李友龍

(江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,江蘇 淮安 223005)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴大,海上建設(shè)項目在逐年增加,海上抽水作為海上巖土工程勘察的一種必備手段,在海上基坑工程應(yīng)用中越來越廣泛,但海上抽水試驗不同于陸域抽水試驗,試驗周期長、要求高、試驗技術(shù)難度大,每一個環(huán)節(jié)把握不好都會造成試驗的失敗。因此,筆者根據(jù)近幾年的抽水試驗工作經(jīng)驗,列舉了海域抽水試驗過程中影響抽水試驗的主要因素以及采取的一些關(guān)鍵技術(shù),對同類工程具有一定的借鑒作用。

2 影響海上抽水試驗主要因素

海上抽水試驗要求高、要求船體穩(wěn)定性要好,稍有不慎便前功盡棄。影響海上抽水試驗主要因素有：

(1)海上試驗停留時間長、距岸邊遠、潮汐及氣候影響因素大;

(2)抽水孔止水困難;

(3)涌浪影響護管的安裝;

(4)抽水過程中數(shù)據(jù)采集受涌浪影響較大。

3 海上抽水試驗關(guān)鍵技術(shù)探討

抽水試驗前要認真籌備各種試驗材料和設(shè)備,首先要做好試驗前現(xiàn)場的踏勘工作,了解調(diào)查施工水域的海況、水流水文條件,漲落潮時長、潮差,同時還要了解場區(qū)地層巖性和分布埋藏特征,查清含水層的巖性厚度等特性。以下針對海域抽水試驗關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)進行探討,并提出相應(yīng)的對策措施：

3.1 保證平臺穩(wěn)定性

3.1.1 施工船只的選擇

首先是鉆探船的選擇,船的大小決定了船體上的作業(yè)平臺的穩(wěn)定性,針對上述情況應(yīng)有針對性地進行配置適合的施工船只,船只宜選用載重量大(約 1 000噸)、抗風(fēng)浪能力強的的工程船作為施工船,保證在一般天氣下能夠正常施工,吃水較深、有自航能力,船長宜在 30 m左右,寬宜在 8m左右,施工船艙內(nèi)用配載壓艙至安全吃水線,避免船體浮在水面上受波浪影響晃動,影響平臺的穩(wěn)定。另需配備有大功率有絞錨機的拖船作輔助用船。

并建議租用 1～2艘監(jiān)護船,對施工船外圍進行維護和護航,提前通知過往的大型船只減速慢行,減小波浪對施工平臺的沖擊影響。

3.1.2 水上平臺搭建

考慮到施工水域可能的惡劣氣候、水文條件,勘探宜采用旁側(cè)式鉆探平臺,但也有內(nèi)置式平臺,側(cè)式平臺的孔口槽板要求拆卸方便,以便遇緊急情況撤離,可通過松緊四端的錨繩便能使船只離開護孔套管,也便于船只靠近套管,方便連續(xù)施工作業(yè)。側(cè)式平臺一般平臺外伸 3.0 m,長寬均約6m,下懸掛副平臺,兩平臺上、下距離 2.0 m,便于下護管時連接套管。槽鋼與船體應(yīng)過通焊接連接,關(guān)鍵位置加固,上平臺面用厚度 50mm的木質(zhì)地板鋪設(shè)、固定,下平臺面用鋼絲網(wǎng)鋪設(shè),上下平臺配備必要的防護欄桿。

3.1.3 鉆機水泵等設(shè)備的調(diào)試

鉆機宜選擇的鉆深能力超過 300 m大功率鉆機,如XY-4型鉆機(鉆深 1 000m),便于起拉較重的鉆具、護孔套管等設(shè)備,如船只自帶大型起吊機械更好,配備雙缸如 BW-200/40泥漿泵,以 S495、S295型柴油機作機械動力,一臺電焊機及氣割設(shè)備,兩臺發(fā)電機;抽水試驗前應(yīng)做好孔內(nèi)材料：如濾管、花管、濾料、粘土球、空壓機、水泵等各種材料的準備工作。

