張紅章 ，李騰龍 ，范衛(wèi)琴 ，熊宗海 ，程華強(qiáng)

（1.武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004；3.武漢市橋梁工程有限公司，湖北 武漢430074）

在基坑工程中，如果分布有互層土?xí)r，其下部砂層中承壓水常作為地下水控制的主要目標(biāo)，而互層土層本身賦存的地下水則被忽略。事實(shí)上，不少的工程事故表明，大部分的滲透破壞發(fā)生于互層土含水層中，嚴(yán)重的還會(huì)造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)失效、周邊地面沉降[1-2]。

對(duì)于互層土水文地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定，國際上一般采用Slug試驗(yàn)[3]。該實(shí)驗(yàn)通過在現(xiàn)場(chǎng)回灌或抽水，導(dǎo)致井內(nèi)水位發(fā)生變化，然后獲取水位的變化規(guī)律從而確定相應(yīng)地層的水文地質(zhì)參數(shù)。在國內(nèi)主要采用室內(nèi)試驗(yàn)研究：胡靜[3]在實(shí)驗(yàn)室展開了模型試驗(yàn)，對(duì)互層土承壓水在降水過程中的“滯后”和“位差”現(xiàn)象進(jìn)行分析，認(rèn)為其“滯后”時(shí)間值和“位差”水位值大小，取決于兩層間地下水的聯(lián)系程度和互層的厚度及滲透性能。王翠英[1]結(jié)合武漢地區(qū)工程實(shí)例對(duì)“后滯效應(yīng)”發(fā)生的原因進(jìn)行闡述，提出“砂井疏導(dǎo)”結(jié)合“止水帷幕阻堵”可以降低基坑中互層土承壓水。蔡嬌嬌[4]采用現(xiàn)場(chǎng)群井抽水試驗(yàn)的方法，通過在抽水試驗(yàn)期間對(duì)不同深度含水層水位的觀測(cè)，結(jié)合各層土體性質(zhì)及相關(guān)理論，對(duì)武漢一級(jí)階地基坑降水時(shí)地下水位變化規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5-8]主要對(duì)互層土巖土工程特性參數(shù)、振動(dòng)孔壓以及承載力等方面進(jìn)行了分析。

為揭示武漢長江Ⅰ級(jí)階地互層土因基坑降水引起水位變化的規(guī)律，開展了現(xiàn)場(chǎng)群井抽水試驗(yàn)，總結(jié)了互層土降水時(shí)間與各水文地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系。

1 互層土地下水滲流現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)為武漢人信匯北區(qū)深基坑工程，地貌上屬于長江Ⅰ級(jí)階地。試驗(yàn)場(chǎng)地地下水類型可分為三層，上層為賦存于雜填土中的上層滯水；下層水為賦存于下部互層土及砂層中的承壓水；底層為基巖裂隙水，埋深較大，與承壓水有直接聯(lián)系。圖1為試驗(yàn)區(qū)的工程地質(zhì)剖面圖。

圖1 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)剖面圖

場(chǎng)區(qū)共設(shè)置5口降水井及5口觀測(cè)井，平面布置如圖2所示。砂層中承壓含水層水量大、水頭高，透水性強(qiáng)，是基坑降水的目標(biāo)含水層，因此降水井（J-1～J-5）的濾管設(shè)置于圖3的④-1、④-2及④-3砂層中，觀測(cè)井分布于各含水層中，圖3顯示了各實(shí)驗(yàn)井的深度及對(duì)應(yīng)的含水層：G-1淺層觀測(cè)井監(jiān)測(cè)上部地層①填土中上層滯水水位；G-2、G-3中層觀測(cè)井監(jiān)測(cè)地層③互層土地下水水位；G-4、G-5深層觀測(cè)井監(jiān)測(cè)地層砂層中承壓水水位。

圖2 實(shí)驗(yàn)井平面布置圖

圖3 實(shí)驗(yàn)井剖面布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

抽水實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行10 d，抽水過程中持續(xù)對(duì)各觀測(cè)井水位進(jìn)行觀測(cè)記錄。水位監(jiān)測(cè)采用HOBO U20L自動(dòng)水位采集儀。該儀器采用壓力傳感技術(shù)，使用時(shí)只用將儀器探頭提前放入觀測(cè)井對(duì)應(yīng)點(diǎn)位即可。當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生變化時(shí)，傳感器將壓力信號(hào)傳輸并存儲(chǔ)，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀器讀取水位變化數(shù)據(jù)。

