張哲斐，馮曉臘,2，蔡兵華，陳 帥，劉旭陽(yáng)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司， 湖北 武漢 430074；3.武漢市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074)

承壓含水層水頭高、水量大、補(bǔ)給迅速，尤其對(duì)于深基坑多層含水系統(tǒng)地下水控制問(wèn)題，若盲目采用降水措施，由此誘發(fā)的地面沉降以及對(duì)周邊環(huán)境的影響問(wèn)題是不容忽視的。因此，常采用降低承壓水水位的方式來(lái)控制承壓水對(duì)基坑工程的不利影響。

目前，針對(duì)深基坑地下水控制方法已有大量的研究。如程蕓等以武漢長(zhǎng)江隧道基坑為例，利用正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法分析了存在止水帷幕情況下地下水滲流場(chǎng)特點(diǎn)和黏土層釋水固結(jié)特征；馬鄖等以富水復(fù)雜環(huán)境地質(zhì)條件下的深基坑為例，提出布設(shè)在下部強(qiáng)透水層中的降水井深度要適當(dāng)，并非其越深降水效果越好；陳崇希建立了地下水定流量降水井抽水的穩(wěn)定混合井流和不穩(wěn)定混合井流兩種模型，對(duì)比Hantush、Neuman關(guān)于混合觀測(cè)孔水位建議方程所需要的條件，研究得出混合抽水井各層流量的分配與各層的導(dǎo)水系數(shù)成正比；Ai等針對(duì)滲透各向異性層狀地層中的點(diǎn)源抽水問(wèn)題進(jìn)行了求解分析，重點(diǎn)分析了滲透各向異性地層對(duì)孔壓的影響；Barzegar等通過(guò)對(duì)伊朗大不里士平原水文地質(zhì)條件的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)平原中部存在無(wú)限含水層和承壓含水層，而靠近高地地區(qū)只有無(wú)限含水層，且承壓含水層存在輕微滲漏；曹洪等以沙金煊提出的承壓非完整井中濾管頂或底位于含水層中的理論推導(dǎo)為基礎(chǔ)，假設(shè)上下部滲流場(chǎng)中深井濾管長(zhǎng)度與其含水層厚度的比值相等，得到適用于濾管頂、底均不在含水層層面的承壓非完整井的近似計(jì)算方法；王軍輝等以北京地區(qū)為例，通過(guò)建立滲流-壓縮耦合數(shù)學(xué)模型，提出采用主控含水層來(lái)確定耦合模型下邊界的新方法；李佐春等以太原地鐵2號(hào)線某站采集水樣測(cè)得的含砂量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從濾網(wǎng)類(lèi)型、濾料、井管和降水井實(shí)時(shí)出水量等方面分析了管井降水中出水含砂量的影響因素；Zhao等通過(guò)對(duì)多層含水層中14個(gè)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)聯(lián)合反演水文地質(zhì)參數(shù)，將估計(jì)的含水層滲透系數(shù)

K

和儲(chǔ)水率

S

參數(shù)用于另一種泵送測(cè)試的正向仿真系統(tǒng)，從而合理計(jì)算出含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)深基坑地下水控制方法已有大量的研究，但由于工程特點(diǎn)不一，降水方案也不相同，應(yīng)進(jìn)一步圍繞降水管井進(jìn)行深入研究。

本文基于荊州市某深基坑工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過(guò)改進(jìn)“降水井濾管”在兩層承壓含水層中的數(shù)量、長(zhǎng)度以及分布位置，提出兩層間“最優(yōu)濾管比”以研究坑內(nèi)降水的最優(yōu)方案，為類(lèi)似復(fù)雜水文地質(zhì)條件下深基坑降水提供針對(duì)性、目的性更強(qiáng)的參考依據(jù)。

1 工程實(shí)例分析

1.1 工程概況

某深基坑為荊州市修建某翻車(chē)機(jī)房所需基坑，場(chǎng)區(qū)全部位于陸域，地形較平坦，高程多在30 m左右，地表以農(nóng)田為主，場(chǎng)區(qū)東側(cè)60 m以外為已建成的鐵路橋墩，其余區(qū)段外圍100 m范圍內(nèi)無(wú)重要建(構(gòu))筑物，均為空地，臨近荊江河岸北段?；又荛L(zhǎng)為316 m，面積約為5 587.25 m，南北兩側(cè)基坑面積相當(dāng)。基坑北側(cè)區(qū)開(kāi)挖深度較大，約為26.2 m；基坑南側(cè)區(qū)開(kāi)挖深度略小，約為19 m。該基坑平面布置如圖1所示。

