穆清君, 陳誠

(中交第二航務(wù)工程局有限公司， 湖北 武漢 430012)

城市建設(shè)的發(fā)展日新月異，有限的地上土地資源難以滿足社會進(jìn)步的需要，地下空間的進(jìn)一步開發(fā)利用已迫在眉睫，基建項目中基坑的開挖深度也越來越深，基坑地下水處理的合理與否直接關(guān)系到整個工程的進(jìn)度和成敗，有效降水+止水聯(lián)合應(yīng)用控制基坑地下水的方法，早已成為廣大工程界的共識[1-4]。富水砂卵石地區(qū)具有地下水儲量豐富、含水層滲透性強(qiáng)且補(bǔ)水速率快等特點，在該區(qū)域?qū)嵤┚c降水，即便采用止水帷幕也難以隔斷地下水的補(bǔ)給，施工難度很大。因此，在施作止水帷幕隔斷場外地下水之前，采用合理的方法預(yù)測降水效果，對于確保場內(nèi)深基坑施工邊坡穩(wěn)定具有重要的意義[5-8]。

對于施工降水成效，解析法存在較大的局限性，其不能較好地運用于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，而有限元分析法能夠較好地模擬非均質(zhì)及不等厚等水文地質(zhì)條件，因而更加普遍應(yīng)用于分析地下水的控制，許多學(xué)者在這個領(lǐng)域做了大量研究。徐永亮等[9]采用數(shù)值模擬方法論證并分析了北京某開放式深基坑工程的降水方案，指出在未能閉合圍降的場地降水，井的布設(shè)間距最低為6 m，且單井的出水量需大于等于43 m3/h；袁斌等[10]對比分析了在富水砂礫地層中，不采用擋水帷幕以及采用不同深度的擋水帷幕條件下，將深基坑降水至安全水位時的總抽水量、基坑內(nèi)外水位及降水引起的坑外地表沉降，得出了擋水帷幕深度對降水后環(huán)境影響的規(guī)律，并在綜合考慮工程對環(huán)境影響后，得到了最優(yōu)化的基坑降水方案；馬昌慧等[11]采用數(shù)值模擬軟件Visual Modflow研究了武漢某深基坑工程的地下滲流場，并利用分層總和法分析其地基變形場，通過研究發(fā)現(xiàn)，基坑外的水頭與距基坑的距離成正比，地基沉降變形與距基坑的距離成反比，距離越遠(yuǎn)水頭越大，呈逐級遞增的變化趨勢，另外，止水帷幕落底越深降水效果越好，且可以有效減小地表沉降及降低對基坑周邊滲流場的紊亂影響；楊強(qiáng)等[12]亦通過Visual Modflow軟件模擬了實際基坑降水過程，充分利用了軟件對基坑中井位、井?dāng)?shù)、井結(jié)構(gòu)、涌水量、井徑等靈活確定的特點，實現(xiàn)了可視化、預(yù)期化的操作。

該文依托湖北襄陽某深基坑工程，其基坑開挖平均深度約25 m，該區(qū)域存在滲透性極強(qiáng)的砂卵石潛水含水層，設(shè)計降水深度大于12 m?，F(xiàn)采用降水試驗輔以數(shù)值模擬分析，論證能否達(dá)到設(shè)計降深要求并驗證滲透系數(shù)，為后續(xù)選擇合適的止水帷幕方案提供合理的依據(jù)。

1 工程背景

湖北襄陽某深基坑工程最大開挖深度約25.5 m，此次為生產(chǎn)性降水試驗，降水井在后期可繼續(xù)使用，因此井位布置時盡量不影響基坑的正常開挖。綜合考慮，此次試驗井橫向布置4排，即布置在邊坡平臺及坡腳位置，具體降水井?dāng)?shù)量可通過預(yù)測的基坑總涌水量及單井出水能力計算。

計算得出此次試驗段共需布置降水井36口，如圖1所示，環(huán)向封閉布設(shè)，內(nèi)環(huán)縱向間距約25 m，外環(huán)間距約15 m。36口試驗井中包含了6口觀測井兼做備用井，暫定為JS01、JS08、JS14、JS21、JS31、JS36，為了解群井外側(cè)不同距離處以及污水處理廠附近地下水位下降情況，另在群井外側(cè)(JS14觀測井)與污水處理廠之間按間距約60 m/口布置了5個水位監(jiān)測孔(SW01～SW05)。試驗井孔徑為600 mm、井管直徑為325 mm，其他細(xì)節(jié)如圖2所示。