通過10 d的實(shí)驗(yàn)，得到了各實(shí)驗(yàn)井地下水位降深變化數(shù)據(jù)，見圖4。從水位降深數(shù)據(jù)來看，在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，互層土含水層與砂層含水層的水位呈逐漸下降趨勢(shì)，但變化幅度不一。在降水過程中隨著抽水時(shí)間的增加，地下水位降深也逐漸增加，且在前期水位下降速度較大，后期水位下降緩慢，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 抽水實(shí)驗(yàn)降深-時(shí)間曲線圖

10 d之內(nèi)，降水井 J1、J2、J3、J4、J5 地下水位降深幅度最大，約為8～9 m；砂層中觀測(cè)井G4、G5的降深幅度僅次于降水井，降深達(dá)到了4～5 m；互層土地下水對(duì)應(yīng)的觀測(cè)井G2、G3在實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)變化相對(duì)較小，下降幅度均小于10 cm；填土中水位觀測(cè)井G1在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)變化較小且不規(guī)律，呈波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)。

各層地下水水位變化特征如下：

（1）觀測(cè)井G1變化不明顯，地下水位在實(shí)驗(yàn)期間呈波動(dòng)狀態(tài)，沒有明顯的變化規(guī)律。究其原因是填土層中的地下水僅受地表水或大氣降水影響，與下部承壓含水層之間間隔黏性土層，水力聯(lián)系微弱，其水位不受下部含水層變化的影響。

（2）觀測(cè)井G4、G5水位明顯下降，且在降水開始初期地下水位就有大幅的下降，打破了原有的地下水水力平衡，地下水呈漏斗形向降水井處進(jìn)行補(bǔ)給。抽水初期，提供補(bǔ)給范圍較小，降水井出水速率明顯大于補(bǔ)給速率，此時(shí)表現(xiàn)為該層試驗(yàn)井降深急劇增加，隨著降水時(shí)間增加，降水漏斗范圍擴(kuò)大，補(bǔ)給量及補(bǔ)給速度增加，水位下降速度明顯變慢，并逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）觀測(cè)井G2、G3水位為本次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在實(shí)驗(yàn)期間G2、G3觀測(cè)井地下水水位變化較小，呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。該含水層水平方向上滲透性很好，而在垂直方向上滲透性較差，兩個(gè)方向的滲透系數(shù)相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且明顯小于下伏砂土層。實(shí)驗(yàn)期間G2、G3水位雖然持續(xù)下降，但下降的速度與幅度均較小，水頭下降平均速度約為2 cm/s，10 d內(nèi)水位共下降約20 cm。

從抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在降水過程中，互層土地下水水位并未隨砂層承壓水位的降低而同步下降，存在明顯的滯后現(xiàn)象，這通常會(huì)導(dǎo)致互層土含水層中承壓水無法得到有效緩減，存在較大基坑滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。該結(jié)果也表明，互層土含水層與下部砂層承壓含水層存在巨大的差別，不能簡單的將兩者看作統(tǒng)一的承壓含水層，而是應(yīng)針對(duì)兩者的特點(diǎn)“分而治之”。

3 互層土地下水水頭變化規(guī)律分析

在降水條件下，互層土中地下水運(yùn)移往往可以看作在下部砂層的承壓水頭降低后向砂層中的補(bǔ)給。

假定互層土由粘性土和砂性土交互重疊而成，假定各土層的厚度為hi，滲透系數(shù)為ki，如圖5所示。

由土力學(xué)[9]中關(guān)于層狀地基的等效滲透系數(shù)的計(jì)算可知，互層土層垂直方向上的等效滲透系數(shù)為：

式中kz為互層土層垂直方向等效滲透系數(shù)；H為互層土層厚度；hj為互層土中第j層單元層的厚度；kj為互層土中第j層單元層的滲透系數(shù)。

實(shí)際工程中，互層土層中各粘性土單元層滲透系數(shù)差異不大，各砂性土單元層同樣也區(qū)別不大，同時(shí)互層土層單元層的厚度雖然由上至下有逐漸變厚的趨勢(shì)，但是其粘性土層與砂性土層厚度的比例一般變化不大。據(jù)此圖5可以做如下簡化,粘性土單元各層滲透系數(shù)均為kn，砂性土各層滲透系數(shù)均為ks，粘性土層總厚度占互層土總厚度的比例為a。因此（1）式可以寫成：

圖5 互層土層垂直等效滲透系數(shù)計(jì)算示意圖

由于粘土層滲透系數(shù)kn較小，且與粉砂層滲透系數(shù)ks相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此互層土等效滲透系數(shù)主要受粘土層控制，因此kz可以近似看作