圖1 某基坑平面示意圖Fig.1 Schematic plan of a foundation pit

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

表1 某基坑土層分布及相關(guān)參數(shù)

擬建場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要為賦存于上部土層中的孔隙潛水以及中、下部砂性土組、卵礫石組中的承壓水，即分別對(duì)應(yīng)構(gòu)成第一、二承壓含水層。

孔隙潛水賦存于地表以下黏性土組覆蓋層中，該類(lèi)土孔隙度較小，滲透性較差，水量隨季節(jié)變化，其主要接受大氣降水補(bǔ)給，其次為下部富水層補(bǔ)給，排泄方式主要為蒸發(fā)，勘探期間測(cè)得孔隙潛水的水位為29.6～30.8 m。

弱承壓水賦存于黏性土組覆蓋層以下的地層中，主要的富水層為砂類(lèi)土層及卵礫石層，該類(lèi)土孔隙度較大，滲透性較好，水量隨季節(jié)變化明顯，其主要接受遠(yuǎn)源大氣降水的側(cè)向徑流補(bǔ)給和長(zhǎng)江水的側(cè)向補(bǔ)給，向相鄰含水層徑流排泄，其次為人工抽水排泄,勘探期間測(cè)得孔隙承壓水水位約為27.9～29.5 m。對(duì)該基坑開(kāi)挖影響較大的地層涉及④、⑤粉細(xì)砂和⑥卵石層，勘探鉆孔未揭露卵石層厚度，因此控制地下水成為基坑開(kāi)挖的關(guān)鍵。

1.3 基坑承壓水控制方案

1.3.1 單井試驗(yàn)

為了獲取場(chǎng)區(qū)有效水文地質(zhì)參數(shù)，分別在砂土層和卵石層中布置水文觀測(cè)孔，其中砂土層試驗(yàn)采用1個(gè)抽水孔和3個(gè)觀測(cè)孔，選取孔深范圍為14.0～30.0 m作為抽水試驗(yàn)段；卵石層試驗(yàn)采用1個(gè)抽水井、2個(gè)觀測(cè)井，選取孔深范圍為30.0～35.0 m作為抽水試驗(yàn)段。抽水井為承壓非完整井結(jié)構(gòu)，累計(jì)抽水時(shí)間約為30 h，流量采取由小到大先后進(jìn)行3次穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 單井試驗(yàn)Q-t變化曲線Fig.2 Cumulative pumping Q-t versus time curves of single well test

由圖2可見(jiàn)，第一承壓含水層累計(jì)單井抽水量≤1 400 m/d，第二承壓含水層累計(jì)單井抽水量≤1 100 m/d，抽水約100 min時(shí)承壓含水層水位基本穩(wěn)定。

場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)依照《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 320—2005)，承壓含水層穩(wěn)定流非完整井滲透系數(shù)

K

及影響半徑

R

的計(jì)算結(jié)果如下：第一承壓含水層：

K

=1.6×10cm/s，

R

=95.3 m；第二承壓含水層：

K

=2.5×10cm/s，

R

=150.9 m。

1.3.2 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

為了防止高水頭承壓水由最不利點(diǎn)突涌從而造成基坑危害，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)中附錄C.0.1，對(duì)該基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，其計(jì)算公式如下：

D

·

γ

≥

F

·

h

·

γ

(1)

式中：

γ

為坑底隔水土層平均重度(kN/m)；

D

為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度(m)；

F

為基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數(shù)(取值為1.10)；

h

為承壓水高度(m)；

γ

為水的重度(kN/m)。以北側(cè)深坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算為例，第⑥層承壓含水層頂標(biāo)高為0.43 m，承壓水頭標(biāo)高為29.5 m，坑底標(biāo)高為4.2 m，

