王慶磊

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引言

隨著上海市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，軌道交通工程、高層建筑、越江隧道、高架橋梁工程等大規(guī)模不斷展開，與之相關(guān)的基坑開挖深度也越來越深，而基坑降水對(duì)基坑施工安全性至關(guān)重要。對(duì)于上海地下水位較淺的地區(qū)，基坑降水的研究顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的抽水試驗(yàn)多采用單井試驗(yàn)，參數(shù)誤差相對(duì)較大，同時(shí)單井試驗(yàn)無法判別不同土層之間的水力聯(lián)系，局限性較大。筆者通過現(xiàn)場(chǎng)群井試驗(yàn)獲取含水層的水文地質(zhì)特征參數(shù)，以達(dá)到群井試驗(yàn)在專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[1]。

1 工程概況

本基坑工程位于上海市閔行區(qū)，基坑開挖深度為25.8 m，基坑開挖過程中需抽降第⑦層承壓水，為了解承壓水水頭埋深分布，取得承壓含水層的詳細(xì)水文地質(zhì)參數(shù)、從而制定合理、可行的降水設(shè)計(jì)處理方案，確定施工期間降壓井的降水施工參數(shù)，為布置降壓井提供依據(jù)[2]。

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘察資料，見表1，場(chǎng)地地基土可分為7層。本基坑下部承壓水層分布比較均勻，為⑦1層粉砂夾粉質(zhì)粘土、⑦2層粉砂，兩者相互貫通，可視為同一承壓含水層，基坑底部位于⑤1層粘土層之中。

表1 場(chǎng)地內(nèi)土體分層及物理力學(xué)參數(shù)

2 群井抽水試驗(yàn)實(shí)施

抽水試驗(yàn)實(shí)施的目的是為了獲取本場(chǎng)地水文地質(zhì)特征，主要是目的層位為⑦1層草黃～灰黃色粉砂夾粉質(zhì)黏土和⑦2灰黃~灰色粉砂，需測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)，包含滲透系數(shù)、貯水系數(shù)(或貯水率)、導(dǎo)水系數(shù)，以及單井最大涌水量[3]。

采用非穩(wěn)定流群井抽水試驗(yàn)的方式，現(xiàn)場(chǎng)成井10口，群井試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為10 d，其中CA1-1~CA1-4為抽水井，其余GA1-1~GA1-3井及其它井均為觀測(cè)井。抽水開始后按規(guī)范進(jìn)行：1’、2’、3’、4’、6’、8’、10’、15’、20’、25’、30’、40’、50’、60’、80’、100’120’的頻率進(jìn)行觀測(cè)，之后每隔0.5 h觀測(cè)一次，直到水位恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)束，見圖1。群井停止抽水時(shí)，抽水已歷時(shí)達(dá)7 d，各觀測(cè)井水位穩(wěn)定，已滿足群井抽水試驗(yàn)停抽要求。

圖1 群井抽水試驗(yàn)平面布置圖

群井抽水試驗(yàn)共歷時(shí)近6 d。其CA1-1井平均出水量約30.2 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下30.0 m；CA1-2井平均出水量約23.30 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下30.0 m；CA1-3井平均出水量約25.1 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下26.00 m；CA1-4井平均出水量約20.3 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下24.00 m。群井抽水期間，4口井出水量較穩(wěn)定，見圖2。

圖2 降深與時(shí)間關(guān)系曲線

群井抽水試驗(yàn)期間，對(duì)6口觀測(cè)井水位變化進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，群井抽水期間觀測(cè)井水位降深情況見表2。

表2 群井試驗(yàn)觀測(cè)井水位最大降深統(tǒng)計(jì)表

4 群井試驗(yàn)擬合求取參數(shù)

水文地質(zhì)參數(shù)是根據(jù)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算求得[4]。本次試驗(yàn)地層有越流補(bǔ)給條件下的無界承壓含水層中非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，上下隔水層有越流補(bǔ)給，在巨厚含水層中，井結(jié)構(gòu)為非完整井，含水層為均質(zhì)、各向異性、側(cè)向無限延伸，厚度不變。計(jì)算方法選用Hantush的計(jì)算方法，進(jìn)行含水層的滲透系數(shù)（水平、垂直）、儲(chǔ)水系數(shù)以及導(dǎo)水系數(shù)、越流因子等進(jìn)行求參[5]。

根據(jù)實(shí)際的抽水井和觀測(cè)井的參數(shù)值，自動(dòng)繪制一系列標(biāo)準(zhǔn)雙對(duì)數(shù)曲線，同時(shí)根據(jù)單（群）井抽水試驗(yàn)后觀測(cè)井水位下降，生成時(shí)間-降深的雙對(duì)數(shù)曲線，并對(duì)實(shí)測(cè)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合，找出最佳的標(biāo)準(zhǔn)雙對(duì)數(shù)曲線，計(jì)算含水層的各參數(shù)[6]。擬合結(jié)果見圖3。