注：JS表示降水；CJ表示沉降；SW表示水位。

圖2 試驗井結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

2 無止水條件下降水試驗方案設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

依托工程深基坑段主要為強(qiáng)透水性的砂卵石層，厚度為55～72 m，且與漢江水存在密切的水力聯(lián)系。此次選取東汊干塢段K12+567.5～K12+667.5長約100 m的距離為試驗段，在無止水措施條件進(jìn)行試降水，旨在觀測敞開式條件下，能否將試驗段水位降低至基底以下1 m(標(biāo)高約51.00 m)，并對滲透系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。通過計算，降水井深取值為30 m。

2.2 地表沉降監(jiān)測點布設(shè)

地面沉降觀測點與水位觀測井(孔)成組布設(shè)，每個水位觀測井(孔)附近埋設(shè)一個地面沉降觀測點(CJ01～CJ11)，以獲取水位下降引起的地表沉降差。

2.3 抽水工況安排

擬采用單井和群井兩種降水模式分階段進(jìn)行。

(1) 第一階段：單井抽水

擬選取JS17為抽水井，進(jìn)行1個降深抽水，分別在平行、垂直河流方向進(jìn)行水位下降觀測，暫選取JS14、JS16、JS18、JS20、JS34、JS36為此階段水位觀測井，待水位穩(wěn)定24 h后停止抽水，并進(jìn)行水位恢復(fù)觀測。

(2) 第二階段：群井抽水

分3個降深進(jìn)行，第一次開啟18口，為奇數(shù)號井，JS01、JS21、JS31兼做觀測井，更換開啟JS02、JS20、JS24，直至水位穩(wěn)定；第二次加開至30口井抽水；第三次除了預(yù)留作為觀測井的JS36號之外，其余35口全部開啟。群井圍合范圍內(nèi)水位降至要求水位后，維持抽水3～5 d，繼續(xù)進(jìn)行觀測，待水位和地表沉降變化穩(wěn)定后停止抽水，并進(jìn)行水位恢復(fù)觀測。

2.4 試驗數(shù)據(jù)采集

2.4.1 靜止水位觀測

在正式抽水前先做好地下水靜止水位的原始記錄。觀測頻率為每30 min一次，當(dāng)出現(xiàn)4 h內(nèi)水位無持續(xù)上升或下降趨勢，且變幅不超過2 cm時，記錄此時的水位，即為靜止水位。

2.4.2 動水位、水量觀測

(1) 第一階段抽水開始后，對涌水量和動水位進(jìn)行觀測，觀測頻率宜為抽水開始后逐級遞增，第1 min、2 min、3 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min、80 min、100 min、120 min各測一次，以后隔30 min測一次，直到水位穩(wěn)定。抽水結(jié)束后，觀測恢復(fù)水位的時間也按此要求。

(2) 第二階段開始進(jìn)行群井抽水時，觀測頻率宜為抽水開始后每5 min測一次，其后宜每隔30 min或60 min測一次；抽水停止后進(jìn)行恢復(fù)水位觀測，觀測時間間隔同抽水水位觀測。

2.4.3 沉降觀測

大范圍持續(xù)降水會對地表沉降產(chǎn)生影響，在整個試驗抽水過程中，對場區(qū)內(nèi)的地表進(jìn)行沉降監(jiān)測，觀測頻率為1次/d。為了降低抽水過程中的擾動影響，垂直觀察控制點應(yīng)遠(yuǎn)離抽水范圍。

2.5 抽水試驗設(shè)備

抽水試驗設(shè)備及配套裝置如表1所示。

表1 抽水試驗及水位觀測設(shè)備

3 單井降水試驗結(jié)果分析

3.1 靜止地下水位

抽水試驗過程中，每階段抽水前均記錄靜止地下水位，單井降水、群井降水工況下水位標(biāo)高平均約62.80 m。單井抽水期間，出現(xiàn)暴雨天氣，導(dǎo)致恢復(fù)水位較初始水位高約0.20 m，說明地表透水性好，雨水對地下水影響較大。

3.2 單井降水工況

現(xiàn)場于2018年7月26日07:58選取JS17作為抽水主井，開始單井降水試驗。分別對6個觀測孔進(jìn)行水位觀測，抽水持續(xù)時間30 h，測得平均抽水量約為3 210 m3/d，最大水位降深約0.70 m，試驗結(jié)果見圖3及表2。