γ

取19.0 kN/m，按壓力不平衡法，不采取降壓措施時(shí)，北側(cè)深坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數(shù)為0.25(<1.10)。同理，計(jì)算得到南側(cè)淺坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數(shù)為0.73。即基坑整體的承壓水壓力遠(yuǎn)大于土壓力，故需采取措施降低承壓水頭。

1.3.3 初步降水方案

針對(duì)基坑開(kāi)挖深度涉及到的上、中、下含水層的補(bǔ)、徑、排特征，提出的基坑地下水控制方案為：側(cè)壁隔水帷幕+深井降水。

本基坑工程按照“封閉止水，按需降水”的原則，淺坑初步布置14口降水井(含2口備用降水井BG1、BG2)，其余12口井編號(hào)為J1-(J～J)，井深為27～35 m， 濾管長(zhǎng)為6～14 m； 深坑初步布置17口降水井(含3口備用降水井BG3、BG4、BG5)，其余井的編號(hào)為J2-(J～J)，井深為38～40 m，濾管長(zhǎng)為9～21 m。降水井與地層剖面相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖3，圖中(1)、(2)為深坑區(qū)降水井抽取卵石層中地下水，(3)、(4)為淺坑區(qū)降水井抽取砂土層中的地下水。

圖3 降水井與地層剖面相對(duì)位置關(guān)系Fig.3 Relative position relationship between precipitation wells and stratigraphic sections

1.4 群井試驗(yàn)

為了驗(yàn)證實(shí)際降水效果，開(kāi)展了深淺坑群井試驗(yàn)，降水井平面布置如圖4所示。

圖4 降水井平面布置圖Fig.4 Layout of precipitation wells 注：藍(lán)色標(biāo)記(×)為暫時(shí)未抽水井，其余均為抽水井

試驗(yàn)前測(cè)得場(chǎng)區(qū)內(nèi)孔隙承壓水水位為26.9～27.8 m。整個(gè)試驗(yàn)選取20口井開(kāi)啟抽水，抽水井泵量為32～80 t/h，輪流選擇1口井作為觀測(cè)井。根據(jù)《基坑降水手冊(cè)》，當(dāng)最遠(yuǎn)觀測(cè)孔水位波動(dòng)值<2～3 cm時(shí)即達(dá)到穩(wěn)定，本次試驗(yàn)觀測(cè)井水位在停抽2 h后穩(wěn)定，再開(kāi)啟本口觀測(cè)井同時(shí)停抽下一口待測(cè)觀測(cè)井，逐一循環(huán)完成深坑內(nèi)所有井的靜止水位觀測(cè)，抽水累計(jì)時(shí)間約38 h。群井試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 群井試驗(yàn)結(jié)果匯總

群井試驗(yàn)中，抽水可以有效降低承壓水頭，淺坑采用32 t/h小泵抽水，降水目標(biāo)層為粉砂層，輪流觀測(cè)觀測(cè)井J1-水位變化，其水位有較靈敏的變化，基本滿(mǎn)足淺坑坑底開(kāi)挖要求(基底標(biāo)高為11.4 m)；深坑采用80 t/h大泵抽水，降水目標(biāo)層為卵石層，輪流觀測(cè)觀測(cè)井J2-水位變化，其水位變化幅度較小，較淺坑的降水效果差，而深、淺坑間面積僅差252.75 m，坑內(nèi)、外降水均存在差異，說(shuō)明卵石層補(bǔ)給水量大。

基于以上分析，初步方案未能實(shí)現(xiàn)承壓水水位降至基底以下安全范圍，后續(xù)將對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)降水效果。

2 多層承壓含水層降水優(yōu)化研究

為了研究最適宜本基坑工程深井結(jié)構(gòu)的優(yōu)化值，本次采用承壓非完整井理論并結(jié)合數(shù)值模擬軟件Visual Modflow，針對(duì)承壓不完整井濾管結(jié)構(gòu)參數(shù)(濾管數(shù)量、長(zhǎng)度、位置)的設(shè)定進(jìn)行討論，分析多種濾管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果，提出適宜本基坑工程深井結(jié)構(gòu)的建議。

2.1 承壓非完整井理論基礎(chǔ)