其它抽水試驗配備儀器設(shè)備有深井潛水泵(理論出水量宜超過估算的最大降深的涌水量)、水表、電子水位計、三角堰等儀器設(shè)備。

3.2 止水效果

海上抽水試驗關(guān)鍵技術(shù)之一是止水效果,止水效果的好壞直接影響抽水試驗的成敗,一般是通過下多層護管來解決海水與含水層的隔離,達到止水目的;一般來說,由于護管直徑大,重量大,通過鉆機起吊難度較大,多采用吊機,一般船只均自帶大型起吊機械。

為解決潮汐及不良天氣的的影響,保證隔水效果,抽水井多使用 2～3層護管,最外層鋼管做活動保護套管,其內(nèi)二層鋼管作隔水保護套管,最里一層一般為口徑φ168 mm鋼管作為抽水井管。抽水井采用橋式過濾器,該過濾器的優(yōu)點是：一、橋式過濾器的特殊結(jié)構(gòu)使得礫石不易阻塞孔眼,有較高的過水能力。二、橋式濾水管的特殊孔形結(jié)構(gòu)起到了增強濾水管機械強度的效果,具有較高的機械強度。三、連接方式多樣化,下管操作方便,適于野外生產(chǎn)。

連接方式：抽水主井先用船上大型吊機將 φ377 mm和φ325 mm的保護套管垂直下入土中,要保證井管垂直居中,由震動機壓入土中,接著用 φ168 mm三翼螺旋合金鉆頭掃孔,再用 φ270mm三翼螺旋合金鉆頭擴孔,孔深到設(shè)計深度后按地層分別下入 φ168mm沉淀管、濾水管和實管。

這里需要一提的是,由于鉆機壓力較小：護管進入隔水地層是通過配備一臺振動器,通過振動器下 377 mm、φ325 mm護管時,使護管與隔水層震動緊密;二層護管之間采用粘土球及海帶止水,克服潮汐影響。

試驗止水效果可從三個方面進行分析。

(1)各組井的地下水與海水水質(zhì)進行分析,如對比水的溶解性總固體指標、水的 pH值和其它指標,差異性很大,說明止水效果較好。

(2)地下水靜止水位與海水水位的差異性。差異性主要表現(xiàn)在：海水與地下水同時受潮汐的影響。地下水水位由于受到壓力傳導(dǎo),變化滯后于潮汐變化。

(3)地下水的水溫與海不水溫不同,可通過水的測溫來解決。

3.3 鉆孔成井質(zhì)量

觀測井施工時先采用全斷面取芯。通過對地層的分析,確定含水層的位置和厚度,計算濾水管和實管的下管位置、長度、填礫方量及止水位置。

觀測井施工時先用鉆機將 φ139護管垂直壓入土中,并用鉆機壓至設(shè)計位置。用 φ91帶合金鉆頭巖芯管擴孔至設(shè)計位置,下沉淀管、濾水管和實管,觀測井采用干海帶、粘土球止水,海帶包扎長度約 10m,在實管上設(shè)計位置纏海帶進行止水,在海帶以上填粘土球至護管高度。

觀測井先用 φ42鉆桿帶沖水頭進行洗井,在水質(zhì)變較清時改用空壓機洗井,并洗至水清砂凈。

主井管下好后先進行換漿,然后將選配好濾料礫石采用動水方式連續(xù)、均勻投入井管四周環(huán)狀間隙,不得猛增猛減,防止濾料在孔內(nèi)架橋。在填礫過程中做到隨填隨測填礫深度(用細輕型管下探),發(fā)現(xiàn)礫石中途堵塞便停止填入,并進行排除。濾料礫石一般超過濾水管頂部 2～3 m。濾料采用礫石(φ1 cm),顆粒均勻,不含泥質(zhì)雜物。