圖3 JS17單井抽水試驗Q-t、S-t曲線

表2 JS17單井單降深抽水試驗結(jié)果

由圖3可知：

(1) 抽水開始約3.5 h，觀測井水位已逐步趨于穩(wěn)定，但持續(xù)抽水6～8 h后，天氣突降暴雨，地表水匯集導(dǎo)致觀測井水位線性上漲，至停止抽水時，水位上漲16～20 cm，水位恢復(fù)結(jié)束后，較試驗前上漲19～24 cm，進(jìn)一步表明該區(qū)域地層透水性好，地表雨水補(bǔ)給地下水迅速。

(2) 抽水過程中，水位較快穩(wěn)定，恢復(fù)也很快，且曲線的拐點明顯，反映了含水層分布較廣、透水性較好、水量補(bǔ)給較為充沛的特點。

4 群井降水試驗結(jié)果分析

4.1 降水工況

(1) 2018年7月27日07：00，單井試驗結(jié)束且水位已恢復(fù)，開始進(jìn)行18口井的單井抽水試驗，但由于抽水量大、現(xiàn)場排水系統(tǒng)不通暢，無法將抽出的水排除場外，群井試驗被迫中止，進(jìn)行排水系統(tǒng)修建。

(2) 至2018年8月11日08：30，現(xiàn)場重新進(jìn)行群井試驗：① 第1次先開啟18口降水井，抽水36 h后，群井中心(JS36號觀測井)水位降深約5.93 m；② 第2次開啟30口降水井，抽水21 h，JS36觀測井水位降深約7.91 m；③ 第3次開啟35口降水井，抽水27.5 h，總出水量7.6萬m3/d，JS36觀測井水位降深約9.02 m，未達(dá)到要求水位標(biāo)高；④ 抽水主井內(nèi)動水位較高，單井未達(dá)到最大出水能力，因此，準(zhǔn)備更換更大功率的抽水泵，停止抽水并進(jìn)行水位恢復(fù)觀測。試驗結(jié)果見圖4、5。

圖4 群井降水試驗觀測井S-t曲線

圖5 JS36、SW01觀測井水位恢復(fù)曲線

(3) 2018年8月21日下午17：40，現(xiàn)場更換了12臺37 kW水泵(額定流量200 m3/h)抽水后，水位仍未達(dá)到要求的水位標(biāo)高(+51.00 m)，具體見圖6。群井外圍觀測孔水位下降約0.6 m(較上次)，中心水位下降約0.10 m(較上次)，并且呈緩慢下降趨勢。

圖6 更換水泵后各觀測井水位降深-時間曲線

更換了大功率的抽水泵后，原有功率15 kW的23臺水泵出水量均變小，平均為85 m3/h，12臺37 kW的水泵抽水量也只能達(dá)到140 m3/h，總抽水量約8.7萬m3/d。

4.2 數(shù)據(jù)分析

(1) 編號JS的觀測井位于抽水井附近，在抽水前期水位下降迅速，表明該區(qū)域地層透水性好；而編號為SW的外側(cè)觀測井在抽水進(jìn)行一段時間后才開始緩慢出現(xiàn)水位下降，特別是SW03、SW04、SW05約在抽水30 min后出現(xiàn)水位下降，表明前期以消耗地層靜水儲量為主，含水層給水度大。

(2) 當(dāng)開啟了30口抽水井后，觀測井水位先下降到一定深度，隨后出現(xiàn)一定程度的上漲，上漲幅度與距離觀測井的距離成正比，距離越近，漲幅越明顯，這表明在持續(xù)抽水過程中，地層中的地下水獲得了新的水源補(bǔ)給。同時周邊池塘水位出現(xiàn)明顯下降，至停止抽水時，池塘水位下降約0.80 m；停止抽水后，水位繼續(xù)下降約0.20 m。

池塘水位下降進(jìn)一步表明該區(qū)域地層透水性強(qiáng)，地表水與地下水之間存在明顯的水力聯(lián)系，地下水位降深越大，水頭差導(dǎo)致地表水滲入越快。

根據(jù)衛(wèi)星地圖量測，離試驗區(qū)最近池塘面積約58 000 m2，按水位下降0.8 m計算，考慮池塘底部不平整，按修正系數(shù)90%換算，滲透量約為11 800 m3/d，占抽水量的15.5%，此次尚未考慮遠(yuǎn)處池塘的補(bǔ)給量。

更換大功率抽水泵后，池塘水位進(jìn)一步快速下降，至停止抽水塘底基本暴露，水位下降約1.6 m。

(3) 停止抽水后，最初4 h內(nèi)水位恢復(fù)比較快，JS36號觀測井回水約3.55 m，后期恢復(fù)速率變慢，至130 h，水位未回升至初始地下水位(圖7)。