沙金煊提出將滲流場(chǎng)以假想的虛線分開(kāi)，分為上、下部滲流場(chǎng)，求得流線長(zhǎng)度加權(quán)平均，運(yùn)用井附近的局部抗阻概念，將不完整井的軸向滲流場(chǎng)以

r

+

ξT

為界，分為內(nèi)圈急變區(qū)和外圈緩變區(qū)兩個(gè)滲流場(chǎng)(見(jiàn)圖5)，運(yùn)用流量連續(xù)原理得到井流量的計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中：

Q

為井流量(m/d)；

K

為土層滲透系數(shù)(m/d)；

h

、

H

分別為井口、井軸

R

處的水頭(m)；

f

為不完整井附近流線急劇彎曲產(chǎn)生的附加阻力；

s

為濾管長(zhǎng)度(m)；

T

為透水層非濾管部分的厚度(m)。

圖5 濾管頂位于含水層層面的計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of the filter tube at the aquifer level

若采用普通井可使用上述計(jì)算模型，但本基坑工程為多層含水層，也可采用混合井雙濾管結(jié)構(gòu)，同樣分上、下滲流場(chǎng)，可參考曹洪等的做法采用等比例分配法進(jìn)行改進(jìn)，將該計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖6)，假設(shè)上下兩層滲流路徑相同、井濾管長(zhǎng)度與其含水層厚度比值相等、不考慮越流等復(fù)雜情況，從而得到兩個(gè)附加阻力并求得井流量，具體計(jì)算公式如下：

s

/

T

=

s

/

T

=

s

/

T

=

a

(4)

(5)

井的總流量為上、下部滲流場(chǎng)井流量之和：

Q

=

Q

+

Q

(6)

根據(jù)上述方程，若

T

、

T

、

H

、

h

、

R

、

R

、

r

、

K

、

K

已知，當(dāng)控制混合井雙濾管總長(zhǎng)度為

s

時(shí)，含水層上部濾管長(zhǎng)度為

s

，則含水層下部濾管長(zhǎng)度

s

=

s

-

s

。結(jié)合多層含水層水文地質(zhì)條件，因上部含水層濾管長(zhǎng)度

s

未知，故本次借助數(shù)值模擬軟件進(jìn)行解析解的計(jì)算。

圖6 本算例計(jì)算模型Fig.6 Calculation model for this study

2.2 承壓非完整井?dāng)?shù)值模擬

根據(jù)本基坑工程特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算模型作出如下假設(shè):

(1) 土層滲透系數(shù)為某一定值，且各向同性；

(2) 土層中地下水滲流運(yùn)動(dòng)遵循達(dá)西定律。

地下水滲流模擬中的影響半徑

R

=150.9 m，水平方向有限元計(jì)算域以基坑的東、西、南、北最遠(yuǎn)邊界為起點(diǎn)，各向外擴(kuò)展200 m，即計(jì)算區(qū)域設(shè)為600 m×500 m。為了保證計(jì)算精度，對(duì)基坑內(nèi)管井密布區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，每個(gè)單元的水平尺寸為2 m×2 m，隨著計(jì)算范圍與基坑距離的增加，逐漸放寬單元格，見(jiàn)圖7。

圖7 計(jì)算模型三維示意圖Fig.7 3D model of the calculation model

由于場(chǎng)地范圍相對(duì)較小，地層起伏變化對(duì)模擬結(jié)果的影響較小，故為了節(jié)約建模及計(jì)算時(shí)間，將各土層概化為等厚度。根據(jù)模型取地面標(biāo)高為30.5 m，從上到下將各土層概化為5個(gè)地層，經(jīng)驗(yàn)證每層地層參數(shù)見(jiàn)表3，利用該模型能夠較好地?cái)M合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)井水位降深數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖8)，基本符合實(shí)際情況，便于進(jìn)一步優(yōu)化。

表3 地層數(shù)值模擬參數(shù)表

圖8 觀測(cè)井水位降深-時(shí)間擬合曲線Fig.8 Fitted curve of the water level drawdown of the observation well with time

為了克服由于邊界的不確定性給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的隨意性，設(shè)置的定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源匯項(xiàng)，模型四周按定水頭邊界處理；初始水頭第一、二承壓含水層相同，設(shè)為地下-1 m(絕對(duì)標(biāo)高為29.5 m)；止水帷幕采用墻邊界(WALL)進(jìn)行模擬，厚度設(shè)置為1 m，插入深度為28 m，滲透系數(shù)設(shè)置為1×10cm/s；深井27口，每口井設(shè)定抽水泵量為80 t/h，單井出水量為1 920 m/d。