圖3 群井試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線與實(shí)測(cè)曲線擬合綜合圖（雙對(duì)數(shù)）

根據(jù)擬合曲線，可計(jì)算得出相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)[7]，導(dǎo)水系數(shù)平均值：T=115 m2/d，水平滲透系數(shù)平均值Kh=4.61 m/d，Kv=0.155×4.61 m/d=0.71 m/d，儲(chǔ)水系數(shù)S=1.31×10-3。

5 三維滲流數(shù)值模擬參數(shù)分析

通過數(shù)值法（利用ModFlow軟件）建立三維滲流模型，通過反演求解參數(shù)[8]。

根據(jù)研究區(qū)的幾何形狀以及實(shí)際地層結(jié)構(gòu)條件，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三維剖分。根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特性等信息，水平方向?qū)⑺牡刭|(zhì)概念模型剖分為72行、74列，最大行列間距20 m，核心區(qū)最小行列間距為2.0 m。結(jié)合抽水影響半徑，在試驗(yàn)區(qū)向外延伸350，網(wǎng)格面積為800 m×800 m，層位厚度為130 m，網(wǎng)格立體剖分見圖4，網(wǎng)絡(luò)最外邊緣作為定水頭考慮。

圖4 離散模型網(wǎng)絡(luò)三維圖

在Visual Modflow軟件中，試驗(yàn)井可以設(shè)置過濾器長度、出水量等參數(shù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)對(duì)比性，根據(jù)已有抽水試驗(yàn)觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，建立抽水井和觀測(cè)井模型。試驗(yàn)井模型設(shè)置見圖5。

圖5 試驗(yàn)井三維立體圖

根據(jù)本工程的群井抽水試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)抽水井的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行整理，在三維計(jì)算模型中設(shè)置抽水井，將抽水井涌水量代入三維數(shù)值模型中，進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算。對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)的觀測(cè)井水位變化，不斷調(diào)整并優(yōu)化相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，得到合理的承壓水分析參數(shù)[9]。

群井抽水試驗(yàn)?zāi)M的觀測(cè)井水位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)殘差直方分布關(guān)系見圖6，由圖6可知誤差中值約為0.043，標(biāo)準(zhǔn)殘差的分布滿足標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

圖6 群井試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)殘差直方分布圖

通過以上三維數(shù)值計(jì)算反演分析，獲取的模型參數(shù)見表3。

表3 群井試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯訁?shù)表

6 結(jié)語

（1）本基坑工程開挖深度為25.8 m，在后期實(shí)施階段必須考慮承壓水的降水，控制水位滿足安全需求。

（2）其CA1-1井平均出水量約30.2 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下30.0 m；CA1-2井平均出水量約23.30 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下30.0 m；CA1-3井平均出水量約25.1 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下26.00 m；CA1-4井平均出水量約20.3 m3/h，動(dòng)水位埋深基本保持在地下24.00 m。

（3）根據(jù)水位監(jiān)測(cè)信息，群井抽水試驗(yàn)期間，6口觀測(cè)井初始水位埋深為-5.26~-5.40 m，最終水位埋深為-10.64~-14.31 m，水位降深為5.24~9.05 m。

（4）根據(jù)不同求參方式比較，導(dǎo)水系數(shù)平均值：T=115 m2/d，水平滲透系數(shù)平均值Kh=4.61 m/d，Kv=0.155×4.61 m/d=0.71 m/d，儲(chǔ)水系數(shù)S=1.31×10-3。

（5）群井抽水試驗(yàn)?zāi)M的觀測(cè)井水位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)殘差直方分布關(guān)系，可知誤差中值約為0.043，標(biāo)準(zhǔn)殘差的分布滿足標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

（6）根據(jù)不同求參方式比較，本工程⑦1層粉砂夾粉質(zhì)黏土綜合水平滲透參數(shù)Kh=1.61 m/d，垂直滲透參數(shù)Kv=0.15 m/d，平均貯水系數(shù)S=1.60×10-5；⑦2層粉砂綜合水平滲透參數(shù)Kh=5.21 m/d，垂直滲透參數(shù)Kv=0.52 m/d，平均貯水系數(shù)S=2.58×10-5。

（7）群井試驗(yàn)求參可通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)的觀測(cè)井水位變化，不斷調(diào)整并優(yōu)化相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，得到合理的承壓水分析參數(shù)。