圖7 不同降深條件下的水位恢復(fù)速率圖

(4) 由于排水溝底部直接為地層上部的砂層，溝底未做防水處理，根據(jù)池塘水位下降情況，排水溝內(nèi)的水也會大量回滲至地層中。為獲取排水溝的入滲量，2018年8月28日，在排水溝進(jìn)行了一次回滲數(shù)據(jù)觀測，9 h內(nèi)觀測到水位回升0.51 m，整個排水溝面積約8 000 m2，初步估計總?cè)霛B量為10 880 m3/d。此次為停抽時的入滲量，地下水位已經(jīng)有所回升，降水時水位降深大，入滲量將大于此次預(yù)估值。

(5) 此次將抽水井圍合區(qū)域概化為一口大井，JS36假定為井內(nèi)水位降深，利用群井降水?dāng)?shù)據(jù)繪制抽水量與水位降深曲線(Q-S)曲線，如圖8所示。

圖8 群井抽水Q-S曲線示意圖

圖8表明：曲線呈現(xiàn)下凹形，表明隨抽水量的增加，水位降深增量很小，也說明在抽水過程中，水位降深越大，水頭差越明顯，補(bǔ)給也越迅速，地下水獲得了新的補(bǔ)給源。

5 水文地質(zhì)參數(shù)演算

5.1 穩(wěn)定流方法演算

采用穩(wěn)定流解析法計算水位地質(zhì)參數(shù)時，將現(xiàn)場抽水試驗趨于穩(wěn)定后測得的流量Q，以及抽水井或觀測井水位降深S代入相應(yīng)公式，即可求出相應(yīng)參數(shù)。

對于滲透系數(shù)K，分別利用JS16、JS14，JS18、JS20，JS34、JS36共3組觀測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計算，最后取平均滲透系數(shù)為56.97 m/d；對于影響半徑R，在無限延伸的含水層中，理論上不存在“影響半徑”，但習(xí)慣性引入影響半徑的概念，經(jīng)過計算，得出其平均值為278.80 m(表3)。

表3 穩(wěn)定流計算水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果

此次單井試驗降深較小，實際基坑降水過程中，降深及抽水時間均大于此次試驗，影響半徑值將遠(yuǎn)超此次計算值。

5.2 非穩(wěn)定流方法演算

根據(jù)提供的場地水文地質(zhì)信息可以看出，整個地層包含了復(fù)雜的含水系統(tǒng)，此次將其概化為巨厚的均質(zhì)各向異性潛水含水層，計算時，將觀測井現(xiàn)場采集的降深-時間數(shù)據(jù)輸入Aquifer Test軟件，并與Neuman標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行匹配，即可得到相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)。由于抽水試驗后期受到降雨及周邊地表水體補(bǔ)給的影響，對參數(shù)計算影響較大，此次利用抽水前期約6 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的滲透系數(shù)為61.2～67.7 m/d、平均64.5 m/d，給水度為0.103～0.265、平均為0.204，Neuman公式擬合結(jié)果如表4所示。實際降深時間曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合結(jié)果見圖9，除了前期有2～3個數(shù)據(jù)點較為偏離標(biāo)準(zhǔn)曲線外，其余各點均接近標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表4 Neuman公式擬合結(jié)果

(a) JS16、JS14觀測孔

6 結(jié)論

(1) 在實施落地止水帷幕前，在基坑范圍內(nèi)進(jìn)行試驗降水，從降深結(jié)果可知：已完成的36口降水井從井位和數(shù)量上均不能滿足要求，表明該區(qū)域含水層給水度大，抽水前期以消耗地層靜水儲量為主；池塘水位下降進(jìn)一步說明地層透水性好，地表水與地下水之間存在明顯的水力聯(lián)系，水位降深越大，水頭差越明顯，地表水滲入越快。

(2) 單井抽水試驗時，水位降深較小，水頭差異不明顯，使前期周邊池塘和排水溝入滲的影響也相對較弱，此時計算得到的水文地質(zhì)參數(shù)較能反映地層滲透性能；當(dāng)降水井?dāng)?shù)量和位置一定的前提下，地下水位降至設(shè)計降深前適當(dāng)選擇大功率水泵抽水，可有效縮短工期；地下水位降至設(shè)計降深后，可按需降水，在保證地下水位滿足設(shè)計降深時，適當(dāng)減小開啟水泵的數(shù)量，可保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，減少地下水資源浪費。