2.3 混合井雙濾管結(jié)構(gòu)深井濾管數(shù)量的優(yōu)化

本次對(duì)比了普通井單濾管和混合井雙濾管的降水效果，以深坑為例，控制濾管總長(zhǎng)度為21 m。普通井單濾管[標(biāo)高為10～-11 m，見(jiàn)圖9(a)]由第一承壓含水層貫穿隔水層至第二承壓含水層中，即構(gòu)成“實(shí)管+濾管”的常規(guī)結(jié)構(gòu)；另外一種結(jié)構(gòu)為從地面向下交替布設(shè)實(shí)管與濾管，將降水井設(shè)計(jì)成集“疏干、減壓”功能為一體的混合井，即開(kāi)挖淺部土層時(shí)混合井起疏干作用，開(kāi)挖中部及深部土層時(shí)起減壓作用[見(jiàn)圖9(b)]，混合井雙濾管貫穿第一承壓含水層10 m(標(biāo)高18.5～8.5 m)、第二承壓含水層11 m(標(biāo)高為1.5～-9.5 m)。

圖9 濾管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the filter structure

同時(shí)開(kāi)啟雙濾管混合井和單濾管普通井雙模型，每口井設(shè)定抽水泵量為80 t/h，開(kāi)啟所有降水井，抽水天數(shù)設(shè)定為1 d、5 d、10 d、20 d，對(duì)比了抽水10 d、20 d后混合井和普通井第二承壓含水層水位降深結(jié)果，見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 混合井第二承壓含水層水位降深云圖Fig.10 Cloud chart of drawdown of the mixed well in the second confined aquifer

圖11 普通井第二承壓含水層水位降深云圖Fig.11 Cloud chart of drawdown of the ordinary well in the second confined aquifer

由圖10和圖11可見(jiàn)，普通井單濾管結(jié)構(gòu)坑內(nèi)水位降深均小于混合井雙濾管結(jié)構(gòu)，普通井抽水10 d的水位降深最大為22.6 m，此時(shí)承壓水頭為6.9 m，高于基底開(kāi)挖4.2 m，不滿(mǎn)足深坑開(kāi)挖要求；混合井承壓水頭達(dá)27.4 m，滿(mǎn)足深坑開(kāi)挖要求，故針對(duì)本基坑工程建議選用混合井雙濾管結(jié)構(gòu)。分析如下：當(dāng)降水井不抽水時(shí)，上層滯水可緩慢滲透到混合井中并匯至承壓含水層，起蓄水作用；當(dāng)蓄水達(dá)到一定量進(jìn)行降水抽水時(shí)，因兩層承壓水水頭差，井流呈“竄流”狀態(tài)，井管周?chē)某袎核畷?huì)以“爆發(fā)式噴射”方式透過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)入到降水井管內(nèi)，井管內(nèi)動(dòng)水位在短時(shí)間內(nèi)會(huì)急劇下降可使混合井中水位迅速降低，從而導(dǎo)致井內(nèi)水位降低。

2.4 混合井雙濾管結(jié)構(gòu)深井濾管位于層頂時(shí)分層插入深度的優(yōu)化

混合井濾管總長(zhǎng)度同上為21 m，濾管位置由第一承壓含水層層頂(標(biāo)高為18.5 m)開(kāi)始以1 m為步長(zhǎng)漸變至層底，第二承壓含水層濾管插入深度依次遞減，共計(jì)15 種工況，見(jiàn)圖12。本試驗(yàn)?zāi)M得到混合井濾管長(zhǎng)度與水位降深的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖13。

圖12 混合井濾管長(zhǎng)度示意圖Fig.12 Schematic diagram of the filter length of the mixed well