濾料填至設(shè)計深度后,用直徑 2～3 cm優(yōu)質(zhì)粘土球進行止水密實回填至護管面,每隔一段要搗實。

井管和濾料下完后,采用活塞、沖水頭聯(lián)合洗井法及時反復(fù)進行了洗井,直到水清砂凈為止

洗井結(jié)束后,安裝泵管,進行試驗性抽水,其降深逐漸增大,達到最大降深后的持續(xù)時間 2小時。試驗性抽水主要目的是確定穩(wěn)定流抽水的最大降深。試驗性抽水過程中,同時觀測抽水井、觀測井的水位變化情況。如結(jié)果出現(xiàn)主井出水量大,觀測井反映靈敏,則表明本次施工的試驗井成井質(zhì)量較好。

3.4 數(shù)據(jù)的采集校準

為保證數(shù)據(jù)采集準確,水位和水量觀測,宜采用不同的方法進行校核,水位的量測,可采用自動記錄儀采集,同時采用測深儀和測繩進行測量對比校正;水量的測量,以水表讀數(shù)為主,在海面平靜時,可采用三角堰進行讀數(shù)對比。

按要求宜進行了地下水水溫、海水水溫及氣溫的觀測,觀測的時間及方法應(yīng)符合規(guī)范的要求。

在抽水過程中,要及時進行了資料整理(海水位、抽水主井和觀測井地下水歷時曲線,Q—S曲線,q—s曲線等),以便發(fā)現(xiàn)問題,及時解決。同時及時對抽水試驗全過程進行監(jiān)督、檢查。通過自檢和監(jiān)督、檢查,能更好地保證抽水試驗的質(zhì)量。階段性成果主要包括：

(1)采用穩(wěn)定流方法進行試驗,同時結(jié)合非穩(wěn)定流法計算要求進行觀測。

(2)用水位觀測儀測量海水位變化。用水表讀取涌水量。

(3)抽水降深：對每組試驗井宜進行三個降深抽水試驗。

(4)靜水位觀測：在試驗性抽水結(jié)束后、正式抽水前,觀測靜止水位。

(5)動水位、出水量觀測按非穩(wěn)定試驗的要求進行。在試驗過程中量測水溫、氣溫。

(6)抽水試驗穩(wěn)定標準和穩(wěn)定延續(xù)時間：當潮水位與地下水位變化趨勢一致且差值保持在一常量時,即視為地下水位相對穩(wěn)定。涌水量波動值(最大與最小涌水量之差)不宜超過平均流量的 5%。水位和水量只在上述范圍內(nèi)波動,沒有持續(xù)上升或下降的趨勢,可視為穩(wěn)定。

(7)穩(wěn)定延續(xù)時間：三個降深分別為不小于 12—8-8h。

恢復(fù)水位觀測：按非穩(wěn)定流要求進行觀測。

(8)水樣采集：在觀測井洗井結(jié)束前取地下水水樣,做簡分析。抽水主井在抽水試驗結(jié)束前取地下水樣,并同時取海水樣,做簡分析和侵蝕性 CO2,并進行資料對比。

4 計算模型的選擇

根據(jù)已有的地質(zhì)資料,明確含水層(抽水試驗?zāi)康膶?的巖性和埋藏特征,如層位的穩(wěn)定情況、巖性的均勻情況、上部隔水層的度度;確定邊界距抽水井遠近,確定抽水試驗組數(shù),含水層水頭壓力,是否具有承壓性。本次試驗是采用完整井還是非完整井試驗等等。

主要水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)和影響半徑,其計算方法較多,穩(wěn)定流計算一般可采用單井計算、有一個觀測孔的計算、有二個觀測孔的計算方法;非穩(wěn)定流方法有直線斜率法、降深—時間配線法和迭代計算法等。最后通過綜合分析比較后給出場區(qū)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)建議值。

5 結(jié)語

影響抽水試驗質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)主要是確保施工作業(yè)平臺的穩(wěn)定性,保證鉆孔成井質(zhì)量,試驗數(shù)據(jù)的采集要真實可靠,計算模型的選擇要符合自然條件和客觀實際。

[1]江蘇省水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察院.港珠澳大橋抽水試驗報告[R].江蘇省水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察院,2009,8

[2]中華人民共和國國家標準.供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50027-2001)[S].北京：中國計劃出版社,2001.9

[3]中華人民共和國行業(yè)標準.水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程(SL 320-2005)[S].北京：中國水利水電出版社,2005.6