承壓含水層上部為互層土過渡層，下部為砂層承壓含水層?？紤]開挖工況下基坑降水使得基坑承壓水頭下降恒定值。承壓含水層中的水頭下降將誘發(fā)互層土地下水發(fā)生越流，補(bǔ)給下層砂層。對(duì)于基坑中心區(qū)域而言，該問題可以簡化為一維滲流問題進(jìn)行求解。在滲流過程中，互層土含水層具備一致的承壓水頭，且滲透系數(shù)保持不變。下部承壓水頭變化可作為邊條件界直接作用于砂層與互層土的接觸面上，如圖6所示。

結(jié)合基坑降水經(jīng)驗(yàn)可知，降水過程中砂層承壓含水層地下水水頭在短時(shí)間內(nèi)就基本達(dá)到平衡，在此期間可忽略互層土地下水水頭的變化。設(shè)在時(shí)間t=0時(shí)刻砂層承壓水水頭下降至穩(wěn)定狀態(tài)，互層土與砂層初始水頭差為，經(jīng)過一段時(shí)間Δt后，互層土層中地下水不斷向下層砂層釋水，在時(shí)刻t=t2的水頭差變?yōu)镠2，示意圖見圖7。

降水開始后任意時(shí)刻t互層土與下部砂層的水頭差為ΔH，經(jīng)過dt時(shí)間段后，互層土地下水水頭下降dh，則dt時(shí)段內(nèi)單位橫斷面積互層土釋放的水量微增量為

圖6 深基坑斷面示意圖

式中S為互層土的儲(chǔ)水系數(shù)，可表示為[10]

式中SS為互層土單位厚度儲(chǔ)水系數(shù)；b為互層土層厚度；α為互層土體積壓縮系數(shù)；β為水體彈性壓縮系數(shù)；n為孔隙度；γ為地下水的重度。

根據(jù)達(dá)西定律，dt時(shí)段內(nèi)單位橫斷面積互層土滲流量為

圖7 互層土地下水釋水示意圖

根據(jù)水流連續(xù)原理，應(yīng)有dVe=dVo。

從而可得時(shí)間Δt與與水頭差H1、H2的關(guān)系式

由式（7）可知

（1）基坑降水時(shí)降低了砂層中地下水水頭，從而使互層土含水層在水頭差作用下向下補(bǔ)給、互層土層地下水位隨之降低，其所需時(shí)間與互層土中粘土層厚度占總厚度的比例、互層土的貯水系數(shù)及互層土層厚度成正比，而與粘土層的滲透系數(shù)成反比，因此不同互層土，降水難度不同。

（2）降水目標(biāo)水頭H2與互層土含水層中降水時(shí)間Δt呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)目標(biāo)水頭H2越低，所需時(shí)間卻呈指數(shù)增長。這也表示在降水過程中，互層土水頭下降速度將逐漸減弱?；油林械牡叵滤荒軓氐资韪?，而是逐漸降低然后維持在某一水位，對(duì)基坑穩(wěn)定不利。

（3）實(shí)際工程中，降低互層土含水層水頭，可以采取兩種措施：①提前進(jìn)行砂層預(yù)降水，即延長時(shí)間Δt。②在一定范圍內(nèi)增大互層土含水層與砂層含水層初始水頭差H1，即加強(qiáng)對(duì)砂層含水層的抽水力度，使得砂層中地下水水頭下降更多。

4 結(jié)論

在武漢人信匯基坑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)群井抽水試驗(yàn)，觀測(cè)了抽水過程中各含水層水位變化，發(fā)現(xiàn)互層土中地下水水位在降水過程中呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，但相對(duì)砂層承壓水位的變化，互層土含水層存在明顯的滯后。在此結(jié)論的基礎(chǔ)上，將互層土層簡化為兩種滲透系數(shù)不同的土層交互構(gòu)成，并假定其中粘性土單元層滲透系數(shù)為kn，砂性土層滲透系數(shù)為ks，從理論上推導(dǎo)了降水過程中互層土地下水水頭隨降水時(shí)間變化的公式。通過公式可得

（1）互層土含水層水頭下降難度與互層土中粘土層的比例、土體體積壓縮系數(shù)、土體孔隙度及互層土厚度的平方成正比，與粘土層的滲透系數(shù)成反比。

（2）在實(shí)際工程中，當(dāng)需要將互層土含水層水頭降至一定范圍內(nèi)時(shí)，可以采取兩種措施：①提前預(yù)降水；②增大互層土層與砂層水頭差。