由圖13可見(jiàn)，隨著混合井濾管位置由第一承壓含水層層頂依次向?qū)拥滓苿?dòng)，卵石層坑內(nèi)水位降深逐漸變小，變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)；當(dāng)上部濾管(管底標(biāo)高為3.5 m)完全貫穿第一承壓含水層時(shí)水位降深最小為22 m。由此可見(jiàn)，地下水向管井運(yùn)動(dòng)具有分帶特征，并非濾管越長(zhǎng)水位降深越大；砂土層坑內(nèi)水位降深先增大后減小，當(dāng)上部濾管接近第一承壓含水層層底時(shí)發(fā)生驟減；基坑坑外水位降深隨著上部濾管插入深度的增長(zhǎng)先減小，當(dāng)上部濾管長(zhǎng)度達(dá)10 m時(shí)(濾管底標(biāo)高為8.5 m)開(kāi)始增大，接近層底時(shí)逐漸減小。

圖13 混合井濾管長(zhǎng)度與水位降深的關(guān)系曲線Fig.13 Relationship between the filter length of the mixed well and the water level drawdown

依據(jù)實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果，濾管總長(zhǎng)21 m均滿(mǎn)足基坑降水要求，建議降水井上部濾管應(yīng)盡量靠近第一承壓含水層中部，即上部濾管深入第一承壓含水層10 m，深度約占第一承壓含水層總厚度的2/3，上下分層濾管長(zhǎng)度比為10∶11(約等于1∶1時(shí))時(shí)達(dá)到最優(yōu)值(即“最優(yōu)濾管比”)，此時(shí)坑外水位降深最小，坑內(nèi)降水效果明顯。

2.5 混合井雙濾管結(jié)構(gòu)深井濾管空間分布位置的優(yōu)化

由上述建議值進(jìn)一步研究深井濾管的空間分布位置。因現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際第二承壓含水層深度未知，本次研究對(duì)象取上部濾管深入第一承壓含水層10 m為定值，劃分為3種：上部濾管位于頂部2/3處、上部濾管位于底部2/3處和上部濾管位于中部2/3處，見(jiàn)圖14。本試驗(yàn)?zāi)M得到的降水井濾管位置不同時(shí)的水位降深值，見(jiàn)表4。

圖14 深井濾管空間位置分布示意圖Fig.14 Spatial distribution of filter tubes in deep wells

由表4可見(jiàn)，將深井濾管空間分布位置劃分為3種對(duì)坑內(nèi)、外水位降深的影響很小，其中濾管(16.0～6.0 m)靠近第一承壓含水層中部的井流量大于另外兩種。分析原因如下：濾管頂或底端為不透水界面阻隔，井端進(jìn)水量占井總流量的比例小，同樣濾管長(zhǎng)度，流線會(huì)隨濾管位置的變化而改變，流線越短，阻力越小，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e越大，流量越大；但3種濾管位置的涌水量的差值較小，綜合考慮建議降水井濾管應(yīng)盡量靠近第一承壓含水層層頂位置。

表4 降水井濾管位置不同時(shí)的水位降深值

2.6 理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比

為了驗(yàn)證上述優(yōu)化值的可靠性，參考模擬結(jié)果，當(dāng)采用混合井雙濾管結(jié)構(gòu)時(shí)，第一承壓含水層參數(shù)為：

T

=15 m，

R

=95 m，

r

=0.14 m，

K

=14.39 m/d，

H

=30.8 m，

h

=29.5 m，

s

取1 m，2 m,…,15 m；第二承壓含水層參數(shù)為：

T

=50 m，

R

=150 m，

r

=0.14 m，

K

=21.60 m/d，

s

=(21-

s

) m，水頭取值相同，代入公式(6)可計(jì)算得到井的總流量理論計(jì)算值。并將井的總流量理論計(jì)算值與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其相對(duì)誤差見(jiàn)圖15。

圖15 理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.15 Comparison of theoretical calculation values and simulation values注：相對(duì)誤差(%)=(理論值-模擬值)/模擬值×100%

分析可得：①經(jīng)計(jì)算，當(dāng)

s

/

s

=10/11=0.91≈1時(shí)精度最高，此時(shí)單井

Q

=503.4 m/d、

Q

=1 321.26 m/d，與模擬相匹配，設(shè)置27口井，井的總流量

Q

=49 265.8 m/d，相對(duì)誤差值僅為6.81%，與模擬結(jié)果基本相符；②兩種計(jì)算方法整體計(jì)算結(jié)果的吻合度較高，最大相對(duì)誤差約為12%，進(jìn)一步增強(qiáng)了優(yōu)化措施的可信度。

