q₄^2al+pl)松散～稍密、含少量石英、云母等，层厚0.7～5.0m，底标高120.390～122.830m;(2)卵石(Q₄^al+pl)稍密～中密、卵石级配不良、分选性好，层厚6.0～11.8m，底标高110.330～112.900m;(2)₁细砂稍密、含少量砾石，以透镜体状分布于(2)卵石层表面，层厚2.2～3.7m，底标高117.390～119.880m。

　　2)上更新统冲洪积层(3)卵石(Q₃^al+pl)，中密～密实、卵石级配不良、分选性好，未揭穿。地下水赋存于(2)和(3)卵石层，补给主要为大气降水和河水，排泄以人工开采和地下径流为主。

　　1.2 试验布置

　　如表1所示，为便于求解含水层水文地质参数，可将基坑场地地层概化为6个物理层。鉴于降水疏干的主要含水层为(3)卵石层，现场抽水试验以该地层为主要研究对象。如图2所示，第1类(5口)和第2类(2口)试验井深度基本为后期降水井的设计深度，用于确定(3)卵石层的水文地质参数。

　　表1 地层概化参数 

　　表1 地层概化参数

　　图2 抽水试验平面布置  

　　1.3 试验数据

　　以S1-5为抽水井，其余各井为观测井，进行2个降深的抽水试验。表2给出了单井抽水时各试验井的动水位降深、观测井距抽水井距离等数据。大降深单井出水量约69.5m³/h，动水位降深13.822m，各观测井水位降深为0.19～0.40m;小降深单井出水量约38.4m³/h，动水位降深4.22m，各观测井水位降深为0.105～0.201m。

　　表2 抽水试验数据 

　　表2 抽水试验数据

　　图3给出了抽水井S1-5的动水位变化曲线。如图3所示，从大降深转变到小降深期间，抽水井动水位在6min内上升了9.90m，恢复了约72%，进而水位迅速达到基本稳定。相应的，由小降深抽水到停泵后，抽水井动水位也在6min内迅速上升了4.08m，恢复了约97%。

　　图4给出了抽水试验期间各观测井的动水位降深变化曲线。图2和表2所示的观测井位置可知，观测井动水位降深变化符合规律。由图3对比，观测井的水位降深变化趋势与抽水井S1-5基本一致，表明现场抽水试验数据可用于求解含水层的水文地质参数。

　　图3 抽水井动水位降深 

　　图4 观测井动水位降深  

　　2 渗透系数计算

　　2.1 解析法估算

　　由图3,4和试验现场记录可知，抽水试验的最终出水量和水位降深均基本稳定，可假定为稳定流状态。根据SL320—2005《水利水电工程钻孔抽水试验规程》的规定，可利用吉林斯基公式估算含水层的渗透系数^[12]:

　　式中:l″=l₀-0.5(S₁+S₂);Q为抽水量(m³/d);r₁和r₂为观测井距抽水井的距离(m);S₁和S₂为观测井水位降深(m);l₀为进水管长度(m)。利用式(1)，表3给出了基于大降深和小降深抽水试验数据估算出的(3)卵石含水层渗透系数，其中括号内为小降深数据和相应的渗透系数值。

　　由表3可知，利用大降深和小降深试验数据，对含水层渗透系数估算结果为63.607～108.212m/d，其中(3)卵石层渗透系数平均值分别为83.6m/d(大降深)和90.8m/d(小降深)，二者结合的渗透系数平均值约为87.2m/d。然而，应注意到规范推荐的解析法并未考虑卵石含水层的各向异性特性。

　　2.2 数值拟合

　　为判定适用于卵石含水层抽水试验数值拟合分析的计算模型，绘制观测井的水位降深随时间变化的双对数曲线，抽水试验的降深-时间曲线可分为3个阶段:早期的陡峭段、中间的平坦段和后续的稍微陡峭段，符合典型的潜水含水层抽水试验特征。因此，(3)卵石含水层的水文地质参数计算应选用适合潜水、各向异性含水层的计算模型。

　　采用国际上普遍认可的抽水试验数据处理及分析软件AquiferTest进行数值拟合，选用Neuman模型，其控制方程为^[7,13]:

　　式中:K_r为水平径向渗透系数;K_z为垂直渗透系数;S_s为贮水率;μ为给水度;H₀为潜水流初始厚度;h为潜水流厚度;τ为抽水时间。

　　表3(3)卵石含水层的渗透系数(解析法) 

　　表3(3)卵石含水层的渗透系数(解析法)

　　利用2017年2月22日早7点至晚7点的大降深抽水试验数据和22日晚7点至23日早7点的小降深抽水试验数据，对观测井的动水位降深随时间变化曲线进行数值拟合。根据抽水井大降深抽水时观测井的动水位降深拟合结果，用散点图对比了拟合值和观测值的差异。计算结果分布于等值线两侧，表明Neuman模型求得的含水层渗透系数和抽水试验相符。利用大小降深拟合结果，表4给出了(3)卵石含水层的渗透系数数值求解结果，其水平渗透系数分别为79.6m/d(大降深)和91.2m/d(小降深);垂直渗透系数分别为8.6m/d(大降深)和12.3m/d(小降深)，二者结合的水平和垂直渗透系数值分别为85.4m/d和10.5m/d。

　　表4(3)卵石含水层的渗透系数(数值拟合法) 

　　m·d^-1

　　表4(3)卵石含水层的渗透系数(数值拟合法)

　　2.3 验证及应用

　　由解析法估算得到的(3)卵石含水层渗透系数为87.2m/d，利用数值拟合得到的水平和垂直渗透系数分别为85.4m/d和10.5m/d。结合洛河高河漫滩地貌单元的水文地质特征，综合分析可确定(3)卵石含水层的水平渗透系数可取为90m/d，垂直渗透系数可取为15m/d。对比解析法和数值拟合结果可知，二者间差异仅为2%左右。

　　为验证计算结果，进行了现场双井抽水验证试验。在史家湾基坑降水井施工完成一半的情况下，选取双井进行了抽水验证试验。表5给出了双井抽水验证试验中抽水井和观测井的主要数据，图5给出了双井抽水验证试验期间各观测井和抽水井的动水位降深变化曲线。分析表5数据和图5观测井及降水井水位降深变化，可验证(3)卵石含水层渗透系数取值的正确性。同时，该双井抽水试验还验证了止水帷幕的隔水性。进而，将(3)卵石含水层的渗透系数用于降水优化设计，有效节省了施工成本。

　　3 结语

　　基于现场抽水试验数据，采用解析法估算和数值拟合分析结合的方法，对洛阳洛河高河漫滩(3)卵石含水层的渗透系数进行了研究。结果表明:(3)卵石含水层的水平和垂直渗透系数取值分别为90m/d和15m/d。利用Neuman模型进行数值拟合，能得到各向异性卵石潜水含水层的水文地质参数。研究成果可为洛河高河漫滩地貌单元中类似工程的降水设计提供技术支撑。

　　表5 双井抽水验证试验数据 

　　表5 双井抽水验证试验数据

　　图5 双井抽水验证试验中各井地下水位变化