3 優(yōu)化后的降水方案與驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化后的降水方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)降水效果，結(jié)合理論與模擬計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化后的降水方案如下：淺坑布置降水井14口(井深為27～35 m)，深坑布置降水井27口(井深為38～40 m)，均深入第二承壓含水層，共計(jì)41口降水井，其中混合井19口。配置水泵功率為32～100 t/h，基坑外側(cè)布置6口觀測(cè)井，以檢查止水帷幕的效果?？紤]到工程地質(zhì)勘察不能完全揭示地層局部的差異以及止水帷幕可能存在滲漏等因素，需在坑內(nèi)預(yù)留備用井，以備在突發(fā)情況下兼降水井使用。

3.2 降水效果驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在降水過(guò)程中務(wù)必做到“按需降水”，隨基坑開(kāi)挖深度的逐漸加大，需逐步開(kāi)啟更多的降水井來(lái)降低承壓水頭，經(jīng)統(tǒng)計(jì)選取深、淺坑內(nèi)觀測(cè)井的地下水水頭平均值，見(jiàn)圖16。

圖16 基坑地下水水位變化曲線Fig.16 Variation curves of groundwater level in the foundation pit

圖17 基坑附近鐵路橋墩豎向沉降的監(jiān)測(cè)曲線Fig.17 Monitoring curves of vertical settlement of the railway bridge pier near the foundation pit

當(dāng)采用混合井降水后，淺坑區(qū)域承壓水頭基本滿(mǎn)足基底開(kāi)挖要求，深坑地下水水位降幅明顯增大，最終穩(wěn)定地下水水位標(biāo)高約為5.7 m，距離深坑底板安全水位不足2 m，后期持續(xù)抽水結(jié)合明排方法可保證地下水水位降至底板以下。

降水的同時(shí)務(wù)必監(jiān)測(cè)其對(duì)周邊環(huán)境的影響，結(jié)合布設(shè)在基坑臨近鐵路橋墩的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)的實(shí)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖17)，監(jiān)測(cè)周期為60 d，結(jié)果顯示：豎向沉降最大點(diǎn)為QCJ3，其最大值為2.16 mm，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明整個(gè)降水工程的方案設(shè)計(jì)及施工管理較合理，基坑降水未對(duì)臨近鐵路橋墩造成不良的影響。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)多層承壓含水層中深基坑減壓降水措施進(jìn)行了討論，降壓時(shí)采用混合井雙濾管結(jié)構(gòu)的降水效果明顯，得出如下結(jié)論：

(1) 該基坑工程處于多層承壓含水層的復(fù)雜水文地質(zhì)條件下，在基坑降水設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)慎重對(duì)待中、下部高承壓水頭的處置，布設(shè)在下部強(qiáng)透水層中的降水井深度要適當(dāng)，并非濾管插入越深降水效果越好。

(2) 該基坑工程前期降水效果不佳，優(yōu)化后采用混合井替代部分疏干井與減壓井，其降水效果明顯，避免了常規(guī)深井降水中同時(shí)在淺部潛水層設(shè)置疏干井、在深部承壓水層設(shè)置減壓井的冗繁施工。相同開(kāi)啟數(shù)量的混合井與普通井對(duì)比，混合井設(shè)計(jì)時(shí)的水位降深滿(mǎn)足深坑底板開(kāi)挖要求，較好地適應(yīng)場(chǎng)地內(nèi)各分項(xiàng)施工對(duì)降水的需求。

(3) 在本基坑工程中，因下部卵石層未見(jiàn)底，本次以第一承壓含水層濾管插入深度為控制變量，結(jié)合有限元分析并套用沙金煊公式，提出該基坑工程上下分層濾管長(zhǎng)度的最優(yōu)比值約為1∶1，即上部濾管位于第一承壓含水層的長(zhǎng)度與下部濾管位于第二承壓含水層的長(zhǎng)度相當(dāng)；濾管插入深度建議取第一承壓含水層厚度的2/3，即從第一承壓含水層層頂向下10 m，此時(shí)可達(dá)到最優(yōu)降水效果。